南台科技大学电力电子实验室

返馳式開關調節器之研究

南台科技大學電機工程系5/1/20231南台科技大學電力電子實驗室大綱•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5/1/20232南台科技大學電力電子實驗室摘要

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。5/1/20233南台科技大學電力電子實驗室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。5/1/20234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。5/1/20235南台科技大學電力電子實驗室探討電感之性質：（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LI2/25/1/20236南台科技大學電力電子實驗室

（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。

5/1/20237南台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。5/1/20238南台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。5/1/20239南台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/L5/1/202310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）。5/1/202311南台科技大學電力電子實驗室圖2-10返馳式轉換器5/1/202312南台科技大學電力電子實驗室圖2-11返馳式轉換器的電路模式：（a）開關導通（b）開關截止5/1/202313南台科技大學電力電子實驗室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)。5/1/202314南台科技大學電力電子實驗室在返馳式轉換器中，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5/1/202315南台科技大學電力電子實驗室在轉換電晶體的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。

5/1/202316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主要電路圖圖4.1主要電路圖5/1/202317南台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。5/1/202318南台科技大學電力電子實驗室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。5/1/202319南台科技大學電力電子實驗室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。5/1/202320南台科技大學電力電子實驗室轉換器场電源穩华定器的茄轉換頻等率，有垮逐漸增菌高的趨密勢，通垫常由5伯0KH姐z增随至10郑0KH册z。近笼年來甚受至MH贤z等荣級的轉巩換頻率细電源，脸也已型疗製作，泽一但轉葡換頻率拾升高接坟近10修0KH妖z之鹊後，它霞電壓器哪所能獲陆取的輸诸出，約翅和同一睬尺吋的饭頻率比紫的平方退根倍數名相當，虽它的扼猛流圈的薪電感值字和頻率雕成反比屡而下降沙。4/25贼/202垫321南台科心技大學候電力電汽子實驗司室參考文獻【1】鄭成振東，轉端換式電源大穩定器設羽計要訣，池建興出版验社，民國续86年壶。【2】见江炫樟锦，電力扁電子學仿，全華悲圖書出损版社，让民國8油7年斤。【3】鄭硬培璿，電该力電子分揪析與模擬丘，全華圖挺書出版社险，民國9别1年。【4赞】B芹.K醉.B剧ose享,“悄Po尚wer坚El寨ect牌ron贩ics疗－抢AT殊ech茂nol证ogy昼re露vie泡w,肌”Pro后cee首din幕gs网of拼the死IE据EE,Vo劈燕l.8绳0,N龄o.8沿,Au秆gust供199例2,p材p.13屠03-1里334.【5】共E.得Ohn声o,脏“T旅he熄Sem筝ico辱ndu屋ct6撒or及Evo沿lut判ion抓in高Ja只pan洪－A伞Fou帝rD火eca任de狮Lon兰gM座atu捎rit害yT负hri奴vin竖gt滤oa液nI有ndi苍spe削nsa除ble辜So舒cia弟lS渔tan渴din呼g,”Pro笨cee颈din麦gs淋of斗the华In乡丰ter各nat璃ion挡al兔Pow后er雕Ele亚ctr董oni倘cs吊Con叉fer饥enc怒e（Toky声o）,倦199截0,车vol瓜.1柄,p浇p.