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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:楊琮祐
研究生(外文):Tsung-Yu Yang
論文名稱:高效率共振式直流電源供應器之研製
論文名稱(外文):Study and Implementation of High-Efficiency Resonant Converters for DC Power Supplies
指導教授:莊英俊莊英俊引用關係
指導教授(外文):Ying-Chun Chuang
口試委員:王永山莊宏祥
口試委員(外文):Yung-Shan WangHung-Shiang Chuang
口試日期:2014-07-24
學位類別:碩士
校院名稱:崑山科技大學
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:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:155
中文關鍵詞:柔性切換轉換器倍壓LLC共振式
外文關鍵詞:Soft-switching,ConverterDouble VoltageLLC resonant
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完善的共振式轉換器,包含了電路結構簡單,易於控制,低切換損失,低電磁干擾(EMI),其中還導致吸收到更多增益。
本論文研發高效率共振式轉換器採用改良型串聯負載共振式轉換器為直流電源供應器,改善傳統切換型直流電源供應器的性能。LLC轉換器可做為直流電源供應器,由於低噪音、高功率與高效率。實現零電壓切換(ZVS)的功率開關與零電流切換(ZCS)的整流二極體於滿載時,LLC共振式轉換器操作在串聯共振頻率,由於共振的行為,如果切換頻率小於串聯共振頻率時,所有開關都在零電壓切換時打開與整流二極體在零電流切換時閉合。驗證所提出的一個輸入150 V與輸出 169 W的轉換器做為標準給出模擬結果與實際結果做比較。
提出的LLLC拓樸的能量轉換效率高達98.85%。提出的LLC共振式轉換器具有結構簡單成本低易於控制效率高。它特別適用於能量轉換效率高的電源供應器上。


The well-established advantages of resonant converters, including simplicity of circuit configuration, ease of the control scheme, low switching losses, and low electromagnetic interference (EMI), among others, have led to their attracting more interest. This thesis develops a highly efficient resonant converter with an improved series-loaded resonant converter for dc power supplies to improve the performance of traditional switching-mode dc power supplies. A LLC converter can be used as a dc power supply due to its low EMI noise, high power integration and high efficiency. To realize zero voltage switching (ZVS) for power switches and zero current switching (ZCS) for rectifier diodes at full load, the LLC resonant converter are operated below the series resonant frequency. Based on the resonant behavior, all switches are turned on at ZVS, and rectifier diodes are turned off at ZCS if the switching frequency is less than the series resonant frequency. The feasibility of the proposed converter is verified with a 150 V input and 169 W output prototype. A comparison between the simulations and the practical results is also presented. The energy conversion efficiency of the proposed LLC topology is as high as 98.85%. The proposed LLC resonant converter has a straightforward structure, low cost, easy control, and high efficiency. It is particularly suited to the energy conversion applications in high efficiency dc power supply systems.


