南台科技大学电力电子实验室.pptx

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1、返馳式開關調節器之研究返馳式開關調節器之研究 南台科技大學南台科技大學 電機工程系電機工程系3/3/20233/3/20231 1南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室大 綱 摘要摘要 研究動機及目的研究動機及目的 轉換式電源穩定器廣泛應用之原因轉換式電源穩定器廣泛應用之原因 反馳式轉換器電源穩定器反馳式轉換器電源穩定器 變壓器模型及參數計算變壓器模型及參數計算 轉換式電源穩定器電路之結構轉換式電源穩定器電路之結構 結論結論 參考文獻參考文獻3/3/20233/3/20232 2南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室摘 要 本本文文提提出出以以不不連連續續電電流流模

2、模式式，進進行行 返返馳馳式式轉轉換換器器開開關關調調節節電電路路之之研研製製。電電路路本本身身不不需需要要作作電電氣氣隔隔離離，設設計計上上使使用用變變壓壓器器作作電電氣氣隔隔離離與與電電壓壓準準位位的的調調整整。返返馳馳式式轉轉換換器器的的電電路路架架構構，是是具具有有隔隔離離特特性性的的昇昇降降壓壓型型轉轉換換器器，該該變變壓壓器器不不是是磁磁性性元元件件的的功功能能，而而係係利利用用耦耦合合電電感感達達到到能能量量轉轉換換的的目目的的，設設計計整整個個電電路路的的重重點點是是磁磁能能的的儲儲存存與與釋釋放放。本本文文返返馳馳式式轉轉換換器器的的電電路路，傳傳遞遞能能量量機機制制是是耦耦

3、合合電電感感，不不是是真真正正的的變變壓壓器器，鐵鐵芯芯需需要要有有適適當當的的氣氣隙隙存存在在，防防止止飽飽和和和和平衡直流成分。平衡直流成分。關鍵字：不連續電流，電氣隔離，儲存與釋放。關鍵字：不連續電流，電氣隔離，儲存與釋放。3/3/20233/3/20233 3南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室研究動機及目的 電電力力電電子子技技術術結結合合功功率率半半導導體體元元件件之之開開關關控控制制，拓拓蹼蹼結結構構之之設設計計與與系系統統控控制制學學科科，其其目目的的是是要要利利用用功功率率半半導導體體元元件件對對電電源源來來加加以以轉轉換換與與控控制制，以以達達到到各各種種負

4、負載載的的需需求求。電電力力電電子子主主要要研研究究領領域域有有結結合合功功率率半半導導體體元元件件、率率級級的的電電路路、傳傳動動系系統統與與電電機機機機械械、防防制制電電磁磁干干擾擾的的技技術術、積積體體電電路路設設計計、控控制制理理論論、應應用用微微處處理理器器、類類比比與與數數位位電電子子和和電電腦腦輔輔助助設設計計技技術術等等等等，知知識識應應用用之之綜綜合合科科技。技。各各種種電電力力轉轉換換器器，形形成成之之功功率率電電路路，所所組組成成電電力力電電子子設設備備。電電力力轉轉換換器器，就就由由功功率率半半導導體體元元件件所所結結合合，就就在在固固定定之之控控制制模模式式裡裡決決定

5、定功功率率開開關關之之導導通通與與截截止止的的時時間間，使得負載可以穩定的操作。使得負載可以穩定的操作。3/3/20233/3/20234 4南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室轉換式電源穩定器廣泛應用之原因 轉轉換換式式電電源源穩穩定定器器體體積積小小，重重量量輕輕，效效率率高高的的特特點點，而而且且節節省省能能源源符符合合時時代代的的需需求求。所所以以，廣廣泛泛應應用用在在各各種種不不同同電電子子機機器器上上。而而且且能能與與廣廣闊闊範範圍圍的的輸輸入入電電壓壓配配合合，不不需需要要改改變變分分接接頭頭和和電電路路常常數數，方方便便在在輸輸入入電電壓壓不不同同地區使用之特點

