返馳式開關(guān)調(diào)節(jié)器之研究

南臺科技大學(xué)電機工程系12/12/20221南臺科技大學(xué)電力電子實驗室大綱?摘要?研究動機及目的?轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器廣泛應(yīng)用之原因?反馳式轉(zhuǎn)換器電源穩(wěn)定器?變壓器模型及參數(shù)計算?轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器電路之結(jié)構(gòu)?結(jié)論?參考文獻12/12/20222南臺科技大學(xué)電力電子實驗室摘要

本文提出以不連續(xù)電流模式，進行返馳式轉(zhuǎn)換器開關(guān)調(diào)節(jié)電路之研製。電路本身不需要作電氣隔離，設(shè)計上使用變壓器作電氣隔離與電壓準位的調(diào)整。返馳式轉(zhuǎn)換器的電路架構(gòu)，是具有隔離特性的昇降壓型轉(zhuǎn)換器，該變壓器不是磁性元件的功能，而係利用耦合電感達到能量轉(zhuǎn)換的目的，設(shè)計整個電路的重點是磁能的儲存與釋放。本文返馳式轉(zhuǎn)換器的電路，傳遞能量機制是耦合電感，不是真正的變壓器，鐵芯需要有適當(dāng)?shù)臍庀洞嬖冢乐癸柡秃推胶庵绷鞒煞?。關(guān)鍵字：不連續(xù)電流，電氣隔離，儲存與釋放。12/12/20223南臺科技大學(xué)電力電子實驗室研究動機及目的電力電子技術(shù)結(jié)合功率半導(dǎo)體元件之開關(guān)控制，拓蹼結(jié)構(gòu)之設(shè)計與系統(tǒng)控制學(xué)科，其目的是要利用功率半導(dǎo)體元件對電源來加以轉(zhuǎn)換與控制，以達到各種負載的需求。電力電子主要研究領(lǐng)域有結(jié)合功率半導(dǎo)體元件、率級的電路、傳動系統(tǒng)與電機機械、防制電磁干擾的技術(shù)、積體電路設(shè)計、控制理論、應(yīng)用微處理器、類比與數(shù)位電子和電腦輔助設(shè)計技術(shù)等等，知識應(yīng)用之綜合科技。各種電力轉(zhuǎn)換器，形成之功率電路，所組成電力電子設(shè)備。電力轉(zhuǎn)換器，就由功率半導(dǎo)體元件所結(jié)合，就在固定之控制模式裡決定功率開關(guān)之導(dǎo)通與截止的時間，使得負載可以穩(wěn)定的操作。12/12/20224南臺科技大學(xué)電力電子實驗室轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器廣泛應(yīng)用之原因轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器體積小，重量輕，效率高的特點，而且節(jié)省能源符合時代的需求。所以，廣泛應(yīng)用在各種不同電子機器上。而且能與廣闊範圍的輸入電壓配合，不需要改變分接頭和電路常數(shù)，方便在輸入電壓不同地區(qū)使用之特點。轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器都會產(chǎn)生雜訊，如整流二極體（rectifying）、轉(zhuǎn)換電晶體（switchingtransistor）、變壓器（transformer）、扼流圈（chokecoil）等等，這種缺點都可以利用濾波器（filter）和屏蔽（shield）及電路設(shè)計上的改進，來加以改善。由於漣波（ripple）和雜訊（noise）皆對轉(zhuǎn)換式電源穩(wěn)定器的穩(wěn)定度有不良影響，在設(shè)計技巧上需適當(dāng)，才能防止這種不良影響，來保持比較高的穩(wěn)定度。12/12/20225南臺科技大學(xué)電力電子實驗室探討電感之性質(zhì)：（1）當(dāng)電感上有電流I流通時，可儲存能量是E＝（LI2）/2，如圖2－1（2）開關(guān)S打開的瞬間，電流不是立即截斷，仍然有電流I的能量維持，並且產(chǎn)生電壓，和V在同一方向重疊。結(jié)果，在開關(guān)S的端子上加入高壓，產(chǎn)生電弧。這能量消耗在電弧和電阻R上。如圖2-2圖2－1電感內(nèi)所能儲存的能量是LI2/212/12/20226南臺科技大學(xué)電力電子實驗室

（2）開關(guān)S打開的瞬間，電流不是立即截斷，仍然有電流I的能量維持，並且產(chǎn)生電壓，和V在同一方向重疊。結(jié)果，在開關(guān)S的端子上加入高壓，產(chǎn)生電弧。這能量消耗在電弧和電阻R上。如圖2-2

