臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出新型適應式變頻控制架構，是以偵測輸出漣波電壓峰值方式，來控制同步整流降壓型轉換器之切換頻率；當漣波電壓峰值大於設定值時，則提高轉換器之切換頻率，藉以降低輸出漣波電壓；反之，當漣波電壓峰值小於設定值電壓，則降低切換頻率，使漣波電壓峰值保持在設定電壓值。藉由MOSFET損失分析得知，其切換損失與轉換器操作頻率相關；藉由漣波電壓峰值控制頻率的方式，將輸出漣波電壓峰值控制在規格(本文規格訂為1V±5 %)上限之內，可降低切換頻率達到減少切換損失。經由實驗證實在相同功率元件條件下，其效率比傳統型轉換器提升3 %，本文控制方式另一優點為輸出電壓將不受到被動元件誤差所影響，經由頻率動態調整可避免電感感量誤差之問題(一般誤差為20~30 %)、以及電感操作接近飽和時之問題。

The thesis proposes a novel switching frequency control method adaptive for output ripple voltage used in synchronous rectified buck converter. With the proposed control method, switching frequency is modulated higher as output peak ripple voltage is lower than the predetermined voltage, and vice versa. The MOSFET power losses analysis shows that switching losses are affected by switching frequency. Therefore, the switching frequency control adaptive for ripple peak voltage can keep the output ripple voltage under specification 1V±5 % and reduce the switching frequency to increase 3 % efficiency compared to traditional synchronous buck converter. This control method has another advantages including the output ripple voltage will not be affected by the element tolerance and the inductor tolerance (20~30%) and inductor saturation problems are escaped.

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與背景 1
1.2 研究內容 2
1.3 論文內容大綱 3
第二章 線性與切換式降壓型轉換器分析 4
2.1 線性直流降壓型轉換器 5
2.2 傳統降壓型轉換器 5
2.2.1 傳統降壓型轉換器分析 6
2.2.2 傳統降壓型轉換器之優缺點 9
2.3 同步整流降壓型轉換器 9
2.3.1 同步整流降壓型轉換器分析 10
2.3.2 同步整流降壓型轉換器之優缺點 14
2.3.3 同步整流降壓型轉換器之延伸應用 14
第三章 轉換器開關元件之探討與分析 16
3.1 功率開關元件MOSFET介紹 16
3.1.1 MOSFET物理構造 17
3.1.2 MOSFET簡化等效模型 18
3.2 MOSFET參數介紹 19
3.2.1 導通電阻 19
3.2.2 門檻電壓 20
3.2.3 寄生電容 20
3.2.4 閘極電荷 22
3.2.5 寄生二極體逆向恢復 23
3.2.6 上升/下降與延遲時間 24
3.3 MOSFET在轉換器中的動作分析 26
3.3.1 MOSFET導通暫態分析 26
3.3.2 MOSFET截止暫態分析 31
3.4 MOSFET損失之探討與分析 35
3.4.1 上臂開關損失 35
3.4.2 下臂開關損失 37
3.4.3 其它損失 40
3.4.4 MOSFET之損失分佈分析 42
第四章 節能控制技術探討 44
4.1 轉換器工作模式 44
4.2 轉換器之節能技術探討 45
4.2.1 電感器反向電流偵測機制 45
4.2.2 輕載省電技術 46
4.3 轉換器控制模式 47
4.3.1 電壓模式控制 47
4.3.2 電流模式控制 48
4.3.3 適應式固定導通時間控制 49
第五章 新式漣波電壓調變切換頻率控制技術 52
5.1 漣波電壓控制轉換器操作頻率之概念 53
5.2 頻率調變控制電路之原理與分析 55
5.3 漣波電壓控制頻率之優缺點 57
第六章 實驗數據與波形 58
6.1 實驗條件 58
6.2 電路量測波形圖 59
6.3 切換頻率與負載電流關係 63
6.4 切換頻率與輸出漣波電壓關係 63
6.5 切換頻率與轉換器效率關係 64
第七章 結論與未來展望 66
7.1 結論 66
7.2 未來展望 66
參考文獻 68

