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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:劉嘉淳
研究生(外文):Jia-Chun Liu
論文名稱:推挽式轉換器製作與效率改善
論文名稱(外文):Implementation and Efficency Improvement for Push-Pull Converters
指導教授:陳耀銘吳財福
指導教授(外文):Yaow-Ming ChenTsai-Fu Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:95
中文關鍵詞:推挽式主動箝位
外文關鍵詞:push-pullavtive-clamped
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本論文首先對硬切式推挽轉換器的動作原理作一詳盡的分析,之後並說明元件與電路的設計考量,然後製作一台輸出功率1 kW的硬切式推挽轉換器,以實驗結果驗證理論分析。接著,本論文進一步探討主動箝位式推挽轉換器之特性。此電路在變壓器初級側外加一對輔助開關,諧振電感及箝位電容。使用主動箝位電路,可箝制功率開關的突波電壓,並可達到主動開關操作於零電壓切換的優點,能降低開關切換時所帶來的切換雜訊與損失,以提高電路效率。最後依電路分析及設計準則製作出1 kW的主動箝位式推挽轉換器來驗證效率改善之效果。
In this thesis, the operation principle of the hard-switching push-pull converter is described, firstly. Then, the design considerations for a 1kW push-pull converter is illustrated.The theoretical analysis is experimentally verified by the implemented prototype. The characteristic of the active-clamped push-pull converter is also presented in this thesis.A pair of auxiliary switches, resonant inductors, and clamped capacitors are added in the primary-side of the transformer.In the active-clamped push-pull converter, the switching noise and loss can be reduced and the circuit efficiency can be improved. Finally, a battery supplied active-clamped push-pull converter with batter performance implemented.Experimental results shows that the efficiency improvement can be achieved.
目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 x
第一章 緒論 1
1.1 研究背景、動機與目的 1
1.2 研究內容 2
1.3 研究綱要 3
第二章 直流/直流轉換器原理分析及設計 5
2.1 推挽式轉換器 5
2.1.1 推挽轉換器動作原理 6
2.1.2 穩態分析 10
2.1.3 UC3525內部動作說明 15
2.1.4 推挽轉換器設計流程 19
2.2 輔助電源供應器 21
2.2.1 輔助電源供應器動作原理 22
2.2.2 UC3845內部動作說明 25
2.2.3 輔助電源供應器設計流程 28
2.3 討論 32
第三章 硬體電路製作與實務考量 33
3.1 迴授控制方式 34
3.2 磁通不平衡(偏磁) 36
3.3 變壓器漏感 42
3.4 討論 47
第四章 主動箝位式推挽轉換器 48
4.1 硬切技術與軟切技術比較 48
4.1.1硬切時電壓電流之軌跡 48
4.1.2軟切時電壓電流之軌跡 48
4.2 主電路介紹 49
4.3 轉換區間狀態 50
4.4 穩態分析 65
4.5 電路設計考量 66
4.5.1 切換功率元件開關選用 66
4.5.2 諧振電感與箝位電容值的設計 68
4.6 討論 69
第五章 模擬結果與實測 70
5.1 直流/直流轉換器模擬與實測 70
5.1.1 推挽轉換器 70
5.1.2 輔助電源供應器 77
5.1.3 主動箝位式推挽轉換器 81
5.2 功率損耗評估與效率量測 85
5.3 紅外線熱影像及硬體實作圖 88
第六章 結論與未來研究方向 91
6.1結論 91
6.2未來研究方向 91
參考文獻 93
圖目錄
圖1-1 離線式不斷電電源系統 1
圖1-2 電路系統架構 3
圖2-1 推挽式轉換器電路圖 6
圖2-2 推挽式轉換器電路動作圖 6
(a) [狀態一]:推挽式轉換器電路動作圖 6
(b) [狀態二]:推挽式轉換器電路動作圖 7
(c) [狀態三]:推挽式轉換器電路動作圖 8
(d) [狀態四]:推挽式轉換器電路動作圖 8
(e) [狀態五]:推挽式轉換器電路動作圖 9
(f) [狀態六]:推挽式轉換器電路動作圖 9
圖2-3 推挽式轉換器操作於非連續電流導通模式/CCM的邊界狀況 12
圖2-4 推挽式轉換器主要元件理想電壓波形圖 14
圖2-5 推挽式轉換器主要元件理想電流波形圖 14
圖2-6 具正負兩組電壓輸出的推挽式轉換器 15
圖2-7 UC3525內部功能方塊圖 16
圖2-8 UC3525之補償器電路圖 17
圖2-9 UC3525之振盪電路 18
圖2-10 UC3525之RD與延遲時間之關係圖 18
圖2-11 返馳式轉換器電路圖 21
圖2-12 返馳式轉換器電路動作圖 22
(a) [狀態一]:返馳式轉換器電路動作圖 22
(b) [狀態二]:返馳式轉換器電路動作圖 23
(c) [狀態三]:返馳式轉換器電路動作圖 23
圖2-13 返馳式轉換器主要元件理想電壓波形圖 24
圖2-14 返馳式轉換器主要元件理想電壓波形圖 24
