其它型式之直流电源转换器电路课件

1、 其它型式之直流電源轉換器電路 交換式電源供給器之理論與實務設計 梁適安 編著 交換式電源供給器報告 第四章1 交換式電源供給器報告 振玲扼流圈轉換器之應用 CUK轉換器之基本工作原理 前言2 交換式電源供給器報告振玲扼流圈轉換器之應用 大都應用於較小功率輸出，及價格成本較低之電源供應器上電路架構簡單，被廣泛的應用於10w至50w之輸出電路 此種架構振盪頻率會隨輸入電壓或負載之不同而改變，因此 也稱為Free Running Blocking Oscillator ConveterRCC基本電路3 交換式電源供給器報告(續)圖4-2 RCC電路各點之電壓波形4 交換式電源供給器報告圖4-3 R

2、CC電路各點之電流波形(續)5 交換式電源供給器報告振玲扼流圈轉換器之基本工作原理Vin輸入電壓提供至RCC電路時，R1上會有電流產生，並流經Q1 之基極，使得Q1導通成為飽和狀態2.由於Q1導通，此時在初級側N1繞組上會有電流通過，此電流則為註： 為電晶體之最大導通時間 為變壓器繞組之電感值 (4-1)6 交換式電源供給器報告2.(續) 在此同時，變壓器N3 繞組上亦會有磁通建立，所以N3 繞組上會有 電壓Vb產生，使得R2上有電流產生，並流經Q1基極，繼續使得Q1 在導通狀態。二次側N2繞組上之電壓因對二極體D1而言為逆向偏壓，故N2繞組 不會有電流過。因此，流過一次側N1 繞組之電流就會

3、成為變壓器 之激磁電流，此時能量就會儲存在變壓器中。 (4-2)7 交換式電源供給器報告(續)4.由(4.1)式可得知，流經電晶體之電流Ic 將隨時間成比例 增大， 可是當電晶體之基極電流成為不能使電晶體達到飽 和狀態時，也就是Ib Ic 之情況下，轉換電晶體就會 脫離飽和狀態，此時電晶體之Vce 電壓就會增大，而流經 N1繞組之電流就會下降，而在N3繞組之Vb電壓亦會成負值 ，如此Vce之電壓更驅增加，使得轉換器電晶體更如此Vce 之電壓更驅增加，使得轉換器電晶體更快速達到關閉之狀 態。 8 交換式電源供給器報告5.由於極性反轉之關係，在N2繞組之電壓會將D1二極體導通，因此，原來儲存在變壓

4、器之能量就會經由 N2，D1，C1 傳遞至負載輸 出端。 6.若輸出電壓為Vout，二極體D1之順向電壓降為Vd1，則跨於N2繞組之電壓Vn2為： (4-3)若N2繞組之電感量為Ls，則流經此繞組或二極體D1之電流則為： (4-4)9 交換式電源供給器報告 6.(續) 或是 (4-5) 由於變壓器會將所儲存之能量全部移至輸出負載，因此，流經二極體D1之電流就會漸便為零，如此使得二極體D1變成在截止狀態。而此時在各組之上電壓則為零，不過轉換開關Q1則會因為起動電阻R1之作用而開始導通，如此又再度回到原來剛開始之狀態，而這些 ON，OFF 之反覆動作，將會始電路持續振盪，達到Free runnin

5、g之結果。7.10 交換式電源供給器報告(續)此電路之振當頻率fs會隨著輸入電壓以及負載之大小而改變，一般其關係式如下: (4-6)11 交換式電源供給器報告(續)若輸出電壓為Vout，輸出電流為Iout，則輸出功率可以表示如下式： 假設，輸入功率Pin與輸出功率Pout相等，則 由上式可得知下式： (4-) (4-)12 交換式電源供給器報告(續)由(4-8)式亦可得出初級側繞組之電感量Lp為 (4-9)圖4-1之RCC電路中各點之電壓波形與電流波形，如圖4-2與4-3所示13 交換式電源供給器報告(續)由(4-8)式亦可得出初級側繞組之電感量Lp為 (4-9)圖4-1之RCC電路中各點之電