[1]梁適安，交換式電源供給器之理論與實務設計，台北：全華圖書公司，1994
[2]江炫樟，電力電子學，台北：全華圖書公司，2004.
[3]鈴木正太郎，On-Board電源設計活用手冊，台北：全華圖書公司，2007
[4]C. M. Wang, “Novel zero-voltage-transition PWM DC-DC converters,” IEEE Trans. on Ind. Electron., vol. 53, no. 1, pp. 254- 262, Feb. 2006.
[5]Z. Zhang, W. Eberle, Y. F. Liu, and P. C. Sen, “A nonisolated ZVS asymmetrical buck voltage regulator module with direct energy transfer,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 8, pp.3096–3105,Aug. 2009.
[6]G. Moschopoulos, P. Jain, G. Joos, and Y. F. Liu, “A zero voltage switched PWM boost converter with an energy feedforward auxiliary circuit,” IEEE Trans., Power Electron., vol.14, no.4, pp.653-662, Jul.1999.
[7]“Use Gate Charge to Design the Gate Driver Circuit for Power MOSFETs and IGBTs,” INTERNATIONAL RECTIFIER SEMICONDUCTOR, AN944, pp.1 -4, Dec.2005.
[8]V. Barkhordarian, “Power MOSFET Basics, ”INTERNATIONAL RECTIFIER SEMICONDUCTOR.
[9]“MOSFET Basics,” FAIRCHILD SEMICONDUCTOR, AN9010, pp.14 -24, Jul. 2000.
[10]S. B. Tseng, “Optimization of Power MOSFET for High-Frequency SBC”, May. 2011.
[11]K. Shebai and B. J. Balga, “Monolithically integrated power MOSFET and schottky diode with improved reverse recovery characteristics,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 37, no.4, pp1167-1169, Apr.1990.
[12]Z. Yang, S. Ye and Y. F. Liu, “A new resonant gate drive circuit for synchronous buck converter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 4, pp.1311 -1320, Jul. 2007.
[13]“Synchronous buck MOSFET loss calculations with Excel model,” FAIRCHILD SEMICONDUCTOR, AN6005, pp.1 -5, Apr. 2006.
[14]“MOSFET Power Losses Calculations Using the Data-Sheet Parameters,” INFINEON SEMICONDUCTOR, pp.3 -17, Jul. 2006.
[15]Designing Fast Response Synchronous Buck Regulators Using the TPS5210, 1999.
[16]“Adaptive Constant On-Time(D-CAPTM)Control Study in Notebook Applications,” TEXAS INSTRUMENTS, SLVA281B, pp.1-8, Jul. 2007
[17]R. Miftakhutdinov, “An analytical comparison of alternative control techniques for powering next-generation microprocessors,” Power Supply Design Sem., Texas Instruments, 2001.
[18]L. Malesani and P. Tenti, “A novel hysteresis control method for current controlled VSI PWM inverters with constant modulation frequency,” IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 26, pp. 88-92, Jan. 1990.
[19]M. Castilla, L. Garca de Vicua, J. M. Guerrero, J. Miret, and N. Berbel “Simple low-cost hysteretic controller for single-phase synchronous buck converters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 4, pp.1232 -1241,Jul. 2007.
[20]W. Gu and I. Batarseh, “Interleaved synchronous buck regulator with hysteretic voltage control,” in Proc. IEEE Power Electron. Soc. Conf. pp.1512 -1516,Jun. 2001.
[21]S. C. Tan, Y. M. Lai, M. K. Cheung, and C. K. Tse, “On the practical design of a sliding mode voltage controlled buck converter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 20, no. 2, pp.425 -437, Mar. 2005.
[22]R. Redl and J. Sun, “Ripple-based control of switching regulators -an overview,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 12, pp.2669-2680, Dec. 2009.
[23]J. Sun, “Characterization and performance comparison of ripple based control for voltage regulator modules,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 21, no. 2, pp. 346-353, Mar. 2006.
[24]RICHTEK Semiconductor, “RT8238 Single Synchronous Buck PWM Controller”, Data Sheet, 2011.
[25]“Test Circuits for measuring FET capacitances,” http://www.engr.uky.edu.
[26]蘇暉發，新式切換頻率調變控制技術之同步整流降壓型轉換器的研製，碩士論文，國立臺北科技大學電機工程系研究所，台北，2010。
[27]王冠盛，同步整流順向轉換器的製作及特性改善，碩士論文，國立台灣科技大學電機工程系研究所，台北，2006。
[28]林昭雄，電壓模式控制互補式金氧半導體脈波寬度調變切換式降壓穩壓設計，碩士論文，國立成功大學電機工程系研究所，台南，2006。
[29]趙格汎，切換式電源轉換器之控制器設計，碩士論文，逢甲大學資訊電機工程系研究所，台中，2008。
[30]楊程富，磁性元件B-H特性量測電路研製，碩士論文，國立中正大學電機工程研究所，嘉義，2009。