臺灣博碩士論文加值系統

本文研製硬切換式高功率雙相直流對直流雙向轉換器，完成高功率升壓模式及降壓模式操作，並以高轉換效率方向為目標，探討硬切式直流對直流轉換器的最大可能操作效率與能量損失分佈。在此轉換器內包含抑制開關元件於切換時所造成雜訊干擾的截止緩衝電路。本文中探討如何選定轉換器中各元件規格，使得在大功率操作情況下工作仍有良好的系統轉換效率。本文使用TMS320LF2407數位信號處理器(DSP)製作轉換器控制電路，以實現精密切換控制。本文最後進行雙相直流對直流雙向轉換器系統硬體實現，經由實測結果得知於滿載條件下，在升壓模式下轉換效率為96.2%，降壓模式下轉換效率為94.8%。

This thesis designs and implements a hard-switching high power bidirectional dual-phase dc-dc converter. The converter accomplishes high power density operation in boost mode and buck mode. The maximum operating efficiency and power losses allocation of circuit elements used in the converter are also explored. EMI in the converter is also considered and reduced by using turn-off snubber circuits. In order to obtain high conversion efficiency under high power operating situation, this thesis discuses the specifications selection of circuit elements used in the converter. A TMS320LF2407 DSP-based digital controller is designed and implemented for high precision switching control of the converter. Finally, a hardware prototype is implemented. Experimented results show that the conversion efficiency can reach above 96.2% in boost mode, and 94.8% in buck mode at full power output conditions, respectively.

