96學年度國立臺灣科技大學電子工程系研究所光電工工程研究所碩士班甄試個人基本資料(一)

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1 國立台灣科技大學電子工程系 101 學年度第 1 學期專題研究 總報告 電力電子 研究組員 陳昆昱 蘇偉豪 B B 組別 : 100B33 指導老師 : 羅有綱 中華民國 102 年 1 月 7 日

2 題目 : 電力電子專題 組員姓名及學號 : 陳昆昱 B 蘇偉豪 B 組別 : 100B33 指導老師 : 羅有綱 一 摘要 本專題共分為六大基礎電路, 分別是 :BUCK BOOST FORWARD FLYBACK PFC UC3854 PFC L6561 由於近年來環境問題日趨嚴重, 想要解決環境問題的主要根源之一即是能源問題, 而電力電子正是解決能源問題的關鍵技術 想藉由本次專題來學習電力電子的理論 設計及測試方法, 已完成六片基本電路 二 簡介 (1) 本專題是設計四個直流對直流兩個交流對直流轉換電路 (2) 以下是本專題的設計規格 Buck 輸入電壓 (Vin) 輸出電流 (Io) 10V~ 14V 5V 0.6A~6A (CCM) 輸出最大連波電流 (ΔIL) 1.2A (=6A 20%) 100kHz 最大正功率週期 (Dmax) 50 % Boost 輸入電壓 (Vin) 輸出電流 (Io) 最大正功率週期 (Dmax) 10V~ 14V 25V 0.4A~2A (CCM) 50KHz 75 % Forward 輸入電壓 (Vin) 最大正功率週期 (Dmax) 40% 160V~200V 12V 50KHz 1

3 Flyback 輸入電壓 (Vin) PFC UC V~ 380V 19V 40KHz 輸入電壓 (Vin) AC 85~270V 最大輸出功率 (W) PFC L6561 DC 400V 100KHz 400W 輸入電壓 (Vin) AC 85~260V 最大輸出功率 (W) DC 400V 35KHz 80W 三 研究方法 壹 Buck converter 1. 簡介降壓型轉換器是所有直流對直流轉換器中最基本之一, 其目的是將一直流電壓經由開關變成方波型式, 再經一組電感 / 電容濾波器, 得到所要求的直流輸出 2. 理論 Buck 是由四個電路元件組成 : 切換開關 (MOS) 二極體 電感 電容其電路架構如下圖 Q L + VL - + Vin T D C Vo - 分析開關在 ON 及 OFF 兩種模式下的電路特性開關 ON: 此時開關為短路, 二極體為開路, 電流藉開關流向 L C 迴路, 當開關動作達穩態時,Vout 是為固定直流電壓, 因此 L 兩端跨壓為 2

4 VL = Vin Vout = 1 t ( Vin Vout) dt L = ( Vin Vout) L 所以電感電流隨時間 t 線性增加 開關 OFF: 此時開關為開路, 二極體短路 因為為了維持電感電流連續性, 所以二極體導通 這時跨在電感兩端電壓為 VL= -Vout Vo = Vin * D 故輸出電壓小於輸入電壓, 得到降壓的效果 3. 實做設計規格 輸入電壓 (Vin) 輸出電流 (Io) 10V~ 14V 5V 0.6A~6A (CCM) 輸出最大連波電流 (ΔIL) 1.2A (=6A 20%) 100kHz 測量 : step1=> 測第五隻腳 (CT) 是否有三角波並調成 100kHz( 調 R4) {Vcc 送 15V 輸出電容送 5V} Step2=> 調第 15(R3) 16(R2) 腳都等於 2.5V Step3=> 調整 duty( 第 8 腳 ) Step4=> 看 MOS 開關的 gate 的 duty Step5=> 送大電. 把迴授可變電阻換成 680nF 效果佳 3

5 實驗數據 Vin (V) Ii (A) Vo (V) Io (A) Efficiency (%) Vin10V Io1.2A Vin10V Io3A Vin10V Io6A Vin12V Io1.2A Vin12 Io3A Vin12V Io6A Vin14V Io1.2A Vin14V Io3A Vin14V Io6A 4

6 貳 Boost converter 1. 簡介 : 升壓型轉換器是所有直流對直流轉換器中最基本之一 將輸出電壓拉回經過此穩壓補償電路則可穩定輸出直流電壓, 並高於輸入直流電壓 2. 理論 : Boost 是由四個電路元件組成 : 切換開關 (MOS) 二極體 電感 電容其電路架構如下圖 分析開關在 ON 及 OFF 兩種模式下的電路特性開關 ON: 此時開關短路, 二極體為開路, 電感上之電流為 = 1 Vindt t Vin L L 此區間電感電流特性隨時間線性增加 開關 OFF: 此時開關開路, 二極體為短路, 電感上之跨壓為 VL Vin Vout 此區間電感電流特性隨時間線性減少 Boost 之輸入電壓 Vin 與輸出電壓平均值 Vout 關係, 可由電感電壓的一個週期積分平均值為零的能量觀念得到 Vout Ts 1 1 >1 Vin Ts ton ton 1 1 D Ts 故輸出電壓 Vout2 大於電壓 Vin, 得到升壓之效果 3. 實作 輸入電壓 (Vin) 輸出電流 (Io) 最大正功率週期 (Dmax) 10V~ 14V 25V 0.4A~2A (CCM) 50KHz 75 % 5

