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研究生:林佳勳
研究生(外文):Jia-Syun Lin
論文名稱:高增益之切換耦合電感切換電容式升壓型直流轉換器的設計與實作
論文名稱(外文):Design and Implementation of A High-Gain Switched-Coupled-Inductor Switched-Capacitor Step-Up DC-DC Converter
指導教授:張原豪張原豪引用關係
指導教授(外文):Yuen-Haw Chang
口試委員:余昌峰林坤緯
口試委員(外文):Chang-Feng YuKun-Wei Lin
口試日期:2016-06-16
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:資訊工程系
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:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:145
中文關鍵詞:高增益切換式耦合電感(SCI)切換式電容(SC)脈波寬度調變(PWM)升壓轉換器
外文關鍵詞:high-gainswitched-coupled-inductorswitched-capacitorpulse-width-modulationstep-up converter
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本篇提出閉迴路設計之高增益之切換耦合電感切換電容式升壓型直流轉換器(A High-Gain Switched-Coupled-Inductor Switched- Capacitor Step-Up Converter, SCISC)設計與實作,並結合鋸齒波產生器和脈波寬度調變技術(Pulse-Width-Modulation, PWM)的補償器以及非重疊電路,以進行控制整個電路升壓轉換率與電壓調節。在本文提出的電力轉換電路中包含了兩個子電路:(i)切換耦合電感(SCI)升壓電路,(ii)三階段切換電容(SC)倍壓電路。理論上,SCI升壓電路中,藉由箝位電容與耦合電感匝數比可提供(2+n-D)/(1-D)VS電壓增益,然後透過SC三倍壓電路,使整體升壓增益最多可以達到3(2+n-D)/(1-D)VS,而D代表的是SCI電路中MOSFET的Duty-Cycle。實際上,當SCISC的Duty-Cycle大約在0.6及匝數比等於4時,可以達到37倍升壓。在此,本論文採用PWM技術,透過閉迴路補償實際電壓值與期望電壓值之間的誤差以增強輸出的調整能力,也針對了負載變動與電源變動下加強輸出的強健性。此閉迴路SCISC的設計使用了OrCAD Pspice進行電路模擬並了幾個例子,如穩態輸出電壓轉換、電源雜訊抑制能力或負載變動以及參考電壓變動時轉換器的調節能力。最後實作電路,以證實本文提出轉換器的可行性。
A closed-loop high-gain switched-coupled-inductor switched-capacitor (SCISC) converter is proposed by combining a sawtooth wave generator, pulse-width-modulation-based (PWM- based) compensator and non-overlapping circuit for step-up DC-DC conversion and regulation. The power part between source VS and output VO contains two sub-circuits: (i) a switched- coupled-inductor (SCI) booster circuit, and (ii) a three-stage switched-capacitor (SC) tripler circuit. With the help of a clamping capacitor and a coupled-inductor with the turn ratio n, this SCI booster can provide the voltage of (2+n-D)/(1-D)VS theoretically, where D means the duty cycle of the MOSFET. And then by using the SC tripler, the overall step-up gain can reach to 3(2+n-D)/(1-D) at most. Practically, this SCISC can boost the voltage gain up to 37 when D=0.6, n=4. Further, the PWM technique is adopted not only to enhance the output regulation for the compensation of the dynamic error between the practical and desired outputs, but also to reinforce output robustness against source or loading variation. Finally, the closed-loop SCISC is designed by OrCAD SPICE and simulated for some cases: steady-state and dynamic responses. All results are illustrated to show the efficacy of the proposed scheme.