圖2－2因為無法使能量在瞬間產(chǎn)生變化，所以無法使電流I在瞬間遮斷，或者改變它流通方向。

12/12/20227南臺科技大學(xué)電力電子實驗室（3）當(dāng)初級繞組有電流Ip流通時，開關(guān)S打開，次級繞組上就有同一安匝的電流流通，如圖2-3。如此，次級繞組上流通電流是Is＝Ip×Np/Ns依照時間常數(shù)，Ls/R發(fā)生衰減，能量在電阻處變成熱能放出。12/12/20228南臺科技大學(xué)電力電子實驗室圖2－3有次級電路的電感時，利用初級電路遮斷，相同的安匝（ampereturns），可以保持和次級電路上流通的電流相同磁場。12/12/20229南臺科技大學(xué)電力電子實驗室（4）當(dāng)電感端子電壓是V時，電感的電流變化率是V/L圖2－4電感的端子電壓是V時，電感L上所流通的電流變化率就是V/L12/12/202210南臺科技大學(xué)電力電子實驗室反馳馳式式轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器電電源源穩(wěn)穩(wěn)定定器器返馳馳式式轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器由由圖圖2-10（（a））所所表表示示的的，，升升降降壓壓式式轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器衍衍生生來來的的如如圖圖2-10（（b））表表示示的的。。圖圖2-11表表示示將將圖圖2-10（（b））的的二二線線圈圈式式電電感感以以它它的的等等效效電電路路來來表表示示。。返馳馳式式轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器，，它它輸輸入入和和輸輸出出之之間間，，並並沒沒有有安安全全的的隔隔離離裝裝置置。。通通常常轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換式式電電源源供供應(yīng)應(yīng)器器裡裡，，常常用用的的隔隔離離元元件件是是變變壓壓器器（（Transformer））。。也也就就是是說說，，在在電電路路圖圖中中出出現(xiàn)現(xiàn)的的是是變變壓壓形形式式，，但但是是它它的的動動作作狀狀態(tài)態(tài)卻卻是是扼扼流流圈圈（（Choke））形形式式，，所所以以就就直直稱稱它它是是變變壓壓器器扼扼流流圈圈（（TransformerChoke））。。12/6/202211南臺臺科科技技大大學(xué)學(xué)電電力力電電子子實實驗驗室室圖2-10返返馳馳式式轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器12/6/202212南臺科技大大學(xué)電力電電子實驗室室圖2-11返馳馳式轉(zhuǎn)換器器的電路模模式：（a）開關(guān)導(dǎo)導(dǎo)通（b）開關(guān)關(guān)截止12/6/202213南臺科技大大學(xué)電力電電子實驗室室變壓器模型型及參數(shù)計計算返馳式轉(zhuǎn)換換器變壓器器—扼流圈圈，其僅在在B-H特特性曲線線的單一方方向來做轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換運動，，因此在設(shè)設(shè)計變壓器器—扼流圈圈時不可設(shè)設(shè)計於飽和和工作狀態(tài)態(tài)，使用的的鐵心(Core)，需有較較大的體積積並且有空空氣間隙(airgap)。有效的變壓壓器—扼流流圈的體積積大小為：：Volume=u0ueIL2maxLout/B2max在此ILmax：：負載電流流所決定ue：鐵心心材料的相相對導(dǎo)磁率率(permeability)Bmax：：鐵心的最最大磁通密密度我們在選擇擇相對導(dǎo)磁磁率時，必必須選擇足足夠大，以以避免鐵心心會有溫度度升高的情情形發(fā)生，，由於對鐵鐵心與繞線線尺寸大小小的限制，，因此會產(chǎn)產(chǎn)生銅損失失與鐵心損損失(copperandcorelosses)。