臺灣博碩士論文加值系統

本文提出一個嶄新的零電壓切換順向式轉換器，其電路結構是由兩個順向式轉換器單元經由串聯輸入端及並聯輸出端的架構所組成，兩個單元以交錯式PWM操作。
嶄新轉換器具有下列特點：輸入端採串聯式連接，當高輸入電壓應用時，串聯架構能夠分擔輸入電壓，故開關元件具有低電壓應力。輸出端採並聯式連接，當高輸出電流應用時，具有分擔輸出電流的作用，同時可分散磁性元件與半導體元件的功率損失及熱應力。利用開關的輸出電容與共振電感所組成共振電路，在開關轉態時區導入零電壓切換技術，使開關都能達到零電壓切換操作，減少切換損失，以提升整體效率。由於交錯式PWM操作，使輸出電感電流具有漣波相消的效果，減少輸出電容的電流漣波，因此可減小輸出電感與輸出濾波電容的大小。此轉換器使用一個輔助二極體，使串聯的變壓器達到磁通重置的功能。
綜合以上特點，此嶄新的DC-DC轉換器適用於高輸入電壓、高輸出電流、高功率及高效率之應用。本文對此轉換器作詳細的電路分析，提出轉換器元件設計上的考量，並且以軟體IsSpice作模擬驗證，最後設計穩壓控制器，消除輸入電壓及負載變動對輸出電壓的影響，使輸出達到穩壓性能。
本文實作一組輸入電壓400V、輸出電壓48V、最大輸出功率960W，開關切換頻率100kHz之轉換器，最高轉換效率達93.8%，並且以模擬與實作結果驗證理論分析之正確性。

A new zero-voltage-switching (ZVS) forward converter is proposed in this thesis. The converter is composed of two forward converter cells with series-connected on the input side and parallel-connected on the output side. The two cells are driven by the interleaved PWM operation.
The novel converter has the following characteristics. The series input architecture can achieve input voltage sharing to reduce the voltage stresses of power switches. The parallel output architecture can achieve output current sharing to distribute power losses and thermal stresses of the transformers and semiconductors. The output capacitances of two switches and resonant inductance are resonant during the transition interval of two switches to achieve the ZVS operation for the power switches. The switching loss is thereby reduced to improve the conversion efficiency. The interleaved PWM operation can result in the inductor current ripple cancellation, such that the current ripple in the output capacitor is reduced. Accordingly, the size of output inductors and capacitor can be smaller. The flux resetting feature of two transformers is achieved by only an auxiliary diode.
All these features suggest that the proposed converter is suitable for high input voltage, high output current, high power and high efficiency applications. The operating principles and design considerations of the converter are proposed and the simulation software IsSpice is utilized for verification. Finally, a type III controller is designed to diminish the effect of the variations of input voltage and load on the output voltage.
A 960W experimental prototype with 400V input and 48V output operating at a switching frequency 100kHz is built. The measured maximal efficiency is 93.8%. The results of simulation and experiments are presented to verify the theoretical analysis.

中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 X
第一章 緒論 1-1
1.1 研究背景與動機 1-1
1.2 研究內容與成果 1-4
1.3 研究步驟 1-5
1.4 相關文獻回顧 1-7
1.5 論文章節大綱 1-9
第二章 柔性切換技術與交錯式技術之介紹 2-1
2.1 柔性切換 2-1
2.2 交錯式技術 2-7
第三章 順向式轉換器之發展 3-1
3.1 順向式轉換器之磁通重置 3-1
3.2 交錯式串聯輸入並聯輸出順向式轉換器之電路動作分析 3-9
第四章 嶄新轉換器之設計理念與電路分析 4-1
4.1 SIPO-ZVSFC轉換器設計理念 4-1
4.2 SIPO-ZVSFC轉換器電路組成 4-3
4.3 轉換器電路動作分析 4-4
第五章 轉換器系統設計 5-1
5.1 元件值設計 5-1
5.2 驅動電路設計 5-10
5.3 控制器設計 5-13
第六章 實作成果 6-1
6.1 IsSpice模擬與實作波形驗證 6-1
6.2 轉換器的輸出穩壓性能 6-7
6.3 轉換器效率量測與損失估計 6-8
6.3.1 轉換器效率量測 6-8
6.3.2 損失估計 ..6-10
6.3.3 轉換器實作照片 ..6-19
附錄 不同負載之IsSpice模擬與實作波形驗證 6-21
第七章 結論與未來展望 7-1
7.1 結論 7-1
7.2 未來展望 7-1
參考文獻 Ref-1