6、壓波形與電流波形，如圖4-2與4-3所示14 交換式電源供給器報告 CUK 轉換器之基本工作原理 1.由第二章中之三種轉換器結構的分析與討論，並由其電流波形圖 則可獲知這些轉換器主要缺點就是在輸入端或輸出端會有脈動電 流的形式產生。 2.而此不連續的電流乃是造成高壓漣波的主要原因，甚至於會導致 嚴重的傳導與輻射之電磁干擾EMI問題。 3.而此三種基本直流轉換器的輸出電壓乃是由控制交換元件的導通 時間或工作週期D來決定。15 交換式電源供給器報告(續)為了克服改進這些轉換器的缺點,在此會討論分析新型式無漣波的CUK轉換器在圖4-4為新型式無漣波輸出的CUK轉換電路架構及輸入與輸出電流波形圖4-4

7、 基本的CUK轉換電路16 交換式電源供給器報告(續)1.由圖4-4可得知皆為連續的電流，而非脈動的電流形式。2.此種轉換器則可推演出各種型式的CUK轉換器電路，如圖4-5 所示就是無隔離(nonisolated)型式的CUK轉換器，而圖4-6所 示為具有隔離(isolated)型式的CUK轉換電器。17 交換式電源供給器報告基本的CUK轉換電路之操作原理說明（一）1.由圖4-4可得知，功率開關MOSFET Q1在此當為交換原件使 用，會在飽和與截止的區域操作。2.電容器C1當作為輸入端與輸出端之間的能量轉移元件。3.當功率開關Q1在關閉(OFF)狀態時，二極體D1就會在導通狀態(DTs期間)

8、， 此時輸入電流會經電感Lp 在正的方向將電容器C1充電。4.電感器Lo1的能量會轉移至輸出端，如此可使得輸出電流Lo1為 非脈動電流。18 交換式電源供給器報告基本的CUK轉換電路之操作原理說明（二）1.當開關Q1導通時，D1就會在關閉的狀態(在DTs期間)，此時 C1 的正端點就會接到地電位，也就是說C1 會經由負載RL1與 LO1放電，因此C2端的電壓會變為負的輸電壓。 2.由於此種轉換器結合了buck-boots 的特性，而且能量轉移為 電容性， 因此理論上只要將變壓器與電感器設計適當，則可 得知CUK 轉換器的輸入與輸出電流幾乎近於純直流特性，此 時交換漣波則予以忽略。19 交換式電

9、源供給器報告圖4-5 無隔離式的CUK轉換器(續)20 交換式電源供給器報告圖4-6 隔離式的CUK轉換器+21 交換式電源供給器報告(續)3.由(4-5) 與(4-6) 圖可以看出，如果將輸入電感Lp與輸出電感 Lo1 耦合在相同的鐵心上時，在負載端幾乎可以達到無漣波的 輸出電流。4.由於這二個耦合電感器構成了一個變壓器，因此，每一繞組的有效電感值，經由交互的感應能量轉移，其值會被改變。5.同樣的，如果同時將變壓器，輸入電感Lp與輸出電感 Lo1都耦合在相同的鐵心上時， 則輸入端與輸出端亦可同時達到無漣波 的電流。22 交換式電源供給器報告無隔離型式CUK 轉換器的穩態分析1.假設在圖4-4

10、中基本無隔離型式的CUK 轉換器電路是操作在穩定 狀態 (Steady State)，此時將對其做簡單的穩態分析。 而轉換器的導通週期(DTs)與關閉週期(DTs)之等效電路，則表示於圖4-7 中。2.因此，在DTs週期裡，功率開關Q1會在導通狀態，且二極體D1則在 關閉狀態。由圖4-7可得二個方程式為：23 交換式電源供給器報告圖4-7 無隔離式CUK轉換器之等效電路(續)24 交換式電源供給器報告(續)由圖4-7(c)則可得到二個方程式為:為了達到電感器的伏特一秒之平衡(Volt-Second blance)，則25 交換式電源供給器報告(續)因此，將以上所得到方程式，經由代數運算後，則可