中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XVII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 1
1.3 研究綱要 2
第二章 轉換器之介紹 4
2.1 轉換器分類 4
2.2 線性式電源轉換器 11
2.3 切換式電源轉換器 12
第三章 柔性切換轉換器 15
3.1 柔性切換 18
3.2 傳統PWM轉換器 19
3.3 半共振式轉換器 20
3.4 零電流/零電壓切換脈波寬度調變轉換器 23
3.5 零電流/零電壓轉移轉換器 23
第四章 D類共振式轉換器 25
4.1 串聯負載共振式轉換器 28
4.2 並聯負載共振式轉換器 31
4.3 串並聯負載共振式轉換器 35
4.4 串聯負載共振式倍壓型轉換器 39
第五章 高效率共振式直流電源供應器之研製 44
5.1 LLC共振式轉換器之電路架構 44
5.2 LLC共振式倍壓型轉換器之電路架構 45
5.3 LLC共振式轉換器之之工作模式圖 46
5.4 LLC共振式轉換器之公式推導 51
5.5 LLC共振式倍壓型轉換器之工作模式圖 58
5.6 LLC共振式倍壓型轉換器之公式推導 63
5.7 LLC共振轉換器之參數設計 71
5.8 LLC共振式倍壓型轉換器之參數設計 76
第六章 模擬與實驗結果 81
6.1 LLC共振式轉換器之模擬電路參數 81
6.1.1 LLC共振式轉換器之模擬與實際量測結果 83
6.2 LLC共振式倍壓型轉換器之模擬電路參數 113
6.2.1 LLC共振式倍壓型轉換器之模擬與實際量測結果 114
第七章 結論與未來展望 147
7.1 結論 147
7.2 未來展望 147
參考文獻 149
圖目錄
圖2-1 降壓式轉換器(Buck Converter) 5
圖2-2 升壓式轉換器(Boost Converter) 5
圖2-3 降升壓式轉換器(Buck-Boost Converter) 5
圖2-4 邱克式轉換器(C’uk Converter) 5
圖2-5 Sepic Converter 6
圖2-6 Zeta Converter 6
圖2-7 返馳式轉換器(Flyback Converter) 6
圖2-8 順向式轉換器(Forward Converter) 7
圖2-9 推挽式轉換器(Push-Pull Converter) 7
圖2-10 半橋式反流器(Half-Bridge Inverter) 8
圖2-11 全橋式反流器(Full-Bridge Inverter) 8
圖2-12 半橋式共振型反流器(Half-Bridge Resonance Inverter) 8
圖2-13 隔離型半橋式反流器(Isolation Type Full-Bridge Inverter) 8
圖2-14 隔離型全橋式反流器(Isolation Type Full-Bridge Inverter) 9
圖2-15 全橋式全波整流器 10
圖2-16 半橋式全波整流器 10
圖2-17 整流器串接直流/直流轉換器(功因修正電路) 10
圖2-18 基本線性調整器 11
圖2-19 線性電源轉換器 12
圖2-20 基本切換式轉換器(a)主電路圖(b)負載輸出電壓 12
圖2-21 切換式電源轉換器 14
圖3-1 開關切換時產生的電壓、電流突波及損失之示意圖 16
圖3-2 (a)開關切換的瞬間(截止至導通)之電壓電流波形(b)開關切換之瞬時功率損耗 17
圖3-3 開關柔性切換的示意圖 18
圖3-4 零電流共振開關發展過程 20
圖3-5 零電流共振開關 21
圖3-6 零電壓共振開關的發展過程 22
圖3-7 零電壓共振開關 22
圖3-8 零電流切換脈波寬度調變轉換器開關損失圖 23
圖3-9 零電流/零電壓轉移轉換器開關損失圖 24
圖4-1 硬式切換的電壓與電流波形 26
圖4-2 共振式切換的電壓與電流波形 26
圖4-3 共振式轉換器的分類 27
圖4-4 串聯負載共振式轉換器電路圖 28
圖4-5 串聯負載共振式轉換器系統方塊圖 29
圖4-6 電流源驅動整流器 29
圖4-7 電流源驅動整流器電路各元件上的波形 30
圖4-8 D類串聯負載共振式轉換器的頻率響應圖 31
圖4-9 並聯負載共振式轉換器電路圖 32
圖4-10 並聯負載共振式轉換器系統方塊圖 33
圖4-11 電壓源驅動橋式整流器 33
圖4-12 電壓源驅動整流器電路各元件上的波形 34
圖4-13 D類並聯負載共振式轉換器的頻率響應圖 35
圖4-14 串並聯負載共振式轉換器電路圖 36
圖4-15 串並聯負載共振式轉換器系統方塊圖 37
圖4-16 電壓源驅動橋式整流器 37
圖4-17 電壓源驅動整流器電路各元件上的波形 38
圖4-18 D類串並聯負載共振式轉換器的頻率響應圖 39
圖4-19 串聯負載共振式倍壓型轉換器電路圖 40
圖4-20 串聯負載共振式倍壓型轉換器系統方塊圖 40
圖4-21 電流源驅動整流器 41
圖4-22 電流源驅動整流器電路各元件上的波形 42
圖4-23 D類串聯負載共振式倍壓型轉換器的頻率響應圖 43
圖5-1 LLC共振式轉換器的電路架構圖 44
圖5-2 LLC共振式轉換器之基本方塊圖 44
圖5-3 LLC共振式倍壓型轉換器的電路架構圖 46
圖5-4 LLC共振式倍壓型轉換器之基本方塊圖 46
圖5-5 LLC共振式轉換器波形圖 48
圖5-6 LLC共振式轉換器工作模式一 49
圖5-7 LLC共振式轉換器工作模式二 49
圖5-8 LLC共振式轉換器工作模式三 49
圖5-9 LLC共振式轉換器工作模式四 50