目錄
中文摘要 ............................................................................................................ I
Abstract ............................................................................................................ II
誌謝 .................................................................................................................. III
目錄 .................................................................................................................. IV
表目錄 ............................................................................................................ VIII
圖目錄 .............................................................................................................. IX
第一章 前言 ..................................................................................................... 1
1.1 研究動機 .............................................................................................. 1
1.2 研究背景 .............................................................................................. 4
1.3 研究目的 .............................................................................................. 7
1.4 本文架構 .............................................................................................. 8
第二章 電源轉換電路介紹 .............................................................................. 9
2.1 簡介...................................................................................................... 9
2.1.1 電力電子技術範圍..................................................................... 9
2.1.2 典型電力電子系統................................................................... 10
2.1.3 電力電子轉換器之類型 ........................................................... 11
2.2 電力電子轉換器之分類 .................................................................... 13
2.2.1 直流轉換之特性....................................................................... 15
2.2.2 切換電容式升壓架構 ............................................................... 18
2.2.3 切換式電感升壓架構 ............................................................... 20
2.2.4 升壓電路特性比較................................................................... 22
2.3 脈波調變器種類 ................................................................................ 24
2.3.1 脈波寬度調變 .......................................................................... 24
2.3.2 脈波頻率調變 .......................................................................... 25
2.3.3 脈波寬度調變與脈波頻率調變之比較 ................................... 26
第三章 切換式耦合電感與電容架構之升壓轉換器原理與架構.................. 27
3.1 簡介.................................................................................................... 27
3.2 基本分析 ............................................................................................ 28
3.2.1 可控式功率元件....................................................................... 28
3.2.2 電磁干擾 .................................................................................. 32
3.3 升壓轉換電路 .................................................................................... 34
3.4 高增益切換式耦合電感與電容架構之升壓電之架構......................37
3.5 基本切換電容式與 Boost Converter 之工作原理 ........................... 40
3.6 切換式耦合電感與切換式電容為架構之升壓轉換器工作原理 ...... 43
3.7 升壓轉換電路特性 ............................................................................ 45
3.8 升壓轉換電路特性 ............................................................................ 45
3.8.1 寄生元件效應 .......................................................................... 45
3.8.2 切換頻率 .................................................................................. 46
3.8.3 動態響應 .................................................................................. 47
第四章 切換式耦合電感與電容架構之升壓電路模擬 ................................. 48
4.1 簡介.................................................................................................... 48
4.2 穩態模擬 ............................................................................................ 49
4.3 動態模擬 ............................................................................................ 71
4.3.1 電源瞬降模擬 .......................................................................... 72
4.3.2 電源抖動模擬 .......................................................................... 77
4.3.3 負載變動模擬 .......................................................................... 82
4.3.4 參考電壓變動模擬................................................................... 92
4.4 模擬結果統計 .................................................................................... 95
4.4.1 升壓轉換之轉換效率對參考電壓統計圖................................ 95
4.4.2 升壓轉換之輸出漣波對參考電壓統計圖................................ 95
第五章 切換式耦合電感與電容架構之直流升壓轉換器電路實作與實驗結
果 ..................................................................................................................... 97
5.1 簡介.................................................................................................... 97
5.2 電路實作 ............................................................................................ 97
5.3 穩態實驗 ............................................................................................ 99
5.4 動態實驗 .......................................................................................... 106
5.4.1 電源瞬降變動實驗................................................................. 107
5.4.2 輸入抖動電壓變動之實驗 ..................................................... 111
5.4.3 輸出負載變動之實驗 ............................................................. 114
第六章 結論 ................................................................................................. 118
參考文獻 ....................................................................................................... 120
附錄 A:參與香港研討會之心得與相關資料 ............................................. 123
附錄 B:下線報告(控制晶片設計) .............................................................. 133
表目錄
表 2-1 電力電子系統方塊描述 ........................................................................ 11
表 2-2 二種電源轉換器之性能比較 ................................................................ 23
表 3-1 可控式開關特性比較 ............................................................................ 32
表 4-1 轉換器模擬元件規格與穩態模擬參數表 ............................................ 48
表 4-2 各項電路條件統計表 ............................................................................ 70
表 4-3 轉換器模擬元件規格與電源變動模擬參數表 .................................... 71
表 4-4 轉換器模擬元件規格與負載變動模擬參數表 .................................... 82
表 4-5 轉換器模擬元件規格與參考電壓變動模擬參數表 ............................ 92
表 5-1 直流升壓轉換器實作電路靜態實驗參數與元件規格 ........................ 99
表 5-2 DC-DC 升壓轉換器實作電路動態實驗參數與元件規格 ................. 106
圖目錄
