臺灣博碩士論文加值系統

本文旨在研製以氮化鎵(GaN)功率電晶體為基礎之準諧振返馳式轉換器(quasi-resonant flyback)，將功率因數修正器(PFC)輸出高壓直流電源轉換為低壓直流電源，經同步整流後用以供給負載使用。本文採用氮化鎵功率電晶體作為開關元件，該元件具有高耐壓、低切換損失、低導通損失，提高開關切換頻率及縮小磁性元件體積，節省電路成本。本文採用高性能且低成本之準諧振反馳式轉換器控制晶片(NCP1344)為控制核心，利用其電壓波谷偵測特性達到零電壓切換(ZVS)，降低切換損失、提高效率及低輸出電壓漣波之特點，該架構具有低成本及架構簡單等優勢。本文完成100W之電源轉換器，切換頻率為100kHz，額定輸出直流電壓20V，最高效率可達91.09%且提供穩定之直流電源輸出。

This thesis presents the design and implementation of the gallium-nitride (GaN) power transistor based quasi-resonant flyback converters. In this system, a quasi-resonant flyback converter is implemented to convert dc power from power factor corrector (PFC) with higher-voltage to lower-voltage via synchronous rectification to loads. The GaN power transistors are used in the converter due to the characteristics such as high breakdown voltage, low switching and conduction losses to increase switching frequency and reduce magnetic component size, and thus save the circuit costs. The quasi-resonant flyback converter operated under zero-voltage-switching(ZVS) using voltage valley detection can provide a dc source with low switching loss, high efficiency and low output ripple power. Then, a high-performance and low-cost controller (NCP1344) is used to control the system for reducing the circuit complexity. A prototype of 100 W flyback converter is developed with GaN power transistor with 100kHz switching frequency, while the rated output voltage is 20V. Besides, the experimental data show that the overall efficiency is 92%, which justify the performance of the proposed converter.

目錄
明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員會審定書 ii
誌謝 iii
摘要 iv
ABSTRACT v
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的與方法 1
1.3 文獻探討 2
1.4 章節介紹 6
第二章 氮化鎵功率電晶體 7
2.1功率電晶體元件簡介 7
2.2 氮化鎵功率電晶體之結構原理分析 9
第三章 準諧振返馳式轉換器 11
3.1 準諧振轉換器控制架構 11
3.2 準諧振返馳式轉換器之工作原理 14
第四章 實體製作 23
4.1 變壓器之設計 23
4.1.1 變壓器鐵芯選擇 25
4.1.2 變壓器繞組導線選擇 27
4.1.3 變壓器繞組損失估算 28
4.2 準諧振返馳式轉換器之續流二極體選用及緩衝電路設計 31
4.3 準諧振返馳式轉換器之同步整流設計 34
4.4 準諧振返馳式轉換器之諧振電路設計 35
4.5 準諧振返馳式轉換器之輸出電容設計 38
4.6 準諧振返馳式轉換器之初級側功率電晶體損耗估算 40
第五章 實測結果 42
第六章 結論與未來發展方向 50
6.1 結論 50
6.2 未來發展方向 50
參考文獻 51
附錄 54

圖目錄
圖1.1 返馳式轉換器電路架構 3
圖1.2 矽材料、碳化矽及氮化鎵元件性能及應用定位[8] 4
圖1.3 低責任週期應用之整體效率與損耗[9] 5
圖1.4 高責任週期應用之整體效率與損耗[9] 5
圖2.1 各種矽功率元件操作範圍及其應用領域[11] 7
圖2.2 二維電子氣現象示意圖[12] 9
圖2.3 蕭基能障現象[15] 10
圖2.4 歐姆接面現象[15] 10
圖3.1 準諧振返馳式轉換器電路 11
圖3.2 功率電晶體之VDS波谷偵測工作狀態波形圖[16] 13
圖3.3 準諧振返馳式轉換器電壓、電流標示 14
圖3.4 準諧振返馳式轉換器架構工作狀態波形。 15
圖3.5 準諧振返馳式轉換器電路狀態(t0≤ t ≤ t1) 16
圖3.6 準諧振返馳式轉換器電路狀態(t1≤ t ≤ t2) 17
圖3.7 準諧振返馳式轉換器電路狀態(t2≤ t ≤ t3) 18
圖3.8 準諧振返馳式轉換器電路狀態(t3≤ t ≤ t4) 19
圖4.1 鐵芯之磁通密度-磁場強度曲線圖 26
圖4.2 鐵芯之導磁係數與溫度曲線圖 26
圖4.3 續流二極體接線方式 31
圖4.4 緩衝電路(Snubber)示意圖 32
圖4.5 氮化鎵功率電晶體之元件寄生電容等效電路 35
圖5.1 準諧振返馳式轉換器電路架構於無載狀態之切換波形(無波谷切換) 43
圖5.2 準諧振返馳式轉換器電路架構於輸出功率22.5W之波谷切換波形 43
圖5.3 準諧振返馳式轉換器電路架構於輕載狀態之動作狀態切換模式圖 44
圖5.4 準諧振返馳式轉換器電路架構於滿載狀態之動作狀態切換模式圖 45
圖5.5 準諧振返馳式轉換器電路架構於輕載狀態之輸出電壓-電流波圖 45
圖5.6 準諧振返馳式轉換器電路架構於滿載狀態之輸出電壓-電流波圖 46
圖5.7 輸入交流110V準諧振返馳式轉換器於輕載狀態下之電路效率比較 47
圖5.8 輸入交流220V準諧振返馳式轉換器於輕載狀態下之電路效率比較 47
圖5.9 輸入交流110V準諧振返馳式轉換器於滿載狀態下之電路效率比較 48
圖5.10 輸入交流220V準諧振返馳式轉換器於滿載狀態下之電路效率比較 48

表目錄
表1.1 三代半導體之元件材料特性[8] 4
表2.1 各項材料元件優勢比較 8
表4.1 PC44材質鐵芯之飽和磁通密度(Bsat)[18] 23
表4.2 PQ32/20鐵芯之規格[19] 25
表4.3 GS-065-011-1-L氮化鎵功率電晶體相關參數[25] 37
表5.1 元件型號及系統參數 42
附表1 無SR同步整流之電路效率(輸入電壓110V) 55
附表2 無SR同步整流之電路效率(輸入電壓220V) 56
附表3 SR同步整流之電路效率(輸入電壓110V) 57
附表4 SR同步整流之電路效率(輸入電壓220V) 58

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