臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要為針對小瓦特數電源轉換器，研製一種具有自動調節升壓之非對稱半橋諧振轉換器，利用非對稱半橋轉換器本身的柔性切換，功率開關零壓工作( Zero voltage switch, ZVS )、固定切換頻率、調節升壓、降低切換損失等優點，再配合上一升壓型轉換器來做為功因校正單元，整合上兩單元於一控制晶片達到小型化、控制簡易特性，次級側則利用中間抽頭式自激同步整流來替代蕭基二極體改善低壓高電流輸出應用之轉換效率，並對自動調節升壓諧振轉換器動作原理做詳細分析與討論，並使用Mathcad及Simetrix軟體進行參數及線路模擬分析，最後以設計實例輸入90Vac ~ 264Vac，輸出19V / 4.73A / 90W、最高效率為93.55%的自動調節升壓諧振轉換器，並與實際量測以驗證模擬與理論分析，改善目前市場上常用之返馳式架構缺點，進而提高效能及外觀小型化目標。

This thesis is to design a small power AC to DC converter for switching power supply. It contains a half-bridge resonance converter which automatically adjust and step up the voltage utilizing zero voltage switching (ZVS). It combines PFC and LLC converter control on a single chip to simplify the structure and synchronized rectification of MOSFET to reduce the loss especially at high output current. It also contains very detailed theoretical discussion on operation of AC-DC converter, also uses simulation tools, such as Mathcad & Simetrix, to help for analyzing. At last a 90W, 19 V / 4.73 A, 90-264Vac power supply has been implemented to verify simulation and theoretical results the product give a 93.55% efficiency and improves the performance of a Flyback AC-DC converter normally has.

目 錄
摘 要 I
Abstract II
誌 謝 III
目 錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 背景與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 切換損失 3
1.2.2 柔性切換技術 4
1.3 文獻貢獻 5
1.4 論文架構 7
第二章 功率因數校正與自動調節升壓諧振架構 9
2.1主架構說明 9
2.2 功率因數校正 9
2.3自動調節升壓諧振電路 15
第三章 自激同步整流電路架構 24
3.1 前言 24
3.2 主架構說明 26
第四章 電路設計製作 29
4.1系統架構 29
4.2電路說明 30
4.2.1 功率因數修正器 31
4.2.2 自動調節升壓諧振電路設計 35
4.2.3 變壓器圈設計 38
第五章 實驗及模擬結果討論 39
5.1 電路模擬 39
5.2 實驗結果 45
5.3 效率分析與比較 49
5.4 實作電路照片 53
5.5 實驗儀器 54
第六章 結論與未來展望 55
6.1 結論 55
6.2 未來展望 55
參考文獻 56
作者簡歷 59

圖 目 錄

圖1.1 返馳式轉換器之功率損耗比例圖 1
圖1.2 兩級式電路架構圖 2
圖1.3 Jang等人提出之半橋諧振轉換器圖 3
圖1.4 功率開關電壓電流切換損失圖 4
圖1.5 零電壓(ZVS)切換圖 4
圖1.6 零電流(ZCS)切換圖 5
圖1.7 返馳式架構圖 6
圖1.8 自動升壓調節諧振轉換器架構圖 6
圖2.1 整合控制積體電路示意圖 9
圖2.2 橋式整流電路及電壓電流波形圖 10
圖2.3 電感式功率因數修正圖 11
圖2.4 LC型式功率因數修正圖 11
圖2.5 π型式功率因數修正圖 12
圖2.6 升壓式電路架構簡圖 12
圖2.7 PFC電感電流波形圖 14
圖2.8 半橋諧振電路圖 16
圖2.9 半橋諧振開關零件電流電壓時序圖 17
圖2.10 模式I之電路圖 18
圖2.11 模式II之電路圖 19
圖2.12 模式III之電路圖 20
圖2.13 LC諧振等校電路圖 20
圖2.14 戴維寧等效電路 21
圖2.15 全波整流電路之輸入輸出波形圖 22
圖3.1 半波整流濾波電路圖 24
圖3.2 中間抽頭全波整流濾波電路圖 25
圖3.3 自激同步整流電路圖 26
圖3.4 返馳式蕭特基二極體電路圖 26
圖3.5 外部控制晶體導通線路圖 27
圖3.6 輸出控制波形圖 28
圖3.7 互補式導通週期圖 28
圖4.1 系統架構方塊圖 29
圖4.2 系統線路簡圖 30
圖4.3 功率因數修正電路圖 31
圖4.4 自動調節升壓諧振電路圖 35
圖5.1 自動調節升壓諧振電路圖 39
圖5.2 負載變動之自動升壓電壓曲線圖 42
圖5.3 切換頻率與增益曲線圖 43
圖5.4 諧振頻率比與自動調節電壓曲線圖 44
圖5.5 輸出電壓波形圖 45
圖5.6 功率開關控制訊號圖 46
圖5.7 諧振電流波形圖 47
圖5.8 閘級電壓波形圖 48
圖5.9 返馳式相對性效率曲線圖 50
圖5.10 自動調節升壓之相對性效率曲線圖 51
圖5.11 兩架構效率比較圖(60Hz) 52
圖5.12 兩架構效率比較圖(50Hz) 52
圖5.13 內部零件裝置圖 53
圖5.14 外觀俯視比較圖 53
圖5.15 外觀側視比較圖 54