6、。地區使用之特點。轉轉換換式式電電源源穩穩定定器器都都會會產產生生雜雜訊訊，如如整整流流二二極極體體（rectifyingrectifying）、轉轉換換電電晶晶體體（switching switching transistortransistor）、變變壓壓器器（transformertransformer）、扼扼流流圈圈（chokecoilchokecoil）等等等等，這這種種缺缺點點都都可可以以利利用用濾濾波波器器（filterfilter）和和屏屏蔽蔽（shieldshield）及及電電路路設設計計上上的改進，來加以改善。的改進，來加以改善。由於漣波（由於漣波（rippleripple

7、）和雜訊（）和雜訊（noisenoise）皆對轉換式電源穩定器的穩）皆對轉換式電源穩定器的穩定度有不良影響，在設計技巧上需適當，才能防止這種不良影響，來定度有不良影響，在設計技巧上需適當，才能防止這種不良影響，來保持比較高的穩定度。保持比較高的穩定度。3/3/20233/3/20235 5南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室探討電感之性質：探討電感之性質：（1 1）當當電電感感上上有有電電流流I I 流流通通時時，可可儲儲存存能能量量是是E E（LI2LI2）/2/2，如如圖圖2 21 1（2 2）開開關關S S 打打開開的的瞬瞬間間，電電流流不不是是立立即即截截斷斷，仍仍然然

8、有有電電流流I I 的的能能量量維維持持，並並且且產產生生電電壓壓，和和V V 在在同同一一方方向向重重疊疊。結結果果，在在開開關關S S 的的端端子子上加入高壓，產生電弧。這能量消耗在電弧和電阻上加入高壓，產生電弧。這能量消耗在電弧和電阻R R 上。如圖上。如圖2-22-2 圖圖2 21 1 電感內所能儲存的能量是電感內所能儲存的能量是LI2/2LI2/23/3/20233/3/20236 6南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室 （2 2）開開關關S S 打打開開的的瞬瞬間間，電電流流不不是是立立即即截截斷斷，仍仍然然有有電電流流I I 的的能能量量維維持持，並並且且產產生生

9、電電壓壓，和和V V 在在同同一一方方向向重重疊疊。結結果果，在在開開關關S S 的的端端子子上上加加入入高壓，產生電弧。這能量消耗在電弧和電阻高壓，產生電弧。這能量消耗在電弧和電阻R R 上。如圖上。如圖2-22-2 圖圖 2 22 2 因為無法使能量在瞬間產生變化，所以無法使電因為無法使能量在瞬間產生變化，所以無法使電流流I I 在瞬間遮斷，或者改變它流通方向。在瞬間遮斷，或者改變它流通方向。3/3/20233/3/20237 7南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室 （3 3）當當初初級級繞繞組組有有電電流流Ip Ip 流流通通時時，開開關關S S 打打開開，次次級級繞繞組

10、組上上就就有有同一安匝的電流流通，如圖同一安匝的電流流通，如圖2-32-3。如此，次級繞組上流通電流是。如此，次級繞組上流通電流是Is IsIpNp/NsIpNp/Ns依照時間常數，依照時間常數，Ls/R Ls/R 發生衰減，能量在電阻處變成熱能放出。發生衰減，能量在電阻處變成熱能放出。3/3/20233/3/20238 8南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室圖圖 2 23 3 有有次次級級電電路路的的電電感感時時，利利用用初初級級電電路路遮遮斷斷，相相同同的的安安匝匝（ampere ampere turnsturns），可以保持和次級電路上流通的電流相同磁場。），可以保持和次

11、級電路上流通的電流相同磁場。3/3/20233/3/20239 9南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室（4 4）當電感端子電壓是）當電感端子電壓是V V 時，電感的電流變化率是時，電感的電流變化率是V/LV/L圖圖2 24 4 電感的端子電壓是電感的端子電壓是V V 時，電感時，電感L L 上所流通的電上所流通的電流變化率就是流變化率就是V/LV/L3/3/20233/3/20231010南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室反馳式轉換器電源穩定器 返返馳馳式式轉轉換換器器由由圖圖 2-102-10（a a）所所表表示示的的，升升降降壓壓式式轉轉換換器器衍衍生生來