12/6/202214南臺臺科科技技大大學(xué)學(xué)電電力力電電子子實實驗驗室室在返返馳馳式式轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器中中，，對對變變壓壓器器——扼扼流流圈圈來來說說有有二二種種可可能能的的操操作作模模式式：：(1)整整個個能能量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移，，在在電電晶晶體體開開關(guān)關(guān)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換至至ON狀狀態(tài)態(tài)時時，，所所有有儲儲存存在在電電感感器器——變變壓壓器器的的能能量量會會轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換至至次次級級圈圈。。(2)不不完完全全的的能能量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移，，在在電電晶晶體體開開關(guān)關(guān)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換至至ON狀狀態(tài)態(tài)前前，，並並非非所所有有儲儲存存在在電電感感器器——變變壓壓器器的的能能量量會會轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移至至次次級級圈圈，，在在圖圖3-1，，3-2所所示示為為此此二二種種操操作作模模式式的的波波形形。。圖3-1此此電電壓壓與與電電流流的的波波形形描描圖圖3-2此此波波形形則則描描述述不不完完述返返馳馳式式變變壓壓器器-扼扼流流圈圈整整全全能能量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移的的關(guān)關(guān)係係個能能量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移的的關(guān)關(guān)係係12/6/202215南臺科科技大大學(xué)電電力電電子實實驗室室在轉(zhuǎn)換換電晶晶體的的on期期間間裏，，整個個能量量轉(zhuǎn)移移波形形中具具有較較高的的峰值值集極極電流流，也也就是是因為為相對對地低低的初初級電電感值值，而而使此此電流流值升升高，，所需需付出出代價價是增增加了了繞組組損失失(windinglosses)與與輸輸入電電容器器漣波波電流流。所所以，，同樣樣地轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換電電晶體體必須須有高高電流流的承承載能能力，，才能能忍受受此峰峰值電電流。。在另一一方面面，不不完全全的能能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移模模式中中，所所呈現(xiàn)現(xiàn)的是是較低低峰值值轉(zhuǎn)換換電晶晶體集集極電電流，，而所所付出出的代代價是是當(dāng)電電晶體體開關(guān)關(guān)於on狀狀態(tài)態(tài)時，，會產(chǎn)產(chǎn)生較較高的的集極極電流流值，，因此此導(dǎo)致致電晶晶體高高功率率的消消耗，，然而而為了了達成成此模模式的的操作作，相相對地地就需需要較較高的的變壓壓器——扼流流圈初初級電電感值值。再再變壓壓器鐵鐵心中中所儲儲存的的殘餘餘能量量則假假定不不完全全能量量轉(zhuǎn)移移變壓壓器——扼流流圈的的體積積會較較完全全能量量轉(zhuǎn)移移的體體積為為大，，而所所有其其他的的係數(shù)數(shù)是相相等的的。12/6/202216南臺科科技大大學(xué)電電力電電子實實驗室室轉(zhuǎn)換式式電源源穩(wěn)定定器電電路之之結(jié)構(gòu)構(gòu)4.1主主要電電路圖圖圖4.1主主要要電路路圖12/6/202217南臺科科技大大學(xué)電電力電電子實實驗室室在圖4.1電電路路裡輸輸入線線電壓壓110Vac經(jīng)經(jīng)整流流和提提供平平滑的的直流流電壓壓。電電源最最初應(yīng)應(yīng)用在在電路路時，，使IC1的的輸出出，功功率MOSFETQ1開開始Turnon。在在Q1的的及及時期期間，，能能量存存儲在在變壓壓器T的的空空氣隙隙裡。。這個個時候候輸出出線圈圈的極極性，，和輸輸出整整流器器相反反的，，不轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移和和沒有有任何何能量量的輸輸出。。由一一個R10，，電阻阻檢測測了首首要的的電流流，在在IC1裡裡面面與一一個固固定的的1伏伏特參參考比比較。。