表 目 錄
表1.1 架構差異比較表 7
表2.1 常見電流控制法比較表 13
表3.1 次級側整流電路表 25
表5.1 返馳式效率表(60Hz) 49
表5.2 返馳式效率表(50Hz) 49
表5.3自動調節升壓之諧振轉換器效率表(60Hz) 50
表5.4自動調節升壓之諧振轉換器效率表(50Hz) 51

[1] 粱適安，交換式電源供應器之理論與實務設計，全華科技圖書股份有限公司，民八十八年九月。
[2] J. E. Baggio, H. L. Hey, H. A. Gründling, H. Pinheiro, and J. R. Pinheiro, “Discrete Control for Three-Level Boost PFC Converter”, Proc. of Telecommunications Energy Conference, INTELEC 2002, pp. 627-633, September. 2002.
[3] S.Y.（Ron）Hui, Henry Shu-Hung Chung, and Siu-Chung Yip, “A Bidirectional AC-DC Power Converter with Power Factor Correction”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 15, No. 5, pp. 942 -949, September. 2000.
[4] 宋自恆、林慶仁，“功率因數修正電路原理與常用元件規格＂，新電子科技雜誌第217 期，2004。
[5] 呂宜興，不對稱半橋順向式轉換器之分析與設計，國立台灣大學電機工程研究所博士論文，2004。
[6] R. Miftakhutdinov, A. Nemchinov, V. Meleshin, and S. Fradlin, “Modified
Asymmetrical ZVS Half-bridge DC-DC Converter”, Proc. of IEEE APEC, pp. 567-574,1999.
[7] B. Yang, Topology Investigation for front end DC/DC Power Conversion for Distributed Power System, Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical Engineering, 2003.
[8] B. Yang, F.C Lee, A.J Zhang, and G. Huang, “LLC Resonant Converter for Proc. of Front End DC/DC Conversion”, Proc. of IEEE APEC, pp. 1108-1112, 2002.
[9] G. Huang, Alpha J. Zhang, and Yilei Gu, “LLC Series Resonant DC-TO-DC
Converter”, U.S. Patent 6,344,979, 2002.
[10] Bing Lu, Wenduo Liu, Yan Liang, and Fred C. Lee, “Optimal design methodology for LLC resonant converter”, Proc. of IEEE APEC ,pp.533 -538, 2006.
[11] Choi Hangseok, “Analysis and Design of LLC Resonant Converter with Integrated Transformer” Proc. of IEEE APEC,pp.1630-1635, 2007.
[12] “Simplified Analysis and Design of Series-resonant LLC Half-bridge Converter”,I&PC Div. - Off-line SMPS Application Lab.
[13] “SCY99092 Preliminary Datasheet,” ON semiconductor, 2008.
[14] S,Kim and P,N. Enjeti, “A Modular Single-Phase Power-Factor-Correction Scheme With a Harmonic Filtering Function”,IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 50, No. 2, pp. 328-335, April. 2003.
[15] R. L. Steigerwald, “A comparison half-bridge resonant converter topologies” IEEE Trans. Power Electronics, pp.174-182, 1988.
[16] R,Martinez and P,N. Enjeti, “A high-performance single-phaseRectifier with input power factor correction”, IEEE Transactions on Power 64 Electronics, Vol. 11, No. 2, pp. 311-317, March. 1996.
[17] S. Korotkov, V. Meleshin, Al nemchinov, and S. Fraidlin, “Soft-switched asymmetrical half-bridge DC/DC converter: steady-state analysis. An Analysis of Switching Process”, Proc. of IEEE INTELEC, pp. 177-184, 1997.
[18] M. Matsuo, K. Matsui, I. Yamamoto and F. Ueda, “A comparison of various DCDC converters and their application to power factor correction”, Proc. of IEEE Industrial Electronics Society, IECON 2000, Vol. 2, pp. 1007-1013, October. 2000.
[19] 王順忠譯，電力電子學，東華書局，2001。
[20] B,R,Lin and K,C,Chen, “Analysis and Implementation of an asymmetrical half-bridge converter”, Proc. of IEEE PEDS, pp. 407-412, 2006.
[21] G,C, Hsieh, and C,Y, Kuo, “Modeling and design for ZVS asymmetrical half-bridge converter”, Proc. of IEEE TENCON, pp. 1-6, 2005.
[22] 楊國隆、熊高生，Mathcad數學入門導引，文魁出版社，2008。
[23] Simetrix公司，Simetrix訊號模擬軟體AD Plus 學術版手冊，柏際公司代理，2008。