大型分体式DRSSTC的图片鉴赏与设计剖析

文 号

823359

2 回复 / 1769 浏览


rb-sama1 年前 -2016-07-24 14:46823359
zilipoper是一位资深高压爱好者,做过的项目包括超大功率VTTC、QCWDRSSTC、以及射频TC,包括youku上让高压爱好者喜闻乐见的妹子坐在TC顶环上放电的视频也是出自他手。
所以高压爱好圈的大部分人应该对他并不陌生。
在2014年7月。他发布了一台magnifier DRSSTC。并将其命名为 MUSHROOM DRSSTC。
它的规模与论坛Aoho会员做的DRSSTC很像。但是结构有所不同,它使用的拓扑结构直译称为“特斯拉放大镜”,在国内圈子叫法多为“分体式特斯拉线圈”。
267610

这种特斯拉线圈,使用一个小型特斯拉线圈的终端输出,通过一根金属馈线传输给主特斯拉线圈的输入端。从而在主线圈产生巨大的电弧。
267611

这种结构有点类似大型中波天线的馈电方式,其设计原理是,小型特斯拉线圈的耦合度较高,约为K0.3-0.5左右,大于普通DRSSTC的K0.1-0.2。但是通过馈线连接主线圈之后,整个系统能够被简化为普通DRSSTC的双LC谐振回路,而其等效耦合度K=k12 * (L2/(L2+L3))。
根据公式很容易看出,L2/L2+Lx是一定小于L2的。所以系统整体的等效耦合度会很低,保证了初级线圈电流能够很快震升,从而产生巨大的脉冲功率。另一个好处是,双LC谐振回路带来的频率分裂效应会被减小,而峰值增益能够更高。且馈电端特斯拉线圈的耦合度较高,这样一个周期能够传递的能量就比普通DRSSTC要大,并且由于终端电压较低,所以高耦合也并不会带来绝缘问题。
在SGTC火花间隙耗能较大的时代,必须保证槽路能量尽可能短时间传递给次级线圈,所以这种magnifier TC的结构由于等效耦合小、效率高的特点,曾被广泛应用于特斯拉线圈设计中。
-
那么这台DRSSTC的规模有多大呢?图片可以见得
267612

根据人身高比例推算,约为3.6m高度。顶环宽度约为1.8m。
其功率为35KW,运行于35KHz,槽路谐振电流峰值达到了惊人的6KA。
267613

267614

电弧的效果也是相当绚丽。
-
zilipoper也分享了它的功率部分设计,看完之后不禁感叹。
这才是真正的苏维埃工艺!
267609

MUSHROOM DRSSTC的功率部分使用四块FZ1200R12KL4C型号IGBT模块作为开关元件。
笔者下载了这款IGBT模块的资料,
FZ1200.pdf263k5次
,发现这款模块常规电流为1200A,短时电流为2400A。
其特性为短路限定电流IGBT,5uS允许通过电流为9000A。
267606

可以看到,四个IGBT模块紧紧靠在一起,使用厚铜板对接线端子进行机械固定的同时,也完成了可靠的电气连接,组成了一个标准的全桥结构。是在机械结构运行的情况下,做出的最短电气连接方式,短而粗的走线,保证了最小的寄生电感。
在大型DRSSTC中,电流动辄KA,一点点小小的寄生电感带来的损耗都是不可忽视的,非最优化的走线,往往导致吸收电容过热,更有甚者,输入功率巨大,而电弧长度根本达不到其功率对应的弧长,这个时候排查完其他可能问题之后,就要考虑是否需要优化布线了。
图中的走线方式处理的比较好,值得我们在设计制作大型DRSSTC时借鉴。
267616

往上一层,zilipoper则使用15只高频电容作为母线吸收电容,跨接在电源两端。
由于寄生电感以及DR的槽路蓄能,对于一些电流变化非常快的场合,需要低内阻,低电感的电容器来吸收高频尖峰。
267608