圖5-10 LLC共振式轉換器工作模式五 50
圖5-11 LLC共振式轉換器工作模式六 50
圖5-12 導通等效電路 52
圖5-13 導通等效電路 52
圖5-14 導通等效電路 53
圖5-15 導通等效電路 55
圖5-16 導通等效電路 56
圖5-17 導通等效電路 57
圖5-18 LLC共振式倍壓型轉換器波形圖 60
圖5-19 LLC共振式倍壓型轉換器工作模式一 61
圖5-20 LLC共振式倍壓型轉換器工作模式二 61
圖5-21 LLC共振式倍壓型轉換器工作模式三 61
圖5-22 LLC共振式倍壓型轉換器工作模式四 62
圖5-23 LLC共振式倍壓型轉換器工作模式五 62
圖5-24 LLC共振式倍壓型轉換器工作模式六 62
圖5-25 導通等效電路 64
圖5-26 導通等效電路 65
圖5-27 導通等效電路 66
圖5-28 導通等效電路 67
圖5-29 導通等效電路 68
圖5-30 導通等效電路 70
圖5-31 LLC共振式轉換器電壓增益等效電路 71
圖5-32 LLC共振式轉換器電壓增益曲線圖 74
圖5-33 LLC共振式倍壓型轉換器電壓增益等效電路 76
圖5-34 LLC共振式倍壓型轉換器電壓增益曲線圖 79
圖6-1 LLC共振式轉換器電路模擬圖 81
圖6-2 輸入電壓 與輸入電流 實測波形 85
圖6-3 輸入電壓 與輸入電流 模擬波形 85
圖6-4 分壓電容電壓 與分壓電容電流 實測波形 86
圖6-5 分壓電容電壓 與分壓電容電流 模擬波形 86
圖6-6 分壓電容電壓 與分壓電容電流 實測波形 87
圖6-7 分壓電容電壓 與分壓電容電流 模擬波形 87
圖6-8 驅動訊號電壓 與開關電壓 實測波形 88
圖6-9 驅動訊號電壓 與開關電壓 模擬波形 88
圖6-10 開關電壓 與開關電流 實測波形 89
圖6-11 開關電壓 與開關電流 模擬波形 89
圖6-12 驅動訊號電壓 與開關電壓 實測波形 90
圖6-13 驅動訊號電壓 與開關電壓 模擬波形 90
圖6-14 開關電壓 與開關電流 實測波形 91
圖6-15 開關電壓 與開關電流 模擬波形 91
圖6-16 共振槽輸入端電壓 與共振槽電容電流 實測波形 92
圖6-17 共振槽輸入端電壓 與共振槽電容電流 模擬波形 92
圖6-18 共振槽電容電壓 與共振槽電容電流 實測波形 93
圖6-19 共振槽電容電壓 與共振槽電容電流 模擬波形 93
圖6-20 共振槽電感 電壓與共振槽電感電流 實測波形 94
圖6-21 共振槽電感 電壓與共振槽電感 電流模擬波形 94
圖6-22 共振槽電感電壓 與共振槽電感電流 實測波形 95
圖6-23 共振槽電感電壓 與共振槽電感電流 模擬波形 95
圖6-24 共振槽輸入端電壓 與共振槽輸出端電壓 實測波形 96
圖6-25 共振槽輸入端電壓 與共振槽輸出端電壓 模擬波形 96
圖6-26 共振槽輸出端電壓 與共振槽輸出端電流 實測波形 97
圖6-27 共振槽輸出端電壓 與共振槽輸出端電流 模擬波形 97
圖6-28 二極體 與 電壓 與電流 實測波形 98
圖6-29 二極體 與 電壓 與電流 模擬波形 98
圖6-30 二極體 與 電壓 與電流 實測波形 99
圖6-31 二極體 與 電壓 與電流 模擬波形 99
圖6-32 共振槽輸出端電流 與電流 實測波形 100
圖6-33 共振槽輸出端電流 與電流 模擬波形 100
圖6-34 輸出電容電壓 與電流 實測波形 101
圖6-35 輸出電容電壓 與電流 模擬波形 101
圖6-36 輸出電容電壓 與輸出電容電流 實測波形 102
圖6-37 輸出電容電壓 與輸出電容電流 模擬波形 102
圖6-38 輸出電壓 與輸出電流 實測波形 103
圖6-39 輸出電壓 與輸出電流 模擬波形 103
圖6-40 LLC共振式轉換器切換頻率fS =50 時之效率曲線圖 104
圖6-41 LLC共振式轉換器切換頻率fS =60 時之效率曲線圖 105
圖6-42 LLC共振式轉換器切換頻率fS =80 時之效率曲線圖 106
圖6-43 LLC共振式轉換器切換頻率fS =100 時之效率曲線圖107
圖6-44 LLC共振式轉換器切換頻率fS =120 時之效率曲線圖108
圖6-45 LLC共振式轉換器切換頻率fS =140 時之效率曲線圖109
圖6-46 LLC共振式轉換器切換頻率fS =150 時之效率曲線圖110
圖6-47 LLC共振式轉換器的主電路實作照片與驅動電路實作照片
111
圖6-48 LLC共振式倍壓型轉換器電路模擬圖 112
圖6-49 輸入電壓 與輸入電流 實測波形 116
圖6-50 輸入電壓 與輸入電流 模擬波形 116
圖6-51 分壓電容電壓 與分壓電容電流 實測波形 117
圖6-52 分壓電容電壓 與分壓電容電流 模擬波形 117
圖6-53 分壓電容電壓 與分壓電容電流 實測波形 118
圖6-54 分壓電容電壓 與分壓電容電流 模擬波形 118
圖6-55 驅動訊號電壓 與開關電壓 實測波形 119
圖6-56 驅動訊號電壓 與開關電壓 模擬波形 119
圖6-57 開關電壓 與開關電流 實測波形 120
圖6-58 開關電壓 與開關電流 模擬波形 120
圖6-59 驅動訊號電壓 與開關電壓 實測波形 121
圖6-60 驅動訊號電壓 與開關電壓 模擬波形 121
圖6-61 開關電壓 與開關電流 實測波形 122
圖6-62 開關電壓 與開關電流 模擬波形 122
圖6-63 共振槽輸入端電壓 與共振槽電容電流 實測波形 123
圖6-64 共振槽輸入端電壓 與共振槽電容電流 模擬波形 123
圖6-65 共振槽電容電壓 與共振槽電容電流 實測波形 124