目 錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書
中文摘要 i
英文摘要 ii
目錄 iii
圖表目錄 vi
第一章 緒論
1.1 研究背景與動機 1
1.2 論文內容介紹 3
第二章 雙相直流對直流雙向轉換器設計
2.1 介紹 4
2.2 轉換器操作原理 7
2.2.1 雙相直流對直流雙向轉換器之主電路架構 7
2.2.2 升壓模式 8
2.2.3 降壓模式 12
2.2.4 電感電流導通模式分析 15
2.3 脈波寬度調變(PWM)控制訊號規劃 18
第三章 轉換器之數位控制訊號設計與元件選擇
3.1 TMS320LF2407A單晶片微處理機控制器製作 19
3.1.1 TMS320LF2407A單晶片微處理機介紹 19
3.1.2 TMS320LF2407A特性及用途 20
3.1.3自製TMS320LF2407A電路板 25
3.2 以TMS320LF2407A實現相移式PWM控制訊號 27
3.2.1 類比/數位轉換器(ADC) 27
3.2.2 通用計時器GPT 30
3.2.3 TxPWM的輸出控制運作 32
3.2.4 DSP內部PWM控制訊號設定流程圖 33
3.3 功率開關元件驅動電路(Gate Drive) 36
3.4 功率開關(IGBT)選擇 38
3.5 儲能電感設計 40
3.5.1 鐵心材質選擇 40
3.5.2 繞線線徑選擇 41
3.5.3 電感值計算 41
3.5.4 鐵心導磁係數衰退特性分析 49
3.6 主電路迴路二極體之選擇 50
3.7 濾波電容之設計 51
3.8 主電路連接導體之設計 53
3.9 緩衝電路設計 54
3.9.1 緩衝電路之功能與形式 54
3.9.2 截止緩衝電路之分析 55
3.9.3 導通緩衝電路之分析 57
3.9.4 緩衝電路之實現 59
3.10 轉換器各部零件介紹 62
第四章 雙相直流對直流雙向轉換器實現與實測驗證
4.1 介紹 65
4.2 雙相直流對直流雙向轉換器實現 66
4.3 數位控制器實現 69
4.4 測試結果與分析 72
4.4.1 升壓模式實測 82
4.4.2 降壓模式實測 82
4.4.3 緩衝電路功能實測 93
4.5 系統熱顯影分析 95
4.6 本實驗室高功率轉換器歷代成品 101
第五章 總結與建議
5.1 總結 103
5.2 建議 104
參考文獻 105
附錄A 108
PWM控制程式
作者簡介
圖表目錄
圖2.1.1 直流對直流轉換器架構 4
圖2.1.2 降壓式直流對直流轉換器的脈波寬度調變控制原理 5
圖2.1.3 PWM控制方塊 5
圖2.1.4 切換控制信號 6
圖2.2.1 雙相直流對直流雙向轉換器之主電路架構 7
圖2.2.2 升壓型直流對直流轉換器電路 8
圖2.2.3 升壓型轉換器連續導通模式下電感電壓及電流與開關電壓時序 9
圖2.2.4 升壓型轉換器功率開關導通期間等效電路 10
圖2.2.5 升壓型轉換器功率開關截止期間等效電路 10
圖2.2.6 降壓型直流對直流轉換器電路 12
圖2.2.7 降壓型轉換器功率開關導通期間等效電路 13
圖2.2.8 降壓型轉換器功率開關截止期間等效電路 13
圖2.2.9 降壓型轉換器連續導通模式下電感電壓及電流與開關電壓時序 14
圖2.2.10 連續電感電流導通模式(CCM)示意圖 15
圖2.2.11 不連續電感電流導通模式(DCM)示意圖 16
圖2.2.12 電感電流邊界導通模式(BCM)示意圖 16
圖2.3.1 相移式PWM控制訊號規劃 18
圖3.1.1 TMS320LF2407A功能方塊圖 21
圖3.1.2 程式記憶體位置分佈圖 22
圖3.1.3 資料記憶體位置分佈圖 22
圖3.1.4 TMS320LF2407A之記憶體映對 23
圖3.1.5 TMS320LF2407A之腳位圖 24
圖3.1.6 自製TMS320LF2407A PCB佈線圖 25
圖3.1.7 自製TMS320LF2407A 3D模擬圖 25
圖3.1.8 自製TMS320LF2407A為基礎控制器完成品 26
圖3.2.1 一組16通道串聯排序ADC模式 27
圖3.2.2 兩組8通道串聯排序ADC模式 28
圖3.2.3 ADC轉換結果暫存器 29
圖3.2.4 通用計時器運作功能方塊結構 31
圖3.2.5 PWM波形產生圖 33
圖3.2.6 比較單元啟動PWM電路功能方塊圖 34
圖3.2.7 PWM控制訊號設定流程圖 35
圖3.3.1 功率開關元件之驅動電路 36
圖3.3.2 典型高功率應用IGBT開關元件之VCE-IC之特性曲線 37
圖3.4.1 開關元件切換時間和損失定義 38
圖3.5.1 升壓模式儲能電感電流波形 42
圖3.5.2 降壓模式儲能電感電流波形 43
圖3.5.3 升壓模式下CCM與DCM邊界曲線圖 46
圖3.5.4 降壓模式下CCM與DCM邊界曲線圖 47
圖3.5.5 Boost定功率在不同頻率下電感CCM與DCM邊界曲線圖 47
圖3.5.6 Buck在不同頻率下電感CCM與DCM邊界曲線圖 48
圖3.5.7 MPP鐵心導磁係數衰退曲線 49
圖3.7.1 升壓模式輸出漣波電壓 51
圖3.7.2 降壓模式輸出漣波電壓 53
圖3.9.1 截止緩衝電路及等效電路 55
圖3.9.2 無加入緩衝電路之波形 56
圖3.9.3 導通緩衝電路 57
圖3.9.4 雙向能量回收型截止緩衝電路 59
圖3.9.5 升壓模式時緩衝電路動作順序圖 60
圖3.9.6 降壓模式時緩衝電路動作順序圖 61
圖3.10.1 轉換器各部零件實際拍攝圖 64
圖4.2.1 升壓模式時轉換器實際測試接線圖 66
圖4.2.2 降壓模式時轉換器實際測試接線圖 66
圖4.2.3 主電路實作完成實照 67
圖4.2.4 20kW等級電阻性負載實照 68
圖4.2.5 雙相雙向轉換器電路整合與測試系統實照 68
圖4.3.1 開迴路數位控制電路圖 69
圖4.3.2 以TMS320LF2407實現開迴路數位控制電路實照 70
圖4.3.3 P1/P7 類比介面(Analog Interface)示意圖 70
圖4.3.4 開迴路相移式PWM訊號控制程式流程圖 71
圖4.4.1 2.1kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 73
圖4.4.2 2.1kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(不連續導通模式) 73
圖4.4.3 4.15kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 74
