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推挽式電轉換器之製作推挽式電轉換器之製作 張峻維 謝欣哲 指導師：吳文誌 二技電二 A 摘要 本專題我們採用推挽式的架構製作 個直電轉換器。首先我們使用 IsSpice 軟體模擬推挽式電轉換器的 運作情形，以對整體電的解與確認 設計的是否能滿足實際的需求。接 著，使用 Protel-DXP 軟體完成印刷電板 的佈線、鋪銅，並實際洗出一塊電板。 藉由實測結果驗証本專題所完成的作品 在輸入電壓與負載變動的情況下是否仍 能提供穩定的電壓輸出。 關鍵字：推挽式轉換器、電轉換器 一、前言 推挽式轉換器(Push-Pull Converter)是 壓型轉換器的衍生電。與順向式轉換 器的同處在於順向轉換器(Forward Converter)為單個功開關 ， 而推挽式轉換 器(Push-Pull Converter)有個功開關。 推挽式轉換器(Push-Pull Converter)的 基本架構是由個互為相反相位工作的 順向轉換器(Forward Converter)所組合而 成，而最大工作週期小於 0.5。推挽式轉 換器(Push-Pull Converter)的個功開關 的源極端是接地，對於驅動電的設計 較為容。變壓器的二次側為中央抽頭 式，優點是二次側僅有一個二極體的壓 。推挽式轉換器(Push-Pull Converter)的 功開關耐壓必須承受倍的輸入直 電壓，所以推挽式轉換器常應用在直對 直轉換器，特別是在小型的斷電電源 系統中做為升壓電與 48V 的通訊電源 上使用。推挽式轉換器的特性如下: (1)輸出電壓波頻為工作頻之 倍，因此較順向式轉換器有較低之波。 (2)由於電晶體截止時，集極-射極端電 壓 Vce 至少須承受倍之輸入電壓 Vs， 即 Vce = 2Vs，所以太適合使用於較高 輸入電壓場合。 (3)變壓器一次側為中間抽頭式，在每一半 週僅有一半之繞組動作，變壓器之用 如將於後面介紹之半橋或全橋式轉換 器。所以其工作區域只使用 B-H 曲線之各 半部，過鐵心大小只為返馳式或順向式 轉換器一半，可節鐵心之體積與重。 (4)個功開關特性同，就會在 B-H 曲線的一個方向上發生磁通擺動，使得鐵 心發生飽和現象，如此電晶體電會產生 甚大的電尖波，使得電晶體發燙而燒 毀。這是推挽式轉換器的缺點1。 目前常用的電轉換器包括有壓 型 (Buck) 、 返 馳 式 (Flyback) 、 順 向 式 (Forward)以及推挽式(Push-Pull)。在本專 題中僅就推挽式轉換器做探討，希望藉此 對電轉換器有初步的認，進而提昇對 電轉換器之製作與設計能。 二、基本工作原 圖一所示為推挽式轉換器電的基 本電。依據其操作於此值與工作週期關 係式，其式子為: 2 1 2 N ND V V d O = ，其中 N1, N2為變壓器一次側和二次側繞組的圈 ，D 為工作週期2。 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛 圖一 推挽式轉換器基本電 針對圖一所示電用 IsSpice 電 模擬軟體對其進開回和閉回之模 擬。其模擬電圖分別如附(A)、(B)所 示23。 圖二是模擬後的輸出電壓波形圖，由 圖二可看出，開迴的暫態需要較長一段 時間才會穩定；閉迴的暫態則能很快就 進入穩態。 圖三是二極體電與電感電的波 形圖，開迴的 Id1、Id2有突波，而閉電 感波形圖 Id1、Id2有波，雖然還是有突波 但很小。 圖四則顯示電壓與電感電的波 形，模擬結果顯示開迴和閉迴的值 非常接近。 1 500U1.50M2.50M3.50M4.50M WFM .1 VOUT vs. TIME in Secs 31.0 29.0 27.0 25.0 23.0 VOUT in Volts (A) 1 100.0U300U500U700U900U WFM .1 VOUT vs. TIME in Secs 29.5 28.5 27.5 26.5 25.5 VOUT in Volts (B) 圖二 Vout 波形圖(A)開迴(B)閉迴 2 3 1 492U496U500U504U508U WFM .1 ID1 vs. TIME in Secs 4.75 750M -3.25 -7.25 -11.3 ID1 in Amps 14.3 10.3 6.30 2.30 -1.70 ID2 in Amps x =1.00My =1.98 (A) 3 2 1 492U496U500U504U508U WFM .1 ID1 vs. TIME in Secs 4.87 870M -3.13 -7.13 -11.1 ID1 in Amps 5.80 4.80 3.80 2.80 1.80 ILO in Amps x =1.00My =2.08 (B) 圖三 Id1、Id2、ILo波形圖(A)開迴(B)閉迴 2 1 492U496U500U504U508U WFM .1 VL vs. TIME in Secs 53.0 33.0 13.0 -7.00 -27.0 VL in Volts 3.35 2.35 1.35 347M -653M ILO in Amps x =1.00My =-1.65 (A) h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛 1 2 492U496U500U504U508U WFM.2 ILO vs. TIM E in Secs 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 ILO in Amps 52.5 32.5 12.5 -7.50 -27.5 VL in Volts (B) 圖四 VL、ILo波形圖(A)開迴(B)閉迴 三、硬體製作 本專題我們針對推挽式電轉換器 焊接一塊電板模擬，我們使用的軟 體為 Protel-DXP45 。