圖 1-1 電感諧振式升壓轉換架構 ...................................................................... 3
圖 1-2 切換電容式升壓轉換架構 ...................................................................... 3
圖 1-3 反馳式電力轉換架構 .............................................................................. 3
圖 2-1 電力電子技術領域................................................................................. 10
圖 2-2 電力電子系統架構................................................................................. 11
圖 2-3 電力轉換器方塊圖................................................................................. 12
圖 2-4 直流轉換器之分類................................................................................. 13
圖 2-5 隔離型電源轉換架構示意圖 ................................................................ 15
圖 2-6 非隔離型電源轉換架構示意圖 ............................................................ 15
圖 2-7 電荷泵轉換器動作示意圖 .................................................................... 18
圖 2-8 電感諧振式轉換器動作示意圖 ............................................................ 20
圖 2-9 脈波寬度調變電路................................................................................. 24
圖 3-1 典型電源轉換系統................................................................................. 27
圖 3-2 功率開關元件控制特性 ........................................................................ 28
圖 3-3 可控式開關電路符號 ............................................................................ 30
圖 3-4 典型之採樣開關電路 ............................................................................ 30
圖 3-5 採樣開關電路之操作 ............................................................................ 31
圖 3-6 切換式電容升壓轉換器 ........................................................................ 34
圖 3-7 電感式諧振電路..................................................................................... 35
圖 3-8 電感式諧振電路之電感電流工作模式 ................................................ 36
圖 3-9 閉迴路之高增益切換耦合電感與切換電容升壓轉換電路架構圖 .... 37
圖 3-10 控制電路的詳細邏輯電路圖 .............................................................. 38
圖 3-11 非重疊之時脈信號理論波型............................................................... 39
圖 3-12 切換式耦合電感與切換式電容直流升壓轉換器之理論波型圖 ...... 40
圖 3-13 切換式電容升壓轉換器基本示意圖 .................................................. 41
圖 3-14 切換式電感升壓轉換器基本示意圖 .................................................. 42
圖 3-15 切換式耦合電感與切換式電容為架構直流升壓轉換器 .................. 43
圖 3-16 轉換器操作等效電路 .......................................................................... 44
圖 3-17 寄生元件對電壓增益轉移比例之影響 .............................................. 46
圖 4-1 穩態負載 700Ω 模擬之參考電壓 190V ............................................... 51
圖 4-2 穩態負載 700Ω 模擬之參考電壓 170V ............................................... 53
圖 4-3 穩態負載 700Ω 模擬之參考電壓 150V ............................................... 54
圖 4-4 穩態負載 700Ω 模擬之參考電壓 130V ............................................... 56
圖 4-5 穩態負載 500Ω 模擬之參考電壓 190V ............................................... 58
圖 4-6 穩態負載 500Ω 模擬之參考電壓 170V ............................................... 59
圖 4-7 穩態負載 500Ω 模擬之參考電壓 150V ............................................... 61
圖 4-8 穩態負載 500Ω 模擬之參考電壓 130V ............................................... 63
圖 4-9 穩態負載 300Ω 模擬之參考電壓 190V ............................................... 64
圖 4-10 穩態負載 300Ω 模擬之參考電壓 170V ............................................. 66
圖 4-11 穩態負載 300Ω 模擬之參考電壓 150V ............................................. 68
圖 4-12 穩態負載 300Ω 模擬之參考電壓 130V ............................................. 69
圖 4-13 動態電源變動模擬之參考電壓 190V ................................................ 73
圖 4-14 動態電源變動模擬之參考電壓 170V ................................................ 74
圖 4-15 動態電源變動模擬之參考電壓 150V ................................................ 75
圖 4-16 動態電源抖動模擬之參考電壓 190V ................................................ 78
圖 4-17 動態電源抖動模擬之參考電壓 170V ................................................ 79
圖 4-18 動態電源抖動模擬之參考電壓 150V ................................................ 80
圖 4-19 動態二倍重負載變動模擬之參考電壓 190V .................................... 84
圖 4-20 動態二倍重負載變動模擬之參考電壓 170V .................................... 85
圖 4-21 動態二倍重負載變動模擬之參考電壓 150V .................................... 86
圖 4-22 動態三倍重負載變動模擬之參考電壓 190V .................................... 88
圖 4-23 動態三倍重負載變動模擬之參考電壓 170V .................................... 89
圖 4-24 動態三倍重負載變動模擬之參考電壓 150V .................................... 90
圖 4-26 動態參考電壓變動模擬之參考電壓 150V→180V→150V .............. 93
圖 4-27 動態參考電壓變動模擬之參考電壓 190V→160V→190V .............. 94
圖 4-27 升壓轉換之輸出電壓對參考電壓統計圖 .......................................... 96
圖 4-28 升壓轉換之轉換效率對參考電壓統計圖 .......................................... 96
圖 4-29 升壓轉換之輸出漣波對參考電壓統計圖 .......................................... 96
圖 5-1 本文 DC-DC 升壓轉換器實作電路 ..................................................... 98
圖 5-2 穩態電壓轉換之參考電壓 120V ........................................................ 100
圖 5-3 穩態電壓轉換之參考電壓 140V ........................................................ 101
圖 5-4 穩態電壓轉換之參考電壓 155V ........................................................ 102
圖 5-5 穩態電壓轉換之參考電壓 160V ........................................................ 103
圖 5-6 穩態電壓轉換之參考電壓 180V ........................................................ 104
圖 5-7 穩態電壓轉換之參考電壓 195V ........................................................ 105
圖 5-8 電源瞬降之參考電壓 140V................................................................. 107
圖 5-9 電源瞬降之參考電壓 160V................................................................. 108
圖 5-10 電源瞬降之參考電壓 180V............................................................... 109
圖 5-11 電源瞬降之參考電壓 195V ............................................................... 110
圖 5-12 電源抖動之參考電壓 140V............................................................... 111
圖 5-13 電源抖動之參考電壓 180V............................................................... 112
圖 5-14 電源抖動之參考電壓 195V............................................................... 113
圖 5-15 輸出電壓變化之參考電壓 140V ...................................................... 114
圖 5-16 輸出電壓變化之參考電壓 160V ...................................................... 114
圖 5-17 輸出電壓變化之參考電壓 180V ...................................................... 115
圖 5-18 輸出電壓變化之參考電壓 195V ...................................................... 115
圖 5-19 輸出電壓變化之參考電壓 140V ...................................................... 116
圖 5-20 輸出電壓變化之參考電壓 160V ...................................................... 116
圖 5-21 輸出電壓變化之參考電壓 190V ...................................................... 117
圖 5-22 輸出電壓變化之參考電壓 195V ...................................................... 117
參考文獻
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