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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:楊岳儒
研究生(外文):Yang, Yueh-Ru
論文名稱:開關振璗器之功率轉換應用
論文名稱(外文):Application of switching oscillators on power conversion
指導教授:陳秋麟陳秋麟引用關係---
指導教授(外文):Chen Chern-Lin
學位類別:博士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:電機工程學系研究所
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:1998
畢業學年度:86
語文別:中文
論文頁數:146
中文關鍵詞:開關振盪器安定器振鈴扼流圈寄生半橋功因矯正
外文關鍵詞:oscillatorballastringing-chokeparasitichalf-bridgePFC
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此論文研究開關振盪器之功率轉換應用。主要內容在探討儲能振盪原理、不同開關元
件對開關振盪器之影響、寄生電容於儲能振盪操作中扮演之角色、以及橋式開關振盪器之
輸入電流整形問題等。兩種適合特定功率轉換應用之開關振盪器被用來闡述及驗證此論文
之研究內容。一為直接傳遞能量之橋式開關振盪器,另一為間接傳遞能量之阻遏式開關振
盪器。橋式開關振盪器通常被用來作為氣體放電燈之電子安定器使用。其開關振盪頻率主
要由與儲能電感器串聯之可飽和驅動變壓器決定。藉著開關元件兩端之過渡電容和儲能電
感器所產生之串聯共振操作,此種橋式開關振盪器可輕易獲得零電壓切換操作及箝制開關
電壓之功能。在相同電路架構但不同開關元件之條件下,研究結果顯示雙載子較單載子之
開關元件適合此種變壓器驅動之開關振盪器使用。再者,為獲得儲能振盪操作,此種橋式
開關振盪器通常等同於一個低品質因數之負載共振反流器。阻遏式開關振盪器通常被用來
作為他激式開關電路之直流輔助電源使用。其開關振盪頻率主要由負載電阻決定。因儲能
電感器之電流不連續且和寄生電容產生並聯共振,所以此種直流電源也稱為振鈴扼流圈轉
換器。由於能量採間接傳遞方式,阻遏式開關振盪器能自動限制輸出功率。在相同之儲能
網路下,不同之控制策略產生不同之振盪特性。研究結果顯示,藉一簡單之電阻電容充放
電回授控制電路,此轉換器即可同時獲得軟啟動功能及輸出電流之反折保護。兩種開關振
盪器之寄生電容效應都可藉狀態平面分析作定性之解釋。開關振盪器之狀態軌跡顯示由寄
生電容所產生之寄生共振實為儲能振盪操作之一部份。對橋式開關振盪器而言,開關元件
兩端之寄生電容有助於開關元件作減少開關損失之零電壓啟斷操作。同樣地,對阻遏式開
關振盪器而言,開關及儲能電感器之寄生電容能有效延長該振盪器在輕載下的自激振盪週
期,有助於改善電壓調整率或減少最低負載需求。最後,此論文探討兩種利用橋式開關振
盪器作升壓型功因矯正操作之單級高功率因數自激電子安定器電路。藉著輸入升壓電感器
之充放電操作,原有之橋式開關振盪器即可獲得輸入電流整形之功能。實驗結果顯示輸入
升壓電感器之充放電電流會劣化原有橋式振盪器之零電壓切換操作,而且輸入升壓電感器
之不連續電流操作也會增加電源濾波器之濾波負擔與損失,所以此種單級高功率因數之開
關振盪器通常只應用於低功率之負載場合。未來的研究方向將是設法改善其零電壓切換特
性與減輕其電源濾波器之負擔與損失。
In this dissertation, switching oscillators for power conversion applications
are investigated in depth. The contents includes the principles of energy-st
orage oscillations, the effects of different switching devices on switching os
cillators, the role of parasitic capacitance on energy-storage oscillations, a
nd the input current shaping of bridge switching oscillators. Two switching o
scillators suited for specific power conversion applications are adopted for i
nvestigation. One is the bridge oscillator which transmits the source energy
to loads directly, and the other is the blocking oscillator which transmits th
e source energy to loads indirectly.The bridge oscillator is commonly utilized
for ballasting the current of discharge lamps in off-line illumination applic
ations. Its oscillation frequency is mainly determined by a saturable driving
transformer which is in series with the energy-storage inductor. Due to the
parasitic capacitance across the switching devices, the bridge oscillator can
easily achieve the zero-voltage-switching and clamping voltage (ZVS-CV) functi
on. The study results show that bipolar switching devices are more suitable t
han unipolar switching devices in the transformer-driven switching oscillators
, under the conditions of using the same circuit topology but different switch
ing devices. Moreover, in order to achieve the energy-storage oscillations, t
he bridge oscillator always behaves like a low-quality-factor load-resonant in
verter.The blocking oscillator usually acts as the auxiliary power supply for
external-drive switching circuits. Its oscillation frequency is determined by
its output loads. Since the choke current is always discontinuous and rings
with the parasitic capacitance of circuit devices, this type of converters is
also referred to as ringing choke converter (RCC). Due to the indirect energy
transmission, the blocking oscillator can limit the output power naturally.
