南臺科技大學電力電子實驗室

返馳式開關(guān)調(diào)節(jié)器之研究

南臺科技大學電機工程系5/27/20251南臺科技大學電力電子實驗室大綱?摘要?研究動機及目的?轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器廣泛應用之原因?反馳式轉(zhuǎn)換器電源穩(wěn)定器?變壓器模型及參數(shù)計算?轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器電路之結(jié)構(gòu)?結(jié)論?參考文獻5/27/20252南臺科技大學電力電子實驗室摘要

本文提出以不連續(xù)電流模式，進行返馳式轉(zhuǎn)換器開關(guān)調(diào)節(jié)電路之研製。電路本身不需要作電氣隔離，設計上使用變壓器作電氣隔離與電壓準位的調(diào)整。返馳式轉(zhuǎn)換器的電路架構(gòu)，是具有隔離特性的昇降壓型轉(zhuǎn)換器，該變壓器不是磁性元件的功能，而係利用耦合電感達到能量轉(zhuǎn)換的目的，設計整個電路的重點是磁能的儲存與釋放。本文返馳式轉(zhuǎn)換器的電路，傳遞能量機制是耦合電感，不是真正的變壓器，鐵芯需要有適當?shù)臍庀洞嬖?，防止飽和和平衡直流成分。關(guān)鍵字：不連續(xù)電流，電氣隔離，儲存與釋放。5/27/20253南臺科技大學電力電子實驗室研究動機及目的電力電子技術(shù)結(jié)合功率半導體元件之開關(guān)控制，拓蹼結(jié)構(gòu)之設計與系統(tǒng)控制學科，其目的是要利用功率半導體元件對電源來加以轉(zhuǎn)換與控制，以達到各種負載的需求。電力電子主要研究領(lǐng)域有結(jié)合功率半導體元件、率級的電路、傳動系統(tǒng)與電機機械、防制電磁干擾的技術(shù)、積體電路設計、控制理論、應用微處理器、類比與數(shù)位電子和電腦輔助設計技術(shù)等等，知識應用之綜合科技。各種電力轉(zhuǎn)換器，形成之功率電路，所組成電力電子設備。電力轉(zhuǎn)換器，就由功率半導體元件所結(jié)合，就在固定之控制模式裡決定功率開關(guān)之導通與截止的時間，使得負載可以穩(wěn)定的操作。5/27/20254南臺科技大學電力電子實驗室轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器廣泛應用之原因轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器體積小，重量輕，效率高的特點，而且節(jié)省能源符合時代的需求。所以，廣泛應用在各種不同電子機器上。而且能與廣闊範圍的輸入電壓配合，不需要改變分接頭和電路常數(shù)，方便在輸入電壓不同地區(qū)使用之特點。轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器都會產(chǎn)生雜訊，如整流二極體（rectifying）、轉(zhuǎn)換電晶體（switchingtransistor）、變壓器（transformer）、扼流圈（chokecoil）等等，這種缺點都可以利用濾波器（filter）和屏蔽（shield）及電路設計上的改進，來加以改善。由於漣波（ripple）和雜訊（noise）皆對轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器的穩(wěn)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(wěn)定度。5/27/20255南臺科技大學電力電子實驗室探討電感之性質(zhì)：（1）當電感上有電流I流通時，可儲存能量是E＝（LI2）/2，如圖2－1（2）開關(guān)S打開的瞬間，電流不是立即截斷，仍然有電流I的能量維持，並且產(chǎn)生電壓，和V在同一方向重疊。結(jié)果，在開關(guān)S的端子上加入高壓，產(chǎn)生電弧。這能量消耗在電弧和電阻R上。如圖2-2圖2－1電感內(nèi)所能儲存的能量是LI2/25/27/20256南臺科技大學電力電子實驗室

（2）開關(guān)S打開的瞬間，電流不是立即截斷，仍然有電流I的能量維持，並且產(chǎn)生電壓，和V在同一方向重疊。結(jié)果，在開關(guān)S的端子上加入高壓，產(chǎn)生電弧。這能量消耗在電弧和電阻R上。如圖2-2

圖2－2因為無法使能量在瞬間產(chǎn)生變化，所以無法使電流I在瞬間遮斷，或者改變它流通方向。

5/27/20257南臺科技大學電力電子實驗室（3）當初級繞組有電流Ip流通時，開關(guān)S打開，次級繞組上就有同一安匝的電流流通，如圖2-3。如此，次級繞組上流通電流是Is＝Ip×Np/Ns依照時間常數(shù)，Ls/R發(fā)生衰減，能量在電阻處變成熱能放出。5/27/20258南臺科技大學電力電子實驗室圖2－3有次級電路的電感時，利用初級電路遮斷，相同的安匝（ampereturns），可以保持和次級電路上流通的電流相同磁場。5/27/20259南臺科技大學電力電子實驗室（4）當電感端子電壓是V時，電感的電流變化率是V/L圖2－4電感的端子電壓是V時，電感L上所流通的電流變化率就是V/L5/27/202510南臺科技大學電力電子實驗室反馳式轉(zhuǎn)換器電源穩(wěn)定器

