南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室

返馳式開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器之研究

南臺(tái)科技大學(xué)電機(jī)工程系5/1/20231南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室大綱?摘要?研究動(dòng)機(jī)及目的?轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器廣泛應(yīng)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(jì)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(xiàn)5/1/20232南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室摘要

本文提出以不連續(xù)電流模式，進(jìn)行返馳式轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電路之研製。電路本身不需要作電氣隔離，設(shè)計(jì)上使用變壓器作電氣隔離與電壓準(zhǔn)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(dá)到能量轉(zhuǎn)換的目的，設(shè)計(jì)整個(gè)電路的重點(diǎn)是磁能的儲(chǔ)存與釋放。本文返馳式轉(zhuǎn)換器的電路，傳遞能量機(jī)制是耦合電感，不是真正的變壓器，鐵芯需要有適當(dāng)?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(chǔ)存與釋放。5/1/20233南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室研究動(dòng)機(jī)及目的電力電子技術(shù)結(jié)合功率半導(dǎo)體元件之開(kāi)關(guān)控制，拓蹼結(jié)構(gòu)之設(shè)計(jì)與系統(tǒng)控制學(xué)科，其目的是要利用功率半導(dǎo)體元件對(duì)電源來(lái)加以轉(zhuǎn)換與控制，以達(dá)到各種負(fù)載的需求。電力電子主要研究領(lǐng)域有結(jié)合功率半導(dǎo)體元件、率級(jí)的電路、傳動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)機(jī)械、防制電磁干擾的技術(shù)、積體電路設(shè)計(jì)、控制理論、應(yīng)用微處理器、類(lèi)比與數(shù)位電子和電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)等等，知識(shí)應(yīng)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(shè)備。電力轉(zhuǎn)換器，就由功率半導(dǎo)體元件所結(jié)合，就在固定之控制模式裡決定功率開(kāi)關(guān)之導(dǎo)通與截止的時(shí)間，使得負(fù)載可以穩(wěn)定的操作。5/1/20234南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器廣泛應(yīng)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(diǎn)，而且節(jié)省能源符合時(shí)代的需求。所以，廣泛應(yīng)用在各種不同電子機(jī)器上。而且能與廣闊範(fàn)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(diǎn)。轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器都會(huì)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(diǎn)都可以利用濾波器（filter）和屏蔽（shield）及電路設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，來(lái)加以改善。由於漣波（ripple）和雜訊（noise）皆對(duì)轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器的穩(wěn)定度有不良影響，在設(shè)計(jì)技巧上需適當(dāng)，才能防止這種不良影響，來(lái)保持比較高的穩(wěn)定度。5/1/20235南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室探討電感之性質(zhì)：（1）當(dāng)電感上有電流I流通時(shí)，可儲(chǔ)存能量是E＝（LI2）/2，如圖2－1（2）開(kāi)關(guān)S打開(kāi)的瞬間，電流不是立即截?cái)?，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(kāi)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(chǔ)存的能量是LI2/25/1/20236南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室

（2）開(kāi)關(guān)S打開(kāi)的瞬間，電流不是立即截?cái)?，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(kāi)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?yàn)闊o(wú)法使能量在瞬間產(chǎn)生變化，所以無(wú)法使電流I在瞬間遮斷，或者改變它流通方向。