圖6-66 共振槽電容電壓 與共振槽電容電流 模擬波形 124
圖6-67 共振槽電感 電壓與共振槽電感電流 實測波形 125
圖6-68 共振槽電感 電壓與共振槽電感 電流模擬波形 125
圖6-69 共振槽電感電壓 與共振槽電感電流 實測波形 126
圖6-70 共振槽電感電壓 與共振槽電感電流 模擬波形 126
圖6-71 共振槽輸入端電壓 與共振槽輸出端電壓 實測波形 127
圖6-72 共振槽輸入端電壓 與共振槽輸出端電壓 模擬波形 127
圖6-73 共振槽輸出端電壓 與共振槽輸出端電流 實測波形 128
圖6-74 共振槽輸出端電壓 與共振槽輸出端電流 模擬波形 128
圖6-75 二極體 電壓 與電流 實測波形 129
圖6-76 二極體 電壓 與電流 模擬波形 129
圖6-77 二極體 電壓 與電流 實測波形 130
圖6-78 二極體 電壓 與電流 模擬波形 130
圖6-79 倍壓電容電壓 與倍壓電容電流 實測波形 131
圖6-80 倍壓電容電壓 與倍壓電容電流 模擬波形 131
圖6-81 倍壓電容電壓 與倍壓電容電流 實測波形 132
圖6-82 倍壓電容電壓 與倍壓電容電流 模擬波形 132
圖6-83 共振槽輸出端電流 與電流 實測波形 133
圖6-84 共振槽輸出端電流 與電流 模擬波形 133
圖6-85 輸出電容電壓 與電流 實測波形 134
圖6-86 輸出電容電壓 與電流 模擬波形 134
圖6-84 輸出電容電壓 與輸出電容電流 實測波形 135
圖6-88 輸出電容電壓 與輸出電容電流 模擬波形 135
圖6-89 輸出電壓 與輸出電流 實測波形 136
圖6-90 輸出電壓 與輸出電流 模擬波形 136
圖6-91 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =50 時之效率曲線圖 137
圖6-92 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =60 時之效率曲線圖 138
圖6-93 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =80 時之效率曲線圖 139
圖6-94 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =100 時之效率曲線圖 140
圖6-95 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =115 時之效率曲線圖 141
圖6-96 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =120 時之效率曲線圖 142
圖6-97 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =140 時之效率曲線圖 143
圖6-98 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =150 時之效率曲線圖 144
圖6-99 LLC共振式倍壓型轉換器的主電路實作照片與驅動電路實作照片 145
表目錄
表2-1 線性電源轉換器與切換式電源轉換器優缺點比較 13
表5-1 LLC共振式轉換器電路設計之參數 75
表5-2 LLC共振式倍壓型轉換器電路設計之參數 80
表6-1 LLC共振式轉換器元件規格 82
表6-2 LLC共振式轉換器電路模擬與實際測量電路參數 82
表6-3 LLC共振式轉換器切換頻率fS =50 時之數值 104
表6-4 LLC共振式轉換器切換頻率fS =60 時之數值 105
表6-5 LLC共振式轉換器切換頻率fS =80 時之數值 106
表6-6 LLC共振式轉換器切換頻率fS =100 時之數值 107
表6-7 LLC共振式轉換器切換頻率fS =120 時之數值 108
表6-8 LLC共振式轉換器切換頻率fS =140 時之數值 109
表6-9 LLC共振式轉換器切換頻率fS =150 時之數值 110
表6-10 LLC共振式倍壓型轉換器元件規格 112
表6-11 LLC共振式倍壓型轉換器電路模擬與實際測量電路參數113
表6-12 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =50 時之數值 137
表6-13 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =60 時之數值 138
表6-14 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =80 時之數值 139
表6-15 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =100 時之數值 140
表6-16 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率 fS =115 時之數值141
表6-17 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =120 時之數值 142
表6-18 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =140 時之數值 143
表6-19 LLC共振式倍壓型轉換器切換頻率fS =150 時之數值 144

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