11、推演出以下之結果：26 交換式電源供給器報告(續)而且若假設在電路中，功率的轉換沒有任何的損失，亦可得到電流關係式：輸入電感器 Lp 與輸出電感器 Lo1之電壓與電流波形,則示於圖4-8與4-9中。而圖4-10為能量轉移電容器C1之電壓與電流波形。27 交換式電源供給器報告圖4-8 輸入電感器的電壓與電流波形圖4-9 輸出電感器的電壓與電流波形(續)28 交換式電源供給器報告圖4-10 能量轉移電容器C1之電壓與電流波形(續)29 交換式電源供給器報告隔離型式CUK 轉換器的穩態分析1.在圖4-11電路中使用了變壓器來達到隔離之效果，同時由其圈數比 之設定，亦可獲致所期望的輸出電壓。2.操作原

12、理與無隔離型式的CUK轉換器類似，因此圖4-11(C)所示的 等效電路乃是在DTS之週期裡，此時功率開關Q1處於關閉狀態。3.輸入電流會將原先儲存於輸入電感器Lp的能量，流經電容器Cp與變 壓器的初級圈。30 交換式電源供給器報告(續)圖4-11 隔離式CUK轉換器之等效電路31 交換式電源供給器報告(續)4. 此變壓器的次級與初級的圈數比為a，則此會有1/a 倍的電流 感應至變壓器次極端，而電流則會流經導通的二極體並將電容 器C1充電。 (此期間輸出電感會將所儲存的能量釋放至負載)5.在DTs 期間電容器Cp (與C1)已被充電至正電壓，此時則會經 由MOSFET與變壓器初級圈放電，並轉移所

13、儲存的能量至輸出 電路。32 交換式電源供給器報告(續)6.MOSFET 在導通狀態時，會使得電容器Cp的正端接地，而 在瞬時電容器上的電壓降則必須保持相同，如此使得變壓器 初級圈的電壓降被拉至負的準位。隔離式的CUK轉換器做簡單的穩態分析，首先由圖4-11(b)導通週期的等效電路，即可得到三個電壓方程式。33 交換式電源供給器報告(續)在圖4-11(c)關閉週期的等效電路中，亦可得到以下三個電壓方程式為:為了達到輸入電感器，輸入電感器與變壓器的伏特一秒平衡(Volt- second balance)，則須34 交換式電源供給器報告(續)將上頁所得到的方程式，經由代數運算後，則可獲致下列之結果

14、35 交換式電源供給器報告(續)且：由上式推導的結果可得知，當圈數比a固定時，只要控制轉換器交換頻率的工作週期D，即可改變輸出電壓之大小同樣地如果假設在隔離型式CUK轉換器的電路中，功率的轉換沒有任何損失，則亦可得到電流關係式：36 交換式電源供給器報告輸入電感器的電壓與電流波形輸出電感器的電壓與電流波形37 交換式電源供給器報告變壓器初級圈Np與次級圈Ns1的電壓波形能量轉移電容器Cp之電壓與電流波形38 交換式電源供給器報告能量轉移電容器C1之電壓與電流形(續)39 交換式電源供給器報告耦合電感器的分析1.在圖4-17為CUK轉換器的耦合電感器。由於將電感器Lp與Lo1都繞在同一鐵心上，如此不僅可以耦合增加電感值，減少銅損失與鐵心損失。圖4-17 輸入與輸出的耦合電感器40 交換式電源供給器報告2.可以減少整個轉換器的尺寸大小，重量與元件數目，同時可達到零漣波的境界。3.耦合電感器的作用並不會影響基本的直流特性，而對整個CUK 直流轉換器來說來可以達到提高效率的目的。(續)41 交換式電源供給器報告(續)由圖4-17可推出耦合