12、來的的如如圖圖2-102-10（b b）表表示示的的。圖圖2-11 2-11 表表示示將將圖圖2-102-10（b b）的的二二線線圈圈式式電電感感以以它它的等效電路來表示。的等效電路來表示。返返馳馳式式轉轉換換器器，它它輸輸入入和和輸輸出出之之間間，並並沒沒有有安安全全的的隔隔離離裝裝置置。通通常常轉轉換換式式電電源源供供應應器器裡裡，常常用用的的隔隔離離元元件件是是變變壓壓器器（TransformerTransformer）。也也就就是是說說，在在電電路路圖圖中中出出現現的的是是變變壓壓形形式式，但但是是它它的的動動作作狀狀態態卻卻是是扼扼流流圈圈（ChokeChoke）形形式式，所所以以

13、就就直直稱稱它是變壓器扼流圈（它是變壓器扼流圈（TransformerChokeTransformerChoke）。）。3/3/20233/3/20231111南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室圖圖 2-10 2-10 返馳式轉換器返馳式轉換器3/3/20233/3/20231212南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室圖圖 2-11 2-11 返馳式轉換器的電路模式：（返馳式轉換器的電路模式：（a a）開關導通）開關導通（b b）開關截止）開關截止3/3/20233/3/20231313南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室變壓器模型及參數計算

14、返返馳馳式式轉轉換換器器變變壓壓器器扼扼流流圈圈，其其僅僅在在B-H B-H 特特性性曲曲線線的的單單一一方方向向來來做做轉轉換換運運動動，因因此此在在設設計計變變壓壓器器扼扼流流圈圈時時不不可可設設計計於於飽飽和和工工作作狀態，使用的鐵心狀態，使用的鐵心(Core)(Core)，需有較大的體積並且有空氣間隙，需有較大的體積並且有空氣間隙(air gap)(air gap)。有效的變壓器有效的變壓器扼流圈的體積大小為：扼流圈的體積大小為：Volume=u0ueIL2maxLout/B2maxVolume=u0ueIL2maxLout/B2max在此在此 ILmax ILmax：負載電流所決定：

15、負載電流所決定ueue：鐵心材料的相對導磁率：鐵心材料的相對導磁率(permeability)(permeability)BmaxBmax：鐵心的最大磁通密度：鐵心的最大磁通密度我我們們在在選選擇擇相相對對導導磁磁率率時時，必必須須選選擇擇足足夠夠大大，以以避避免免鐵鐵心心會會有有溫溫度度升升高高的的情情形形發發生生，由由於於對對鐵鐵心心與與繞繞線線尺尺寸寸大大小小的的限限制制，因因此此會會產產生生銅損失與鐵心損失銅損失與鐵心損失(copper and core losses)(copper and core losses)。3/3/20233/3/20231414南台科技大學電力電子實驗室南

16、台科技大學電力電子實驗室 在在返返馳馳式式轉轉換換器器中中，對對變變壓壓器器扼扼流流圈圈來來說說有有二二種種可可能能的的操操作作模模式式：(1)(1)整整個個能能量量轉轉移移，在在電電晶晶體體開開關關轉轉換換至至ON ON 狀狀態態時時，所所有有儲儲存存在在電電感感器器變變壓壓器器的的能能量量會會轉轉換換至至次次級級圈圈。(2)(2)不不完完全全的的能能量量轉轉移移，在在電電晶晶體體開開關關轉轉換換至至ON ON 狀狀態態前前，並並非非所所有有儲儲存存在在電電感感器器變變壓壓器器的的能能量量會會轉轉移移至至次次級級圈圈，在在圖圖3-13-1，3-2 3-2 所所示示為為此此二二種操作模式的波形

17、。種操作模式的波形。圖圖 3-1 3-1 此電壓與電流的波形描圖此電壓與電流的波形描圖 3-2 3-2 此波形則描述不完此波形則描述不完述返馳式變壓器述返馳式變壓器-扼流圈整扼流圈整 全能量轉移的關係全能量轉移的關係個能量轉移的關係個能量轉移的關係3/3/20233/3/20231515南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室 在在轉轉換換電電晶晶體體的的 on on 期期間間裏裏，整整個個能能量量轉轉移移波波形形中中具具有有較較高高的的峰峰值值集集極極電電流流，也也就就是是因因為為相相對對地地低低的的初初級級電電感感值值，而而使使此此電電流流值值升升高高，所所需需付付出出代代價價