5/1/20237南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室（3）當(dāng)初級(jí)繞組有電流Ip流通時(shí)，開(kāi)關(guān)S打開(kāi)，次級(jí)繞組上就有同一安匝的電流流通，如圖2-3。如此，次級(jí)繞組上流通電流是Is＝Ip×Np/Ns依照時(shí)間常數(shù)，Ls/R發(fā)生衰減，能量在電阻處變成熱能放出。5/1/20238南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室圖2－3有次級(jí)電路的電感時(shí)，利用初級(jí)電路遮斷，相同的安匝（ampereturns），可以保持和次級(jí)電路上流通的電流相同磁場(chǎng)。5/1/20239南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室（4）當(dāng)電感端子電壓是V時(shí)，電感的電流變化率是V/L圖2－4電感的端子電壓是V時(shí)，電感L上所流通的電流變化率就是V/L5/1/202310南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)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(lái)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(lái)表示。返馳式轉(zhuǎn)換器，它輸入和輸出之間，並沒(méi)有安全的隔離裝置。通常轉(zhuǎn)換式電源供應(yīng)器裡，常用的隔離元件是變壓器（Transformer）。也就是說(shuō)，在電路圖中出現(xiàn)的是變壓形式，但是它的動(dòng)作狀態(tài)卻是扼流圈（Choke）形式，所以就直稱(chēng)它是變壓器扼流圈（TransformerChoke）。5/1/202311南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室圖2-10返馳式轉(zhuǎn)換器5/1/202312南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室圖2-11返馳式轉(zhuǎn)換器的電路模式：（a）開(kāi)關(guān)導(dǎo)通（b）開(kāi)關(guān)截止5/1/202313南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室變壓器模型及參數(shù)計(jì)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(lái)做轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)變壓器—扼流圈時(shí)不可設(shè)計(jì)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(fù)載電流所決定ue：鐵心材料的相對(duì)導(dǎo)磁率(permeability)Bmax：鐵心的最大磁通密度我們?cè)谶x擇相對(duì)導(dǎo)磁率時(shí)，必須選擇足夠大，以避免鐵心會(huì)有溫度升高的情形發(fā)生，由於對(duì)鐵心與繞線尺寸大小的限制，因此會(huì)產(chǎn)生銅損失與鐵心損失(copperandcorelosses)。5/1/202314南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室在返馳式轉(zhuǎn)換器中，對(duì)變壓器—扼流圈來(lái)說(shuō)有二種可能的操作模式：(1)整個(gè)能量轉(zhuǎn)移，在電晶體開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換至ON狀態(tài)時(shí)，所有儲(chǔ)存在電感器—變壓器的能量會(huì)轉(zhuǎn)換至次級(jí)圈。(2)不完全的能量轉(zhuǎn)移，在電晶體開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換至ON狀態(tài)前，並非所有儲(chǔ)存在電感器—變壓器的能量會(huì)轉(zhuǎn)移至次級(jí)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(gè)能量轉(zhuǎn)移的關(guān)係5/1/202315南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室在轉(zhuǎn)換電晶體的on期間裏，整個(gè)能量轉(zhuǎn)移波形中具有較高的峰值集極電流，也就是因?yàn)橄鄬?duì)地低的初級(jí)電感值，而使此電流值升高，所需付出代價(jià)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(jià)是當(dāng)電晶體開(kāi)關(guān)於on狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的集極電流值，因此導(dǎo)致電晶體高功率的消耗，然而為了達(dá)成此模式的操作，相對(duì)地就需要較高的變壓器—扼流圈初級(jí)電感值。再變壓器鐵心中所儲(chǔ)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(huì)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。