圖目錄
圖1.1 能源之星與80 PLUS的標章 1-1
圖1.2 雙級式高功因AC-DC轉換器 1-2
圖1.3 分散式電源架構 1-4
圖1.4 論文研究之流程圖 1-6
圖2.1 開關之切換損失 2-1
圖2.2 柔性切換之共振電路架構 2-2
圖2.3 ZVS/ZCS開關電壓/電流波形 2-2
圖2.4 ZVS/ZCS-QRC升壓型轉換器電路 2-3
圖2.5 ZVS/ZCS-QRC之開關電壓/電流波形 2-3
圖2.6 ZVS /ZCS-PWM升壓型轉換器 2-4
圖2.7 ZVS/ZCS-PWM之開關電壓/電流波形 2-4
圖2.8 ZVT/ZCT-PWM升壓型轉換器電路 2-5
圖2.9 ZVT/ZCT-PWM之開關電壓/電流波形 2-6
圖2.10 ZCZVT-PWM升壓型轉換器 2-6
圖2.11 ZCZVT-PWM之開關電壓/電流波形 2-7
圖2.12 單組傳統升壓型轉換器 2-7
圖2.13 並聯架構示意圖 2-8
圖2.14 交錯式PWM信號 2-8
圖2.15 使用UCC28070之交錯式升壓式轉換器 2-8
圖2.16 並聯型轉換器之電感電流漣波相消波形 2-9
圖2.17 相消因數與導通比D曲線圖 …2-10
圖3.1 順向式轉換器之原型電路 3-2
圖3.2 無磁通重置機制之順向式轉換器 3-2
圖3.3 順向式轉換器之Lm不斷充磁 3-3
圖3.4 傳統型三匝順向式轉換器電路 3-3
圖3.5 傳統型三匝順向式轉換器波形時序圖 3-3
圖3.6 RCD重置順向式轉換器 3-4
圖3.7 RCD重置順向式轉換器時序波形 3-5
圖3.8 雙晶順向式轉換器電路 3-6
圖3.9 雙晶順向式轉換器時序波形 3-6
圖3.10 主動箝位順向式轉換器電路 3-7
圖3.11 串聯輸入並聯輸出順向式轉換器 3-8
圖3.12 交錯式串聯輸入並聯輸出順向式轉換器[1] 3-9
圖3.13 重新繪製之交錯式串聯輸入並聯輸出順向式轉換器 3-9
圖3.14 串聯輸入並聯輸出順向式轉換器六階段之線性電路 3-10
圖3.15 主要元件之時序波形 3-11
圖3.16 第一階段線性電路 3-12
圖3.17 第二階段線性電路 3-13
圖3.18 第三階段線性電路 3-13
圖3.19 第四階段線性電路 3-14
圖3.20 第五階段線性電路 3-15
圖3.21 第六階段線性電路 3-15
圖4.1 順向式轉換器單元 4-1
圖4.2 串聯輸入並聯輸出零電壓切換順向式轉換器(SIPO-ZVSFC) 4-2
圖4.3 SIPO-ZVSFC轉換器 4-3
圖4.4 SIPO-ZVSFC轉換器主要元件之時序波形 4-5
圖4.5 SIPO-ZVSFC十階段之線性電路圖 4-6
圖4.6 第一階段之線性電路 4-7
圖4.7 第二階段之線性電路 4-8
圖4.8 第三階段之線性電路 4-9
圖4.9 第四階段之線性電路 4-10
圖4.10 第五階段之線性電路 4-10
圖4.11 第六階段之線性電路 4-11
圖4.12 第七階段之線性電路 4-12
圖4.13 第八階段之線性電路 4-13
圖4.14 第九階段之線性電路 4-14
圖4.15 第十階段之線性電路 4-15
圖5.1 SIPO-ZVSFC電路架構 5-1
圖5.2 輸出電感電流波形 5-3
圖5.3 60CPQ150蕭特基二極體之規格資料 5-6
圖5.4 STP20NM60功率開關之規格資料 5-7
圖5.5 iLr波形 5-9
圖5.6 開關驅動信號 5-10
圖5.7 使用PWM IC與比較器產生 之電路 5-10
圖5.8 使用邏輯電路產生互補信號之電路 5-11
圖5.9 產生盲時Td之電路 5-11