當(dāng)?shù)降竭_這這個位位準時時，Q1開開始始Turnoff，，並且且所有有變壓壓器線線圈的的極性性倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，輸輸出出整流流器提提前偏偏壓，，把存存儲的的能量量轉(zhuǎn)移移到輸輸出電電容器器。這這個存存儲和和釋放放的動動作許許多週週期，，來輸輸出電電壓。。從輸輸出＋＋5V接接迴受受電壓壓對誤誤差放放大器器透過過電壓壓分發(fā)發(fā)器，，供給給電壓壓和IC1(腳2)與與一一個2.5v內(nèi)內(nèi)部參參考電電壓作作比較較，來來穩(wěn)定定輸出出電壓壓。12/6/202218南臺科技大大學(xué)電力電電子實驗室室結(jié)論一般變壓器器的操作，，它的效率率都非常高高，不管是是提高或降降低輸出電電壓，都和和圈數(shù)比成成比例變化化。也就是是變壓器的的初級圈和和次級圈的的電壓比和和圈數(shù)比之之間成正比比。變壓器器最重要且且最有用的的特性，就就是提供初初級和次級級之間電器器上的隔離離。本研究究的返馳式式轉(zhuǎn)換器在在磁路上有有空氣間隙隙存在，磁磁滯迴路曲曲線上就會會有傾斜現(xiàn)現(xiàn)象產(chǎn)生。。因此，高高磁化力的的情況下，，可以減少少鐵心飽和和的可能性性。大多數(shù)的磁磁性材料，，都能用來來設(shè)計高頻頻的功率變變壓器，陶陶鐵磁材料料，目前幾幾乎都使用用它來作轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的設(shè)設(shè)計。陶鐵鐵磁沒有很很高的操作作磁通密度度，大多數(shù)數(shù)陶鐵磁的的Bsat值由3000G至5000G。。不過，它它可以提供供在高頻下下低的鐵心心損失，良良好的繞組組耦合和組組合的方便便。12/6/202219南臺科技大大學(xué)電力電電子實驗室室選擇適當(dāng)?shù)牡蔫F心有二二個以上的的設(shè)計參數(shù)數(shù)，是非常常重要的，，其中之一一是鐵心的的繞組面積積或是捲線線軸的繞組組面積。此此值必須選選得足夠大大，才能承承載適當(dāng)?shù)牡睦@線尺寸寸，而將繞繞組損失減減至最小值值。另外一一個就是鐵鐵心的功率率容許值。。鐵心的幾何何形狀用於於特定的應(yīng)應(yīng)用，全視視功率的需需求而定，，其中以E－E、E－I、E－C和和Pot型型式的鐵鐵心是最受受歡迎的形形狀。返馳式轉(zhuǎn)換換器的優(yōu)點點和缺點，，優(yōu)點最主主要是比較較簡單，價價格便宜，這是因因為變壓器器本身就是是一個扼流流圈(Choker)，可作作為能量儲儲存之用。缺點在變壓壓器和輸出出元件中，，所流經(jīng)之之電流，則則具有高漣漣波電流，，所以效率率會被減低低。由於這這種限制，，一般返馳馳式轉(zhuǎn)換器器，都設(shè)計計在150W以下。12/6/202220南臺臺科科技技大大學(xué)學(xué)電電力力電電子子實實驗驗室室轉(zhuǎn)換換器器電電源源穩(wěn)穩(wěn)定定器器的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換頻頻率率，，有有逐逐漸漸增增高高的的趨趨勢勢，，通通常常由由50KHz增增至至100KHz。。近近年年來來甚甚至至MHz等等級級的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換頻頻率率電電源源，，也也已已型型製製作作，，一一但但轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換頻頻率率升升高高接接近近100KHz之之後後，，它它電電壓壓器器所所能能獲獲取取的的輸輸出出，，約約和和同同一一尺尺吋吋的的頻頻率率比比的的平平方方根根倍倍數(shù)數(shù)相相當(dāng)當(dāng)，，它它的的扼扼流流圈圈的的電電感感值值和和頻頻率率成成反反比比而而下下降降。。12/6/202221南臺臺科科技技大大學(xué)學(xué)電電力力電電子子實實驗驗室室參考考文文獻獻【1】】鄭鄭振振東東，，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換式式電電源源穩(wěn)穩(wěn)定定器器設(shè)設(shè)計計要要訣訣，，建建興興出出版版社社，，民民國國86年年。?！?】】江江炫炫樟樟，，電電力力電電子子學(xué)學(xué)，，全全華華圖圖書書出出版版社社，，民民國國87年年。。【3】】鄭鄭培培璿璿，，電電力力電電子子分分析析與與模模擬擬，，全全華華圖圖書書出出版版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