18、是是增增加加了了繞繞組組損損失失 (winding(winding losses)losses)與與輸輸入入電電容容器器漣漣波波電電流流。所所以，同樣地轉換電晶體必須有高電流的承載能力，才能忍受此峰值電流。以，同樣地轉換電晶體必須有高電流的承載能力，才能忍受此峰值電流。在在另另一一方方面面，不不完完全全的的能能量量轉轉移移模模式式中中，所所呈呈現現的的是是較較低低峰峰值值轉轉換換電電晶晶體體集集極極電電流流，而而所所付付出出的的代代價價是是當當電電晶晶體體開開關關於於on on 狀狀態態時時，會會產產生生較較高高的的集集極極電電流流值值，因因此此導導致致電電晶晶體體高高功功率率的的消消耗耗，然

19、然而而為為了了達達成成此此模模式式的的操操作作，相相對對地地就就需需要要較較高高的的變變壓壓器器扼扼流流圈圈初初級級電電感感值值。再再變變壓壓器器鐵鐵心心中中所所儲儲存存的的殘殘餘餘能能量量則則假假定定不不完完全全能能量量轉轉移移變變壓壓器器扼扼流流圈圈的的體體積積會較完全能量轉移的體積為大，而所有其他的係數是相等的。會較完全能量轉移的體積為大，而所有其他的係數是相等的。3/3/20233/3/20231616南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室轉換式電源穩定器電路之結構4.1 4.1 主要電路圖主要電路圖圖圖4.1 4.1 主要電路圖主要電路圖3/3/20233/3/2023

20、1717南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室 在在圖圖 4.1 4.1 電電路路裡裡輸輸入入線線電電壓壓110Vac 110Vac 經經整整流流和和提提供供平平滑滑的的直直流流電電壓壓。電電源源最最初初應應用用在在電電路路時時，使使IC1 IC1 的的輸輸出出，功功率率MOSFET MOSFET Q1 Q1 開開始始Turn Turn onon。在在 Q1 Q1 的的及及時時期期間間，能能量量存存儲儲在在變變壓壓器器 T T 的的空空氣氣隙隙裡裡。這這個個時時候候輸輸出出線線圈圈的的極極性性，和和輸輸出出整整流流器器相相反反的的，不不轉轉移移和和沒沒有有任任何何能能量量的的輸輸

21、出出。由由一一個個R10 R10，電電阻阻檢檢測測了了首首要要的的電電流流，在在 IC1 IC1 裡裡面面與與一一個個固固定定的的 1 1 伏伏特特參參考考比比較較。當當到到達達這這個個位位準準時時，Q1 Q1 開開始始TurnoffTurnoff，並並且且所所有有變變壓壓器器線線圈圈的的極極性性倒倒轉轉，輸輸出出整整流流器器提提前前偏偏壓壓，把把存存儲儲的的能能量量轉轉移移到到輸輸出出電電容容器器。這這個個存存儲儲和和釋釋放放的的動動作作許許多多週週期期，來來輸輸出出電電壓壓。從從輸輸出出5V 5V 接接迴迴受受電電壓壓對對誤誤差差放放大大器器透透過過電電壓壓分分發發器器，供供給給電壓和電壓

22、和IC1(IC1(腳腳 2)2)與一個與一個 2.5v 2.5v 內部參考電壓作比較，來穩定輸出電壓。內部參考電壓作比較，來穩定輸出電壓。3/3/20233/3/20231818南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室結論 一一般般變變壓壓器器的的操操作作，它它的的效效率率都都非非常常高高，不不管管是是提提高高或或降降低低輸輸出出電電壓壓，都都和和圈圈數數比比成成比比例例變變化化。也也就就是是變變壓壓器器的的初初級級圈圈和和次次級級圈圈的的電電壓壓比比和和圈圈數數比比之之間間成成正正比比。變變壓壓器器最最重重要要且且最最有有用用的的特特性性，就就是是提提供供初初級級和和次次級級之之