5/1/202316南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)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5/1/202317南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)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(yīng)用在電路時(shí)，使IC1的輸出，功率MOSFETQ1開(kāi)始Turnon。在Q1的及時(shí)期間，能量存儲(chǔ)在變壓器T的空氣隙裡。這個(gè)時(shí)候輸出線圈的極性，和輸出整流器相反的，不轉(zhuǎn)移和沒(méi)有任何能量的輸出。由一個(gè)R10，電阻檢測(cè)了首要的電流，在IC1裡面與一個(gè)固定的1伏特參考比較。當(dāng)?shù)竭_(dá)這個(gè)位準(zhǔn)時(shí)，Q1開(kāi)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(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移到輸出電容器。這個(gè)存儲(chǔ)和釋放的動(dòng)作許多週期，來(lái)輸出電壓。從輸出＋5V接迴受電壓對(duì)誤差放大器透過(guò)電壓分發(fā)器，供給電壓和IC1(腳2)與一個(gè)2.5v內(nèi)部參考電壓作比較，來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。5/1/202318南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)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(jí)圈和次級(jí)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(jí)和次級(jí)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(huì)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(lái)設(shè)計(jì)高頻的功率變壓器，陶鐵磁材料，目前幾乎都使用它來(lái)作轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。陶鐵磁沒(méi)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(guò)，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南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室選擇適當(dāng)?shù)蔫F心有二個(gè)以上的設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)睦@線尺寸，而將繞組損失減至最小值。另外一個(gè)就是鐵心的功率容許值。鐵心的幾何形狀用於特定的應(yīng)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(diǎn)和缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)最主要是比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，這是因?yàn)樽儔浩鞅旧砭褪且粋€(gè)扼流圈(Choker)，可作為能量?jī)?chǔ)存之用。缺點(diǎn)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(huì)被減低。由於這種限制，一般返馳式轉(zhuǎn)換器，都設(shè)計(jì)在150W以下。5/1/202320南臺(tái)科技大學(xué)電力電子實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換器場(chǎng)電源穩(wěn)華定器的茄轉(zhuǎn)換頻等率，有垮逐漸增菌高的趨密勢(shì)，通墊常由5伯0KH姐z增隨至10鄭0KH冊(cè)z。近籠年來(lái)甚受至MH賢z等榮級(jí)的轉(zhuǎn)鞏換頻率細(xì)電源，臉也已型療製作，澤一但轉(zhuǎn)葡換頻率拾升高接墳近10修0KH妖z之鵲後，它霞電壓器哪所能獲陸取的輸諸出，約翅和同一睬尺吋的飯頻率比紫的平方退根倍數(shù)名相當(dāng)，雖它的扼猛流圈的薪電感值字和頻率雕成反比屢而下降沙。4/25賊/202墊321南臺(tái)科心技大學(xué)候電力電汽子實(shí)驗(yàn)司室參考文獻(xiàn)【1】鄭成振東，轉(zhuǎn)端換式電源大穩(wěn)定器設(shè)羽計(jì)要訣，池建興出版驗(yàn)社，民國(guó)續(xù)86年壺?！?】見(jiàn)江炫樟錦，電力扁電子學(xué)仿，全華悲圖書(shū)出損版社，讓民國(guó)8油7年斤?！?】鄭硬培璿，電該力電子分揪析與模擬丘，全華圖挺書(shū)出版社險(xiǎn)，民國(guó)9別1年?！?贊】B芹.K醉.B劇ose享,“悄Po尚wer堅(jiān)El寨ect牌ron販ics療－搶AT殊ech茂nol證ogy晝r(jià)e露vie泡w,肌”P(pán)ro后cee首din幕gs網(wǎng)of拼the死IE據(jù)EE,Vo劈燕l(xiāng).8繩0,N齡o.8沿,Au稈gust供199例2,p材p.13屠03-1里334.【5】共E.