圖2-15 UC3845內部功能方塊圖 25
圖2-16 UC3845之輸出電壓補償器電路 26
圖2-17 UC3845之電流迴授電路 27
圖2-18 UC3845之振盪電路 28
圖3-1 推挽式轉換器電力級及控制級電路圖 35
圖3-2 4066腳位圖 35
圖3-3 磁滯曲線 36
圖3-4 加入氣隙後磁滯曲線的變化 37
圖3-5 (a)未偏磁時推挽式轉換器的磁滯曲線 38
(b)偏磁時推挽式轉換器的磁滯曲線 38
圖3-6 推挽式轉換器的電壓VGS與電流IDS波形(發生偏磁時) 39
圖3-7 推挽式轉換器電路圖 40
圖3-8 電路佈線圖 40
圖3-9 變壓器底視圖 41
圖3-10 變壓器結構圖 41
圖3-11 變壓器繞線腳位圖 41
圖3-12 加入緩震電路的推挽式轉換器電路圖 43
圖3-13 RCD截止型緩震電路 44
圖3-14 (a)緩震電路位於每一個二極體的兩端 46
(b)緩震電路位於變壓器次級繞組兩端 46
圖4-1 硬切時MOSFET汲-源極電壓 及汲-源極電流 變化之軌跡圖
48
圖4-2 軟切時MOSFET汲-源極電壓 及汲-源極電流 變化之軌跡圖
49
圖4-3 主動箝位式推挽轉換器 50
圖4-4 電路主要元件典型波形圖 51
圖4-5 主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 53
(a) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 53
(b) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 54
(c) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 55
(d) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 56
(e) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 57
(f) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 58
(g) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 59
(h) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 60
(i) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 61
(j) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 62
(k) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 63
(l) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 64
(m) [ ]主動箝位式推挽轉換器電路動作圖 64
圖4-6 責任週期(Duty)與電壓歸一化轉換比( ) 66
圖5-1 推挽式轉換器實作電路圖 70
圖5-2 (a) 滿載1 kW時VGS1,VDS1及IDS1之模擬波形 72
(b) 滿載1 kW時VGS1,VDS1及 IDS1之量測波形 72
圖5-3 (a) 滿載1 kW時VGS1,VD3及 ILo1之模擬波形 73
(b) 滿載1 kW時VGS1, VD3與ILo1之量測波形 73
圖5-4 開關 截止及導通時的電壓VDS1及電流IDS1波形 74
(a) 開關 截止時的電壓VDS1及電流 IDS1波形 74
(b) 開關 導通時的電壓VDS1及 電流IDS1波形 74
圖5-5 (a)滿載時1 kW輸出電壓Vo1(上臂) 75
(b)滿載時1 kW輸出電壓Vo2(下臂) 75
圖5-6 (a)輕載時20 W輸出電壓Vo1(上臂) 76
(b)輕載時20 W輸出電壓Vo2(下臂) 76
圖5-7 輔助電源供應器實作電路圖 77
圖5-8 VGS,VDS及IDS之量測波形 78
圖5-9 功率開關 截止及導通時的電壓VDS及電流IDS波形 79
(a) 功率開關 截止時的電壓VDS及電流IDS波形 79
(b) 功率開關 導通時的電壓VDS及電流IDS波形 79
圖5-10 額定負載下輔助電源輸出電壓之量測波形( 15V) 80
圖5-11 額定負載下輔助電源輸出電壓之量測波形(5V,20V) 80
圖5-12 主動箝位式推挽轉換器實作電路圖 81
圖5-13 主開關 的電壓VDS1及電流IDS1波形 83
圖5-14 輔助開關 的電壓VDS3及電流IDS3波形 83
圖5-15 主開關 導通及截止時電壓VDS1及電流IDS1波形 84
(a) 主開關 導通時的電壓VDS1及電流IDS1波形 84
(b) 主開關 截止時的電壓VDS1及電流 IDS1波形 84
圖5-16 輔助開關 導通時的電壓VDS3及電流IDS3波形 84
圖5-17 圖5-17輸入電壓變動對輸出電壓曲線圖 85
圖5-18 圖5-18 從100w到1000w量測不同輸入電壓下對輸出電壓曲線圖
85
圖5-19 (a)系統損失評估分佈圖(硬切式) 88
(b)系統損失評估分佈圖(主動箝位式) 88
圖5-20 (a)硬切式推挽轉換器主開關熱影像圖 90
(b)主動箝位式推挽轉換器主開關熱影像圖 90
圖5-21 系統硬體實作圖 91
表目錄
表2-1 UC3525各腳位功能 16
表2-2 UC3845各腳位功能 26
表3-1 變壓器繞組電阻量測表 42
表4-1 硬切式與主動箝位式功率轉換器特性比較表 69
表5-1 推挽轉換器規格表 70
表5-2 推挽轉換器使用元件參數表 71
表5-3 輔助電源供應器規格表 77
表5-4 輔助電源供應器使用元件參數表 78
表5-5 主動箝位式推挽轉換器規格表 81
表5-6 主動箝位式推挽轉換器使用元件參數表 82
表5-7 導通損失表 85
表 5-8 切換損失表 85
表5-9 硬切式推挽式轉換器輸出效率表 86
表5-10 主動箝位式推挽轉換器輸出效率表 86
表5-10 系統損失評估表(硬切式) 87
表5-11 系統損失評估表(主動箝位式) 87
參考文獻
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