23、間間電電器器上上的的隔隔離離。本本研研究究的的返返馳馳式式轉轉換換器器在在磁磁路路上上有有空空氣氣間間隙隙存存在在，磁磁滯滯迴迴路路曲曲線線上上就就會會有有傾傾斜斜現現象象產產生生。因因此此，高高磁磁化化力力的的情情況況下下，可以減少鐵心飽和的可能性。可以減少鐵心飽和的可能性。大大多多數數的的磁磁性性材材料料，都都能能用用來來設設計計高高頻頻的的功功率率變變壓壓器器，陶陶鐵鐵磁磁材材料料，目目前前幾幾乎乎都都使使用用它它來來作作轉轉換換器器的的設設計計。陶陶鐵鐵磁磁沒沒有有很很高高的的操操作作磁磁通通密密度度，大大多多數數陶陶鐵鐵磁磁的的Bsat Bsat 值值由由3000G 3000G 至至

24、5000G5000G。不不過過，它它可可以以提提供供在在高高頻頻下下低低的鐵心損失，良好的繞組耦合和組合的方便。的鐵心損失，良好的繞組耦合和組合的方便。3/3/20233/3/20231919南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室 選選擇擇適適當當的的鐵鐵心心有有二二個個以以上上的的設設計計參參數數，是是非非常常重重要要的的，其其中中之之一一是是鐵鐵心心的的繞繞組組面面積積或或是是捲捲線線軸軸的的繞繞組組面面積積。此此值值必必須須選選得得足足夠夠大大，才才能能承承載載適適當當的的繞繞線線尺尺寸寸，而而將將繞繞組組損損失失減減至至最最小小值值。另另外外一一個個就就是是鐵鐵心心的的功

25、率容許值。功率容許值。鐵鐵心心的的幾幾何何形形狀狀用用於於特特定定的的應應用用，全全視視功功率率的的需需求求而而定定，其其中中以以E EE E、E EI I、E EC C 和和Pot Pot 型式的鐵心是最受歡迎的形狀。型式的鐵心是最受歡迎的形狀。返馳式轉換器的優點和缺點，優點最主要是比較簡單，價格便返馳式轉換器的優點和缺點，優點最主要是比較簡單，價格便宜，這是因為變壓器本身就是一個扼流圈宜，這是因為變壓器本身就是一個扼流圈(Choker)(Choker)，可作為能量儲存，可作為能量儲存之用。之用。缺缺點點在在變變壓壓器器和和輸輸出出元元件件中中，所所流流經經之之電電流流，則則具具有有高高漣漣

26、波波電電流流，所以效率會被減低。由於這種限制，一般返馳式轉換器，都設計在所以效率會被減低。由於這種限制，一般返馳式轉換器，都設計在150W150W以下。以下。3/3/20233/3/20232020南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室 轉轉換換器器電電源源穩穩定定器器的的轉轉換換頻頻率率，有有逐逐漸漸增增高高的的趨趨勢勢，通通常常由由50KHz 50KHz 增增至至100KHz100KHz。近近年年來來甚甚至至MHz MHz 等等級級的的轉轉換換頻頻率率電電源源，也也已已型型製製作作，一一但但轉轉換換頻頻率率升升高高接接近近100KHz 100KHz 之之後後，它它電電壓壓器器

27、所所能能獲獲取取的的輸輸出出，約約和和同同一一尺尺吋吋的的頻頻率率比比的的平平方方根根倍倍數數相相當當，它它的的扼扼流流圈圈的的電電感感值和頻率成反比而下降。值和頻率成反比而下降。3/3/20233/3/20232121南台科技大學電力電子實驗室南台科技大學電力電子實驗室參考文獻【1 1】鄭振東，轉換式電源穩定器設計要訣，建興出版社，民國】鄭振東，轉換式電源穩定器設計要訣，建興出版社，民國86 86 年。年。【2 2】江炫樟，電力電子學，全華圖書出版社，民國】江炫樟，電力電子學，全華圖書出版社，民國87 87 年。年。【3 3】鄭培璿，電力電子分析與模擬，全華圖書出版社，民國】鄭培璿，電力電子

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