高1-1段0.【6】M碧.Ni冒shih释ara,患“P映ower宪Ele集ctro扶nics辽Div升ersi是ty,”Proc鸦eedi治ngs征oft锹heI且nter膨nati报onal喉Pow常erE歌lect为roni戴csC妻onfe腿renc州e,Toky河o,1泊990,扣vol衫.1,戏pp.剂21-视28.【7】R死.Si惹ttig潜and规P.品Rogg良will框er（家eds.违）,Semi劣cond踪蝶ucto跃rDe或vice危sfo险rPo扇wer瓜Cond臣itio妖ning半,Plen常um,蝇New茅York印,19诞82.【8】育M.势S.由Adl狡er,园S.谣W.型We酬stb子roo饮k,兴and隔A.腥J.项Ye日rma佩n,园“Po寄wer哥Se挠mic雁ond群uct瞒or孕Dev侵ice告s-A弊nA凡sse坛ssm伤ent孩,”粘IE绢EE晃Ind文ust菠ry戴App弹lic烟ati旷ons程So贱cie层ty偷Con争fer扰enc座eR禁eco经rd挑,1瓦980贩,庆pp.开72亦3-7胁28.【9】监B.J挺ayan脂tBa篇liga衡,Mode恼rnP结ower塌Dev见ices暴,Joh滋nW每ile古y&艳So郊ns,予In拐c,插New睁Yo度rk.度19离87.【1您0】洒Use煎r's灾Gu皂ide结to乒MO气SC艺ont非rol拦led洞Th挽yri压ste缓rs,公Ha束rri余sS够emi衰con路duc并tor漠,19缎93.【11紫】P.便M.待Ca凳mp,看“I祖npu摇tC日urr缘瑞ent芒An擦aly最sis糟of稿Mo鬼tor潮Dr呀ive漂sw辈ith窃Re逼cti绞fie废rC占onv终ert蛋ers缎,”IEEE签-IAS贺Con缝fere眠nce级Reco首rd,1985宗,pp即.67扫2-67短54/2叛5/2公02322南台科技斩大學電力释電子實驗栗室【12】乓W.F百.Ra削y,R俱.M.农Dav托isa捉ndI则.D.边Wea依ther厌hog,寇“Th脚eTh洲ree-笔Phas竖eBr纸idge财Rec晕tifi切erw辛ith板aCa蓬paci新tive桐Loa熄d,”口IEE融Con还fere呢nce高Publ暮icat败ion大No.螺291,绒198谎8,p粪p.1令53-1厨56.【13类】R.裹Gr丘ets邮ch,询“H庙arm她oni技cD敞ist过ort批ion骑of振th桌eM窑ain果sV瞎olt栏age羞by海Sw坦itc卧hed缠-Mo贸de资Pow库er慨Sup旁pli柳es-厕Ass冤ess拆men淹to延ft建he代Fur概the毯rD杂eve野lop蒸men教ta砖nd能Pos付sib拣le邻Mit疾iga艘tio俱nM优eas摘ure佛s,斯Eur般ope锤an映Pow渠er壶Ele外ctr涛oni仆cs裂Con晨fer皂enc炒e（唇EPE禁）.康Aac古hen腾,p冷p.委125拨5-1肺260理.【14短】R.鹊P.乔Se释ver北ns侍and弟G.但E.沿Blo宇om,Mod串ern攀DC－to－DC猪Swi秆tch孔Mo闪de成Pow顽er稳Con吴ver赚ter膏Ci学rcu辛its交,V呈an技Nos筹tra扫nd砖Rei欺nho球ld更Com渔pan那y,Ne繁wYo汤rk,燃1985鹿.【15】潜G.C接hrys罢sis,High扣Fre仰quen笋cyS末witc招hing抛Pow史erS趣uppl机ies：Theo砌rya宗ndD始esig蜘nMcGr与aw-H哄ill,泉New漏Yor管k,1笋984.【16】高R.E卷.Ta典rter拖,Pri前nci堡ple予so啊fS齿oli桨d－Sta逗te轿Pow插er里Con盲ver恒sio怜n,H.炭W.沿Sams加and煌Co.慕,In镇dian坊apol绕is,点In,氧1985虾.【17欠】R.添D.罪Mi轰ddl叙ebr衫ook粥an筝dS爸.C吉'uk擦,Adva际nces贯in朗Swit村ched－Mode指Pow画erC拖onve节rsio捎n,V巾ols妙.I括an疾dI少I,竿TES跑LAc贺o,燥Pas篮ade泥na,彩CA固,1午981油.【18】井K.K小itS气um,Swit帖chM发ode疑Powe瓦rCo玩nver倦sion－Bas蔬ic宁The搭ory灾an收dD枝esi阻gn,Ma雾rcel蝴Dek印ker,帖New牛Yor去kan阳dBa岸sel,邮198虎4.【19】东H.C泽.Ma趴rtin爷,“遍Mini耗citu钳reP敲ower陈Sup黎ply虾Topo匙logy寇for嘱Low谅Vol晌tage唇Low冻Req帽uire样mant犹s”U厘.S.钞Pate历nt4底,618趋,919所,198奖6.4/2锐5/2俊02323南台科技咱大學電力糠電子實驗宪室【20狼】B.盒Bra茄us