南台科技大学电力电子实验室

2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P1返馳式開關調節器之研究南台科技大學電機工程系2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P2大綱•摘要•研究動機及目的•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•變壓器模型及參數計算•轉換式電源穩定器電路之結構•結論•參考文獻2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P3摘要本文提出以不連續電流模式，進行返馳式轉換器開關調節電路之研製。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整。返馳式轉換器的電路架構，是具有隔離特性的昇降壓型轉換器，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，鐵芯需要有適當的氣隙存在，防止飽和和平衡直流成分。關鍵字：不連續電流，電氣隔離，儲存與釋放。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P4研究動機及目的電力電子技術結合功率半導體元件之開關控制，拓蹼結構之設計與系統控制學科，其目的是要利用功率半導體元件對電源來加以轉換與控制，以達到各種負載的需求。電力電子主要研究領域有結合功率半導體元件、率級的電路、傳動系統與電機機械、防制電磁干擾的技術、積體電路設計、控制理論、應用微處理器、類比與數位電子和電腦輔助設計技術等等，知識應用之綜合科技。各種電力轉換器，形成之功率電路，所組成電力電子設備。電力轉換器，就由功率半導體元件所結合，就在固定之控制模式裡決定功率開關之導通與截止的時間，使得負載可以穩定的操作。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P5轉換式電源穩定器廣泛應用之原因轉換式電源穩定器體積小，重量輕，效率高的特點，而且節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，方便在輸入電壓不同地區使用之特點。轉換式電源穩定器都會產生雜訊，如整流二極體（rectifying）、轉換電晶體（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，來保持比較高的穩定度。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P6探討電感之性質：（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，並且產生電壓，和V在同一方向重疊。結果，在開關S的端子上加入高壓，產生電弧。這能量消耗在電弧和電阻R上。如圖2-2圖2－1電感內所能儲存的能量是LI2/22019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P7（2）開關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，並且產生電壓，和V在同一方向重疊。結果，在開關S的端子上加入高壓，產生電弧。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。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P8（3）當初級繞組有電流Ip流通時，開關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，Ls/R發生衰減，能量在電阻處變成熱能放出。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P9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。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P10（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/L2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P11反馳式轉換器電源穩定器返馳式轉換器由圖2-10（a）所表示的，升降壓式轉換器衍生來的如圖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。返馳式轉換器，它輸入和輸出之間，並沒有安全的隔離裝置。通常轉換式電源供應器裡，常用的隔離元件是變壓器（Transformer）。也就是說，在電路圖中出現的是變壓形式，但是它的動作狀態卻是扼流圈（Choke）形式，所以就直稱它是變壓器扼流圈（TransformerChoke）。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P12圖2-10返馳式轉換器2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P13圖2-11返馳式轉換器的電路模式：（a）開關導通（b）開關截止2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P14變壓器模型及參數計算返馳式轉換器變壓器—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，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生，由於對鐵心與繞線尺寸大小的限制，因此會產生銅損失與鐵心損失(copperandcorelosses)。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P15在返馳式轉換器中，對變壓器—扼流圈來說有二種可能的操作模式：(1)整個能量轉移，在電晶體開關轉換至ON狀態時，所有儲存在電感器—變壓器的能量會轉換至次級圈。(2)不完全的能量轉移，在電晶體開關轉換至ON狀態前，並非所有儲存在電感器—變壓器的能量會轉移至次級圈，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-扼流圈整全能量轉移的關係個能量轉移的關係2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P16在轉換電晶體的on期間裏，整個能量轉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，不完全的能量轉移模式中，所呈現的是較低峰值轉換電晶體集極電流，而所付出的代價是當電晶體開關於on狀態時，會產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移變壓器—扼流圈的體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。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P17轉換式電源穩定器電路之結構4.1主要電路圖圖4.1主要電路圖2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P18在圖4.1電路裡輸入線電壓110Vac經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。當到達這個位準時，Q1開始Turnoff，並且所有變壓器線圈的極性倒轉，輸出整流器提前偏壓，把存儲的能量轉移到輸出電容器。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器，供給電壓和IC1(腳2)與一個2.5v內部參考電壓作比較，來穩定輸出電壓。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P19結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象產生。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換器的設計。陶鐵磁沒有很高的操作磁通密度，大多數陶鐵磁的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。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P20選擇適當的鐵心有二個以上的設計參數，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，才能承載適當的繞線尺寸，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(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，一般返馳式轉換器，都設計在150W以下。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P21轉換器電源穩定器的轉換頻率，有逐漸增高的趨勢，通常由50KHz增至100KHz。近年來甚至MHz等級的轉換頻率電源，也已型製作，一但轉換頻率升高接近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相當，它的扼流圈的電感值和頻率成反比而下降。2019/8/5南台科技大學電力電子實驗室P22參考文獻【1】鄭振東，轉換式電源穩定器設計要訣，建興出版社，民國86年。【2】江炫樟，電力電子學，全華圖書出版社，民國87年。【3】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,“InputCurrentAnalysisofMoto