在桥的最上层,使用了12只耐压400V 6800uF的电解电容组合作为槽路电流吸收,在DRSSTC灭弧的最末期,槽路中的多余能量通过IGBT模块中的续流二极管回流至母线,这个能量非常巨大,光靠吸收高频电容是无法吸收的,而这些能量虽然巨大,但是频率分量中低频部分较大,所以电解电容无疑是非常好的选择。
这样巨大的容量,可以保证母线钳位电压稳定,保证全桥的稳定工作。
-
35KW的输入功率下,即使效率达到95%,5%的损耗发热量都能达到1.75KW之巨,所以必须谨慎处理。
所以可以看到全桥底部使用的是水冷底板,这样的底板能够在较小体积的同时,带来很大的散热功率容量。


而作者也公布了视频
https://www.youtube.com/watch?v=7uVmt2b3NyY
在youtube上可以观看到这台DRSSTC与作者的所有项目。
-
鉴于作者并没有分享他使用的控制原理和结构,所以更多的细节我们无法得知。但是窥斑知全豹,从全桥的设计可以见得作者的正向设计功底还是很不错的。
-
通过对MUSHROOM DRSSTC的剖析,其实可以见得,DRSSTC的正向设计是有规律的,其母线电压、预设功率容量等给定调节,可以推算出需要的槽路电流,从而再推算出需要的吸收电容以及接线方式等一些具体的实施细节。
在这一点上,实际上不可否认的是国外爱好者一直走在领先的位置。
学习一些较为详细的博客分享细节,大到全桥,小到GDT,都用磁感应计算公式,限定饱和值等,计算出最佳GDT匝数范围,从而保证最优秀的驱动波形。甚至使用仿真软件模拟电磁场,来确定绝缘距离,以及使用有限元软件来分析最优走线,保证最小的寄生电感等。
这些正向设计方法的发展,无疑快速推动了特斯拉线圈爱好的蓬勃发展,所以才在短短的十年间,从最基础的SGTC发展到如今的SiC QCWDRSSTC等使用PSOC ARM控制的智能DRSSTC。
-
而行业先驱积累下的技术财富,绝对不能划归为所谓的“固定套路”,“固定套路”意味着所有不同大小的设计都沿用同一标准,暂不论技术本身的先进落后,对于不同系统采用同一种设计实际上一定会造成某种程度的设计缺陷或冗余设计,这样带来的后果就是,本来能发挥出10成功效的元器件,只能发挥出6成的功效。而作为高压爱好者,应当保持自身对新技术的好奇,以及更小功率产生更可观电弧的高效率追求。这样才有可能在TC爱好活动中,给自己或大家带来更大的乐趣。
-
最后希望这篇文章能够通过对MUSHROOM DRSSTC的剖析,为国内爱好者提供一个设计视在功率超过30KW,谐振电流超过6KA的大型DRSSTC设计参考,并且了解更多不同的拓扑结构。
鉴于时间原因,更多的图片和细节没有上传到论坛,有兴趣的爱好者可以点击以下链接进入原帖观看。
http://4hv.org/e107_plugins/forum/forum_viewtopic.php?164773

[修改于 1 年前 - 2016-07-24 15:36:37]


rb-sama1 年前 -2016-07-24 15:42823360
好的坏的都要说,从爱好者的角度吐槽下这台DRSSTC。
DRSSTC的槽路损耗其实并不大,使用分体式供电的方式,我觉得显得有点多此一举。
论坛Aoho的超级特斯拉线圈的功率规模与MUSHROOM DRSSTC较为接近。
但是使用的拓扑结构是普通DRSSTC,而分体式TC的一个缺点也是馈线可能会产生电晕损耗。

在SGTC上可能会带来不错的收效,但是DRSSTC使用分体效果不会那么明显,也不是很美观。
所以如果换我做这种功率等级的DRSSTC,还是会用与Aoho相同的双线圈耦合方式。

奇侠1 年前 -2016-07-25 00:53823378
这种分体式TC的设计,还蛮像之前见过的一个SSTC,基本结构如下图所示:
267631

主要思想是将SSTC的初次耦合改变为变压器耦合,优点是由于改成了变压器耦合,与常见的SSTC相比效率提高了。由于磁芯存在饱和问题,所以用来做DRSSTC就不大可能了。

[修改于 1 年前 - 2016-07-25 00:59:41]


返回 特斯拉线圈
返回 本页顶部

想参与大家的讨论?现在就 登陆 或者 注册


nkc Development Server https://github.com/lovetheory/nkc2

科创研究院 (c)2005-2017

蜀ICP备11004945号-2 川公网安备51010802000058号