返馳式轉(zhuǎn)換器由圖2-10（a）所表示的，升降壓式轉(zhuǎn)換器衍生來的如圖2-10（b）表示的。圖2-11表示將圖2-10（b）的二線圈式電感以它的等效電路來表示。返馳式轉(zhuǎn)換器，它輸入和輸出之間，並沒有安全的隔離裝置。通常轉(zhuǎn)換式電源供應器裡，常用的隔離元件是變壓器（Transformer）。也就是說，在電路圖中出現(xiàn)的是變壓形式，但是它的動作狀態(tài)卻是扼流圈（Choke）形式，所以就直稱它是變壓器扼流圈（TransformerChoke）。5/27/202511南臺科技大學電力電子實驗室圖2-10返馳式轉(zhuǎn)換器5/27/202512南臺科技大學電力電子實驗室圖2-11返馳式轉(zhuǎn)換器的電路模式：（a）開關(guān)導通（b）開關(guān)截止5/27/202513南臺科技大學電力電子實驗室變壓器模型及參數(shù)計算

返馳式轉(zhuǎn)換器變壓器—扼流圈，其僅在B-H特性曲線的單一方向來做轉(zhuǎn)換運動，因此在設計變壓器—扼流圈時不可設計於飽和工作狀態(tài)，使用的鐵心(Core)，需有較大的體積並且有空氣間隙(airgap)。有效的變壓器—扼流圈的體積大小為：Volume=u0ueIL2maxLout/B2max在此ILmax：負載電流所決定ue：鐵心材料的相對導磁率(permeability)Bmax：鐵心的最大磁通密度我們在選擇相對導磁率時，必須選擇足夠大，以避免鐵心會有溫度升高的情形發(fā)生，由於對鐵心與繞線尺寸大小的限制，因此會產(chǎn)生銅損失與鐵心損失(copperandcorelosses)。5/27/202514南臺科技大學電力電子實驗室在返馳式轉(zhuǎn)換器中，對變壓器—扼流圈來說有二種可能的操作模式：(1)整個能量轉(zhuǎn)移，在電晶體開關(guān)轉(zhuǎn)換至ON狀態(tài)時，所有儲存在電感器—變壓器的能量會轉(zhuǎn)換至次級圈。(2)不完全的能量轉(zhuǎn)移，在電晶體開關(guān)轉(zhuǎn)換至ON狀態(tài)前，並非所有儲存在電感器—變壓器的能量會轉(zhuǎn)移至次級圈，在圖3-1，3-2所示為此二種操作模式的波形。圖3-1此電壓與電流的波形描圖3-2此波形則描述不完述返馳式變壓器-扼流圈整全能量轉(zhuǎn)移的關(guān)係個能量轉(zhuǎn)移的關(guān)係5/27/202515南臺科技大學電力電子實驗室在轉(zhuǎn)換電晶體的on期間裏，整個能量轉(zhuǎn)移波形中具有較高的峰值集極電流，也就是因為相對地低的初級電感值，而使此電流值升高，所需付出代價是增加了繞組損失(windinglosses)與輸入電容器漣波電流。所以，同樣地轉(zhuǎn)換電晶體必須有高電流的承載能力，才能忍受此峰值電流。在另一方面，不完全的能量轉(zhuǎn)移模式中，所呈現(xiàn)的是較低峰值轉(zhuǎn)換電晶體集極電流，而所付出的代價是當電晶體開關(guān)於on狀態(tài)時，會產(chǎn)生較高的集極電流值，因此導致電晶體高功率的消耗，然而為了達成此模式的操作，相對地就需要較高的變壓器—扼流圈初級電感值。再變壓器鐵心中所儲存的殘餘能量則假定不完全能量轉(zhuǎn)移變壓器—扼流圈的體積會較完全能量轉(zhuǎn)移的體積為大，而所有其他的係數(shù)是相等的。