Under the the same energy-storage circuit, different control strategies result
in different oscillation characteristics. The study results show that the ou
tput-current foldback protection and the soft-start function can be simultaneo
usly fulfilled by a simple resistor-capacitor charging-discharging feedback-co
ntrol circuit.The role of parasitic capacitance on both of the studied switchi
ng oscillators can be qualitatively interpreted by state-plane analysis. The
state trajectories of switching oscillators show that the parasitic resonance
resulted from parasitic capacitance is indeed a part of energy-storage oscilla
tions. For the bridge oscillator, the parasitic capacitance across switching
devices is useful for the ZVS operation and the reduction of switching losses.
Similarly, the parasitic capacitance across the transformer choke can effect
ively prolong the oscillation cycle of the ringing choke converter. Hence, th
e voltage regulation can be improved and the required dummy load can be decrea
sed.Finally, two types of single-stage high-power-factor electronic ballasts w
hich utilize the bridge oscillator to conduct boost-type power-factor-correcti
on operations are discussed. By adding an input boost inductor, the bridge os
cillator can easily obtain the function of input current shaping. The study r
esults show that the charging-discharging current of the input boost inductor
deteriorates the ZVS operation and increases the requirement of powerline filt
ering. Therefore, the studied self-excited single-stage power-factor-correcti
on configurations are only suitable for low power applications. The future re
searches are directed at the improvement of the ZVS characteristics and the re
duction of the powerline filtering burden.
封面
目錄
第一章 緒論
1.1 論文用語釋義
1.2 研究動機與目的
1.3 研究範圍與限制
1.4 論文編排概述
第二章 開關振盪器之儲能振盪原理
2.1 概述
2.2 巴克豪生準則 (Bardhausen''s criterion)
2.3 儲能振盪操作
2.4 回授方式
2.5 小結
第三章 開關振盪器之開關轉態機制
3.1 概述
3.2 主動開關元件之導通電阻
3.3 變壓器鐵心之導磁係數
3.4 差動放大電路之磁滯特性
3.5 電阻器與電容器之弛張振盪
3.6 電感器與電容器之自然共振
3.7 小結
第四章 橋式開關振盪器之照明應用
4.1 概述
4.2 螢光燈之驅動需求
4.3 串聯可飽和變壓器之自激半橋安定器
4.4 六階段之儲能振盪操作
4.5 八階段之數值模擬
4.6 小結
第五章 單載子與雙載子開關元件之使用
5.1 概述
5.2 BJT與MOSFET為開關之自激半橋電子安定器之較
5.3 BJT與MOSFET安定器之導通(Turn-On)條件比較
5.4 BJT與MOSFET安定器之截止Turn-Off)條件比較
5.5 寄生電容效應之狀態平面分析
5.6 小結
第六章 阻遏式開關振盪器之電源應用
6.1 概述
6.2 四階段之儲能振盪操作
6.3 振鈴扼流圈直流電源
6.4 振鈴扼流圈直流電源之基本特性
6.5 寄生電容效應之狀態平面分析
6.6 小結
第七章 高功率因數之自激半橋電子安定器
7.1 概述
7.2 升壓式被動輸入電流整形(PICS)
7.3 PICS操作之穩態分析
7.4 PICS操作對開關振盪器之影響
7.5 小結
第八章 總結
8.1 結論
8.2 未來研究方向
參考資料
附錄
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