圖5.10 主開關與輔助開關驅動電路 5-12
圖5.11 轉換器閉迴路控制系統方塊圖 5-13
圖5.12 動態信號分析儀量測示意圖 5-13
圖5.13 實際量測頻率響應圖 5-14
圖5.14 實際量測結果與曲線配適之頻率響應圖比較 5-14
圖5.15 Type III控制器電路 5-15
圖5.16 G(s)的頻率響應圖 5-17
圖5.17 控制器C(s)之頻率響應 5-18
圖5.18 ToL(s)之頻率響應圖 5-18
圖6.1 SIPO-ZVSFC轉換器之IsSpice模擬電路 6-2
圖6.2 滿載960 W之電氣規格驗證 6-2
圖6.3 分壓電容電壓 、 波形 6-3
圖6.4 開關Q1與Q2之零電壓切換與開關跨壓之波形(滿載Po=960W) 6-4
圖6.5 開關Q1與Q2之零電壓切換與開關跨壓之波形(半載Po=480W) 6-4
圖6.6 共振電感電流iLr之波形 6-5
圖6.7 輸出電感電流iL1、iL2與iLo之波形 6-5
圖6.8 整流二極體電流iD11、iD12、iD21與iD22之波形 6-6
圖6.9 960W<->480W輸出負載變動之輸出電壓響應 6-7
圖6.10 400V<->350V輸入電壓變動之輸出電壓響應 6-7
圖6.11 SIPO-ZVSFC轉換器效率曲線 6-8
圖6.12 主要能量損耗的元件 6-10
圖6.13 主開關 的turn off波形 6-11
圖6.14 輔助開關 的turn off波形 6-11
圖6.15 開關導通電阻與元件溫度之關係(STP20NM60) 6-11
圖6.16 主開關 的電壓及電流波形 6-12
圖6.17 輔助開關 的電壓及電流波形 6-12
圖6.18 鐵心材質資料(PC40) 6-12
圖6.19 鐵心相關參數(PC40EI60) 6-13
圖6.20 鐵損與磁通密度關係圖(PC40EI60) 6-14
圖6.21 輔助二極體模擬圖 6-16
圖6.22 鐵心相關參數(MS-106125-2) 6-17
圖6.23 鐵損與磁通密度關係圖(MS-106125-2) 6-18
圖6.24 估算之功率損耗分佈圖 6-18
圖6.25 轉換器功率級之PCB Layout圖 6-19
圖6.26 驅動控制之PCB Layout圖 6-19
圖6.27 轉換器之實作照片 6-20
圖A.1 SIPO-ZVSFC之IsSpice模擬電路 6-21
圖A.2 不同負載之穩態特性波形驗證 6-22
圖A.3 不同負載之分壓電容電壓vC1與vC2之波形 6-23
圖A.4 開關Q1與Q2之ZVS波形與跨壓波形 6-24
圖A.5 開關Q1與Q2之ZVS波形與跨壓波形 6-25
圖A.6 共振電感電流iLr之波形 6-26
圖A.7 輸出電感電流iL1、iL2、iLo之波形 6-27
圖A.8 整流二極體電流換向iD11~iD22之波形 6-28

表目錄
表1.1 效率規範(ENERGY STAR和80 PLUS) 1-2
表1.2 意法半導體(ST)之功率開關 1-3
表1.3 本文轉換器與相關論文比較 1-9
表4.1 元件及符號說明 4-4
表5.1 SIPO-ZVSFC之電氣規格表 5-2
表5.2 變壓器規格 ..5-2
表5.3 轉換器元件參數設計與選擇 5-9
表6.1 SIPO-ZVSFC轉換器規格與元件參數規格表 6-1
表6.2 SIPO-ZVSFC轉換器效率量測資料 6-9
表6.3 變壓器實作參數 6-13
表6.4 AWG線徑規格表 6-15

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