5/27/202516南臺科技大學電力電子實驗室轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器電路之結(jié)構(gòu)4.1主要電路圖圖4.1主要電路圖5/27/202517南臺科技大學電力電子實驗室在圖4.1電路裡輸入線電壓110Vac經(jīng)整流和提供平滑的直流電壓。電源最初應用在電路時，使IC1的輸出，功率MOSFETQ1開始Turnon。在Q1的及時期間，能量存儲在變壓器T的空氣隙裡。這個時候輸出線圈的極性，和輸出整流器相反的，不轉(zhuǎn)移和沒有任何能量的輸出。由一個R10，電阻檢測了首要的電流，在IC1裡面與一個固定的1伏特參考比較。當?shù)竭_這個位準時，Q1開始Turnoff，並且所有變壓器線圈的極性倒轉(zhuǎn)，輸出整流器提前偏壓，把存儲的能量轉(zhuǎn)移到輸出電容器。這個存儲和釋放的動作許多週期，來輸出電壓。從輸出＋5V接迴受電壓對誤差放大器透過電壓分發(fā)器，供給電壓和IC1(腳2)與一個2.5v內(nèi)部參考電壓作比較，來穩(wěn)定輸出電壓。5/27/202518南臺科技大學電力電子實驗室結(jié)論一般變壓器的操作，它的效率都非常高，不管是提高或降低輸出電壓，都和圈數(shù)比成比例變化。也就是變壓器的初級圈和次級圈的電壓比和圈數(shù)比之間成正比。變壓器最重要且最有用的特性，就是提供初級和次級之間電器上的隔離。本研究的返馳式轉(zhuǎn)換器在磁路上有空氣間隙存在，磁滯迴路曲線上就會有傾斜現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，高磁化力的情況下，可以減少鐵心飽和的可能性。大多數(shù)的磁性材料，都能用來設計高頻的功率變壓器，陶鐵磁材料，目前幾乎都使用它來作轉(zhuǎn)換器的設計。陶鐵磁沒有很高的操作磁通密度，大多數(shù)陶鐵磁的Bsat值由3000G至5000G。不過，它可以提供在高頻下低的鐵心損失，良好的繞組耦合和組合的方便。5/27/202519南臺科技大學電力電子實驗室選擇適當?shù)蔫F心有二個以上的設計參數(shù)，是非常重要的，其中之一是鐵心的繞組面積或是捲線軸的繞組面積。此值必須選得足夠大，才能承載適當?shù)睦@線尺寸，而將繞組損失減至最小值。另外一個就是鐵心的功率容許值。鐵心的幾何形狀用於特定的應用，全視功率的需求而定，其中以E－E、E－I、E－C和Pot型式的鐵心是最受歡迎的形狀。返馳式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點和缺點，優(yōu)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(Choker)，可作為能量儲存之用。缺點在變壓器和輸出元件中，所流經(jīng)之電流，則具有高漣波電流，所以效率會被減低。由於這種限制，一般返馳式轉(zhuǎn)換器，都設計在150W以下。5/27/202520南臺科技大學電力電子實驗室轉(zhuǎn)換器電源穩(wěn)定器的轉(zhuǎn)換頻率，有逐漸增高的趨勢，通常由50KHz增至100KHz。近年來甚至MHz等級的轉(zhuǎn)換頻率電源，也已型製作，一但轉(zhuǎn)換頻率升高接近100KHz之後，它電壓器所能獲取的輸出，約和同一尺吋的頻率比的平方根倍數(shù)相當，它的扼流圈的電感值和頻率成反比而下降。5/27/202521南臺科技大學電力電子實驗室參考文獻【1】鄭振東，轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器設計要訣，建興出版社，民國86年?！?】江炫樟，電力電子學，全華圖書出版社，民國87年?！?】鄭培璿，電力電子分析與模擬，全華圖書出版社，民國91年。【4】B.K.Bose,“PowerElectronics－ATechnologyreview,”ProceedingsoftheIEEE,Vol.80,No.8,August1992,pp.1303-1334.【5】E.Ohno,“TheSemiconduct6orEvolutioninJapan－AFourDecadeLongMaturityThrivingtoanIndispensableSocialStanding,”ProceedingsoftheInternationalPowerElectronicsConference（Tokyo）,1990,vol.1,pp.1-10.【6】M.Nishihara,“PowerElectronicsDiversity,”ProceedingsoftheInternationalPowerElectronicsConference,Tokyo,1990,vol.1,pp.21-28.【7】R.SittigandP.Roggwiller（eds.）,SemiconductorDevicesforPowerConditioning,Plenum,NewYork,1982.【8】M.S.Adler,S.W.Westbrook,andA.J.Yerman,“PowerSemiconductorDevices-AnAssessment,”IEEEIndustryApplicationsSocietyConferenceRecord,1980,pp.723-728.【9】B.JayantBaliga,ModernPowerDevices,JohnWiley&Sons,Inc,NewYork.1987.【10】User'sGuidetoMOSControlledThyristers,HarrisSemiconductor,1993.【11】P.M.Camp,“InputCurrentAnalysisofMotorDriveswithRectifierConverters,”IEEE-IASConferenceRecord,1985,pp.672-6755/27/202522南臺科技大學電力電子實驗室【12】W.F.Ray,R.M.DavisandI.D.Weatherhog,“TheThree-PhaseBridgeRectifierwithaCapacitiveLoad,”IEEConferencePublicationNo.291,1988,pp.153-156.【13】R.Gretsch,“HarmonicDistortionoftheMainsVoltagebySwitched-ModePowerSupplies-AssessmentoftheFurtherDevelopmentandPossibleMitigationMeasures,EuropeanPowerElectronicsConference（EPE）.Aachen,pp.1255-1260.【14】R.P.SevernsandG.E.Bloom,ModernDC－to－DCSwitchModePowerConverterCircuits,VanNostrandReinholdCompany,NewYork,1985.【15】G.Chryssis,HighFrequencySwitchingPowerSupplies：TheoryandDesignMcGraw-Hill,NewYork,1984.【16】R.E.Tarter,PrinciplesofSolid－StatePowerConversion,H.W.SamsandCo.,Indianapolis,In,1985.【17】R.D.MiddlebrookandS.C'uk,AdvancesinSwitched－ModePowerConversion