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5/27/20251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5/27/20252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。5/27/20253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。5/27/20254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。5/27/20255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LI2/25/27/20256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。

5/27/20257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。5/27/20258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。5/27/20259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/L5/27/202510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）。5/27/202511南台科技大學電力電子實驗室圖2-10返馳式轉換器5/27/202512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5/27/202513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)。5/27/202514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5/27/202515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。

5/27/202516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5/27/202517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。5/27/202518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。5/27/202519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。5/27/202520南台科技大學電力電子實驗室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。5/27/202521南台科技大學電力電子實驗室參考文獻【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,“InputCurrentAnalysisofMotorDriveswithRectifierConverters,”IEEE-IASConferenceRecord,1985,pp.672-6755/27/202522南台科技大學電力電子實驗室【12】W.F.Ray,R.M.DavisandI.D.Weatherhog,“TheThree-PhaseBridgeRectifierwithaCapacitiveLoad,”IEEConferencePublicationNo.291,1988,pp.153-156.【13】R.Gretsch,“HarmonicDistortionoftheMainsVoltagebySwitched-ModePowerSupplies-AssessmentoftheFurtherDevelopmentandPossibleMitigationMeasures,EuropeanPowerElectronicsConference（EPE）.Aachen,pp.1255-1260.【14】R.P.SevernsandG.E.Bloom,ModernDC－to－DCSwitchModePowerConverterCircuits,VanNostrandReinholdCompany,NewYork,1985.【15】G.Chryssis,HighFrequencySwitchingPowerSupplies：TheoryandDesignMcGraw-Hill,NewYork,1984.【16】R.E.Tarter,PrinciplesofSolid－StatePowerConversion,H.W.SamsandCo.,Indianapolis,In,1985.【17】R.D.MiddlebrookandS.C'uk,AdvancesinSwitched－ModePowerConversion