洗電板的程如 下： 1. 繪圖 ， 首先用 Protel 畫好電圖及元件 包裝，然後佈線、鋪銅。 2. 印，接著把鋪好銅的線圖印到 描圖紙上。 3. 曝光，然後使用曝光機把線圖曝光 到電板上，曝光時間 90 秒即可。 4. 顯影，再顯影時間大約 5 分鐘。 5. 蝕刻，最後使用氯化鐵倒至塑膠盆中 以人工方式蝕刻，蝕刻時間大約 3040 分鐘。 6. 鑽孔，蝕刻完成後使用鑽孔器鑽孔， 鑽完孔後即可把元件焊接上去。 本電板的電氣規格如下： 輸入電壓 36 VDC to 56VDC 輸出電壓 5VDC 輸出電 0.2 A TO 8A 輸出波電壓 100mV 圖五所示為自製之推挽式電轉換器成 品： (A) (B) 圖五 自製之推挽式電轉換器(A)正面(B)背面 四、實測波形 首先，我們分別針對輸入電壓為 36V、48V、56V；輸出電為 2A、4A、 6A、8A 等條件，測它的輸出電壓與輸 入電之間的變化，測的據如表一所 示。根據這些據分別計算出轉換效、 負載穩壓、線電壓穩壓。 1. 轉換效 轉換效的定義如(1)式所示： %100= ININ OO IV IV (1) 在輸出2A、4A、6A、8A的條件下，分別 計算在三種輸入電壓下的轉換效。其計 算結果如表二所示。 2. 負載穩壓 在指定負載下的線負載穩壓定 義如(2)式所示： h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛 %100 min, ,min, = loadO fullloadOloadO V VV (2) 由表一得到，輸入電壓為36V、48V、56V 時，最小輸出電壓為5.01V、滿載輸出電 壓4.95V的條件下，分別計算在這三種輸 入電壓下的負載穩壓。其計算結果如表 三所示。 3. 線電壓穩壓 在指定負載下的線電壓穩壓定 義如(3)式所示： %100 min, max,min, = inputO inputOinputO V VV (3) 由表一得到，在輸出負載電為2A、4A、 8A的條件下，分別計算輸入電壓36V及 56V時的線電壓穩壓，其計算結果如表 四所示。 表一 輸出電壓、輸入電據 IO 2A4A 6A8A VO 5.01 4.99 4.974.95VIN =36V IIN 0.36 0.69 1.041.43 VO 5.01 4.99 4.974.95VIN =48V IIN 0.28 0.52 0.791.06 VO 5.01 4.99 4.974.95VIN =56V IIN 0.24 0.46 0.680.92 表二 轉換效 VIN 36V 48V 56V IO =2A 77.3%74.5% 74.5% IO =4A 80.3%79.9% 77.4% IO =6A 79.6%78.6% 78.3% IO =8A 76.9%77.8% 76.8% 表三 負載穩壓 VIN 36V 48V 56V 負載穩壓 1% 1% 1% 表四 線電壓穩壓 IO 2A 4A 8A 線電壓穩壓 0% 0% 0% 接著，我們使用示波器測它的靜 態輸出波形、動態輸出波形以及閘極信號 電壓波形。 1. 靜態輸出波形 以輸入電壓56V，輸出負載滿載8A， 測其動態輸出波形。測出的輸出波 形如圖七 (A)所示 2. 動態輸出波形 在輸入電壓56V，負載設定值如圖 所示的條件下，測試其動態輸出波形。其 波形如圖七(B)。圖七(C)所示則是波形的 波成份。 3. 閘極信號電壓波形 以輸入電壓48V，負載設定4A和 8A，測試MOSFET閘極信號電壓波 形。其波形如圖八所示。 圖 動態負載設定 五、結 本專題我們製作完成推挽式電轉 換器。在製作過程中，我們首先以IsSpice 軟體模擬開回和閉回的運作情 形。並使用Protel-DXP這套軟體繪製電 圖、佈線、鋪銅，以及使用氯化鐵洗 電板。從實驗的測結果顯示，當輸入 電壓從36V56V，輸出電壓維持在5V 左右，變化會很大。且當輸出負載從 2A8A，轉換效大約維持在7080% 左右，所以從這些據看，本專題成品 的靜態特性與動態特性能滿足實際的 需求。推挽式電轉換器的應用非常普 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛 遍，目前大多使用在電源供應器、斷電 系統等，一些電子產品上，所以將仍 能有很大發展空間。 (A) (B) (C) 圖七 輸出電壓 Vout 波形圖(A)靜態負載 56V (B) 動態負載直 56V (C)動態負載的波成份 (A) (B) 圖八 輸入電壓 48V 時的 MOSFET 閘極訊號 (A) 負載為 4A (B)負載 8A 考文獻 1 張英彬編著， 電電子學 ，初版， 高科技圖書股份有限公司，1997。 2 鄭培璿， 電電子分析與模擬 ，修 訂版，全華科技圖書股份有限公司， 14-1，2004。 3 鄭培璿， IsSpice在電子電與電源 轉換器上的應用 ，初版，全華科技圖 書股份有限公司， 1999 4 張義和編著， Protel DXP電腦輔助電 設計:全紀(上)(下) ，初版，全華 科技圖書股份有限公司，2001。 5 張義和編著， Protel DXP電腦輔助電 設計快速入門 ，初版，全華科技圖 書股份有限公司，2003。 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛 附 IsSpice模擬電圖 (A) 開迴 7 4 3 1 2 X3 XFMR-TAP 58 Lo 81u Co 78.5u RL 7 Lm1 5.8M Lm2 5.8M 6 Vg1 Vin 9 Vg2 Vgs2 volts Vgs1 volts Vds2 volts Vds1 volts ILo amps VL volts Vout volts X2 IRF840 X1 IRF840 Id1 amps Id2 amps D5 mur810 D6 mur810 D7 mur810 D8 mur8