得Ohn聲o,臟“T旅he熄Sem箏ico辱ndu屋ct6撒or及Evo沿lut判ion抓in高Ja只pan洪－A傘Fou帝rD火eca任de獅Lon蘭gM座atu捎rit害yT負(fù)hri奴vin豎gt濾oa液nI有ndi蒼spe削nsa除ble辜So舒cia弟lS漁tan渴din呼g,”P(pán)ro笨cee頸din麥gs淋of斗the華In鄉(xiāng)豐ter各nat璃ion擋al兔Pow后er雕Ele亞ctr董oni倘cs吊Con叉fer饑enc怒e（Toky聲o）,倦199截0,車(chē)vol瓜.1柄,p澆p.高1-1段0.【6】M碧.Ni冒shih釋ara,患“P映ower憲Ele集ctro扶nics遼Div升ersi是ty,”P(pán)roc鴉eedi治ngs征oft鍬heI且nter膨nati報(bào)onal喉Pow常erE歌lect為roni戴csC妻onfe腿renc州e,Toky河o,1泊990,扣vol衫.1,戲pp.劑21-視28.【7】R死.Si惹ttig潛and規(guī)P.品Rogg良will框er（家eds.違）,Semi劣cond蹤蝶ucto躍rDe或vice危sfo險(xiǎn)rPo扇wer瓜Cond臣itio妖ning半,Plen常um,蠅New茅York印,19誕82.【8】育M.勢(shì)S.由Adl狡er,園S.謠W.型We酬stb子roo飲k,興and隔A.腥J.項(xiàng)Ye日rma佩n,園“Po寄wer哥Se撓mic雁ond群uct瞞or孕Dev侵ice告s-A弊nA凡sse壇ssm傷ent孩,”粘IE絹EE晃Ind文ust菠ry戴App彈lic煙ati曠ons程So賤cie層ty偷Con爭(zhēng)fer擾enc座eR禁eco經(jīng)rd挑,1瓦980販,慶pp.開(kāi)72亦3-7脅28.【9】監(jiān)B.J挺ayan脂tBa篇liga衡,Mode惱rnP結(jié)ower塌Dev見(jiàn)ices暴,Joh滋nW每ile古y&艷So郊ns,予In拐c,插New睜Yo度rk.度19離87.【1您0】灑Use煎r's災(zāi)Gu皂ide結(jié)to乒MO氣SC藝ont非rol攔led洞Th挽yri壓ste緩rs,公Ha束rri余sS夠emi衰con路duc并tor漠,19緞93.【11紫】P.便M.待Ca凳mp,看“I祖npu搖tC日urr緣瑞ent芒An擦aly最sis糟of稿Mo鬼tor潮Dr呀ive漂sw輩ith竊Re逼cti絞fie廢rC占o(jì)nv終ert蛋ers緞,”IEEE簽-IAS賀Con縫fere眠nce級(jí)Reco首rd,1985宗,pp即.67掃2-67短54/2叛5/2公02322南臺(tái)科技斬大學(xué)電力釋電子實(shí)驗(yàn)栗室【12】乓W.F百.Ra削y,R俱.M.農(nóng)Dav托isa捉ndI則.D.邊Wea依ther厭hog,寇“Th腳eTh洲r(nóng)ee-筆Phas豎eBr紙idge財(cái)Rec暈tifi切erw辛ith板aCa蓬paci新tive桐Loa熄d,”口IEE融Con還fere呢nce高Publ暮icat敗ion大No.螺291,絨198謊8,p糞p.1令53-1廚56.【13類(lèi)】R.裹Gr丘ets郵ch,詢“H廟arm她oni技cD敞ist過(guò)ort批ion騎of振th桌eM窯ain果sV瞎olt欄age羞by海Sw坦itc臥hed纏-Mo貿(mào)de資Pow庫(kù)er慨Sup旁pli柳es-廁Ass冤ess拆men淹to延ft建he代Fur概the毯rD雜eve野l(fā)op蒸men教ta磚nd能Pos付sib揀le鄰Mit疾iga艘tio俱nM優(yōu)eas摘ure佛s,斯Eur般ope錘an映Pow渠er壺Ele外ctr濤oni仆cs裂Con晨fer皂enc炒e（唇EPE禁）.康A(chǔ)ac古hen騰,p冷p.委125撥5-1肺260理.【14短】R.鵲P.喬Se釋ver北ns侍and弟G.但E.沿Blo宇om,Mod串ern攀DC－to－DC豬Swi稈tch孔Mo閃de成Pow頑er穩(wěn)Con吳ver賺ter膏Ci學(xué)rcu辛its交,V呈an技Nos籌tra掃nd磚Rei欺nho球ld更Com漁pan那y,Ne繁wYo湯rk,燃1985鹿.【15】潛G.C接hrys罷sis,High扣Fre仰quen筍cyS末witc招hing拋Pow史erS趣uppl機(jī)ies：Theo砌rya宗ndD始esig蜘nMcGr與aw-H哄ill,泉New漏Yor管k,1筍984.【16】高R.E卷.Ta典rter拖,Pri前nci堡ple予so啊fS齒oli槳d－Sta逗te轎Pow插e(cuò)r里Con盲ver恒sio憐n,H.炭W.沿Sams加and煌Co.慕,In鎮(zhèn)dian坊apol繞is,點(diǎn)In,氧1985蝦.【17欠】R.添D.罪Mi轟ddl敘ebr衫ook粥an箏dS爸.C吉'uk擦,Adva際nces貫in朗Swit村ched－Mode指Pow畫(huà)erC拖onve節(jié)rsio捎n,V巾ols妙.I括an疾dI少I(mǎi),竿TES跑LAc賀o,燥Pas籃ade泥na,彩CA固,1午981油.【18】井K.K小itS氣um,Swit帖chM發(fā)ode疑Powe瓦rCo玩nver倦sion－Bas蔬ic寧The搭ory災(zāi)an收dD枝esi阻gn,Ma霧rcel蝴Dek印ker,帖New牛Yor去kan陽(yáng)dBa岸sel,郵198虎4.【19】東H.C澤.Ma趴rtin爺,“遍Mini耗citu鉗reP敲ower陳Sup黎ply蝦Topo匙logy寇for囑Low諒Vol晌tage唇Low凍Req帽uire樣mant猶s”U厘.S.鈔Pate歷nt4底,618趨,919所,198獎(jiǎng)6.4/2銳5/2俊02323南臺(tái)科技咱大學(xué)電力糠電子實(shí)驗(yàn)憲室【20狼】B.盒Bra茄us