圖4.4.4 4.15kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 74
圖4.4.5 6.19kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 75
圖4.4.6 6.19kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 75
圖4.4.7 8.24kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 76
圖4.4.8 8.24kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 76
圖4.4.9 10.34kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 77
圖4.4.10 10.34kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 77
圖4.4.11 11.64kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 78
圖4.4.12 11.64kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 78
圖4.4.13 13kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 79
圖4.4.14 13kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 79
圖4.4.15 15.7kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 80
圖4.4.16 15.7kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 80
圖4.4.17 升壓模式效率對輸出功率曲線圖 81
圖4.4.18 2.1kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 83
圖4.4.19 2.1kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(不連續導通模式) 83
圖4.4.20 3.6kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 84
圖4.4.21 3.6kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 84
圖4.4.22 4.1kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 85
圖4.4.23 4.1kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 85
圖4.4.24 5.2kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 86
圖4.4.25 5.2kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 86
圖4.4.26 7.2kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 87
圖4.4.27 7.2kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 87
圖4.4.28 8.2kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 88
圖4.4.29 8.2kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 88
圖4.4.30 9.1kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 89
圖4.4.31 9.1kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 89
圖4.4.32 10.1kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 90
圖4.4.33 10.1kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 90
圖4.4.34 12kW輸出操作之輸入及輸出電壓、電流波形 91
圖4.4.35 12kW輸出操作之開關電壓與電感電流波形(連續導通模式) 91
圖4.4.36 降壓模式效率對輸出功率曲線圖 92
圖4.4.37 升壓模式緩衝電路動作實測圖 93
圖4.4.38 降壓模式緩衝電路動作實測圖 94
圖4.5.1 升壓模式受測系統主電路實圖(a) 95
圖4.5.2 升壓模式受測系統主電路實圖(b) 96
圖4.5.3 升壓模式10kW輸出之系統熱能分佈情形(a) 96
圖4.5.4 升壓模式10kW輸出之系統熱能分佈情形(b) 97
圖4.5.5 降壓模式受測系統主電路實圖(a) 98
圖4.5.6 降壓模式受測系統主電路實圖(b) 98
圖4.5.7 降壓模式5kW輸出之系統熱能分佈情形(a)(測試時間10分鐘) 99
圖4.5.8 降壓模式5kW輸出之系統熱能分佈情形(b)(測試時間10分鐘) 99
圖4.5.9 降壓模式5kW輸出之系統熱能分佈情形(a)(測試時間20分鐘)100
圖4.5.10 降壓模式5kW輸出之系統熱能分佈情形(b)(測試時間20分鐘)100
圖4.6.1 本實驗室初代高功率升壓轉換器實拍圖 101
圖4.6.2 本實驗室二代高功率升壓轉換器實拍圖 102
圖4.6.3 本文高功率雙相直流對直流雙向轉換器實拍圖 102
表3.1.1 TMS320LF2407A特性及用途分類表 20
表3.2.1 類比/數位轉換器(ADC)相關暫存器 29
表3.5.1 磁性材料特性比較 40
表4.2.1 系統元件參數 67
表4.2.2 截止緩衝電路參數 68
表4.3.1 P1/P7類比介面(Analog Interface connector)連接 70
表4.4.1 升壓模式在不同負載情況之系統效率 81
表4.4.2 降壓模式在不同負載情況之系統效率 92

參考文獻

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