7 實驗數據 Vin (V) Ii (A) Vo (V) Io (A) Efficiency (%) Vin10V Io0.3975A Vin10V Io1.0143A Vin10V Io1.9912A Vin14V Io0.3975A Vin14V Io0.9993A Vin14V Io2.0081A 6

8 参 Forward converter 1. 簡介 : Forward converter 是在直流對直流降壓型轉換器前連接一個匝數比為 N1/N2 的變壓器所構成的電路 2. 理論 : Forward converter 的理想電路形式如下圖 開關 ON: 輸入電壓跨在變壓器一次側繞組上, 一次側電流打點流入, 二次側電流打點流 出 二極體 D1 導通,D2 逆偏開路, 對負載 RL 供電 此時電感兩端跨壓為 開關 OFF: N2 VL VD2 Vout Vin* Vout N 1 變壓器皆無電流, 此時二極體 D1 開路,D2 因為受電感電流連續特性而順向導 通 此時電感兩端跨壓為 VL Vout 由電感電壓的一個週期積分平均值為零的能量觀念得到 : Vout N2 ton N2 ( ) * D Vin N1 Ts N1 與 Buck 公式相同只差了匝數比 不過實際電路必須考慮繞組間的磁化電流, 不然當開關切斷時, 一次測繞組的磁場崩潰 產生高電壓, 轉換器易故障 7

9 3. 實作 : 輸入電壓 (Vin) 最大正功率週期 (Dmax) 40% 160V~200V 12V 50KHz 測試 :step1=> 調頻率 50KHz, 調整 15 支腳為 1.53V( 轉 R9 拔 R3, 只開小電 15V), 調整 16 腳為 1.53V( 轉 R2, 只外灌 12V), 測 3 腳 ~=1.53V 實驗數據 Vin(V) Iin(A) Vo(V) Io(A) Efficiency(%)

10 Vin160V Io1.996A Vin160V Io3.978A Vin160V Io7.961A Vin200V Io2.03A Vin200V Io4.051A Vin200V Io7.998A 9

11 肆 Flyback converter 1. 簡介 : 目的 2. 理論 : 降壓 - 升壓型直流對直流轉換器的隔離形式, 利用 TL431 及 PC817 來達成迴授及隔離 Flyback 的基本架構如下圖 開關 ON: 變壓器一次側繞組上跨壓等於輸入電壓 Vin, 二次測因為打點反向, 所以二極 體逆偏開路, 輸出能量油輸出電容提供 開關 OFF: 因為磁場消失, 造成繞組極性相反, 所以變壓器一次測儲存的能量, 經由二次 測二極體順向導通, 送到負載端並儲存於輸出電容 3. 實作 : 輸入電壓 (Vin) 127V~380V 19V 40KHz 焊接 :CT /RT 的穩壓電容和 current sense 濾波電容加 PIN 腳方便替換 TEST:step 1=> 調 TL431 第一支腳的分壓點 ( 拔 TL431) step 2=> 調 duty=40%( 轉 R14) step 3=> 變壓器要墊氣隙 ( 膠帶 ), 漏感越低 DS 端突波 (spike) 越小,IC 用 UC3842 實驗數據 Vin (V) Ii (A) Vo (V) Io (A) Efficiency (%)

12 Vin127V Io2.013A Vin127V Io2.013A Vin380V Io2.01A Vin380V Io3.406A 伍 PFC UC 簡介 : 高品質的電力供需是各國所想要達到的目標, 然而大量興建電廠並非解決問題的唯一途徑, 一方面提高電力供給的能量, 一方面提高電器產品的功率因素 (Power Factor, PF) 才能有效解決問題 2. 理論 : 此控制電路主要目的為由 UC3854AN 提供 DUTY 脈波供應 Power MOS 開關 UC3854AN 是以平均電流模式控制法實現的 Active PFC 必須同時控制輸入電流與輸出電壓, 而使電流控制迴路的命令是由整流後的線電壓所決定, 因此可以使 Converter 的輸入阻抗呈現電阻性 而輸出電壓的控制是藉由改變電流命令的平均值大小來完成 圖為 active PFC 所需要的基本控制電路方塊圖 11

13 3. 實作 : 輸入電壓 (Vin)AC 85V~270V 400V 100KHz 實驗數據 Vin Vo Io PF Efficiency(%) Vin85V Io0.312A Vin85V Io0.629A Vin270V Io0.295A Vin270V Io0.606A 12

14 陸 PFC L 簡介 : 傳統的轉換器, 為獲得較小的漣波的電壓, 通常於全橋整流完後加入一個大電容 ; 但大電容意味著在大部分的時間裡, 線電壓都是低於電容電壓, 也就是整流二極體的導通時間減小, 導通時電流增大, 進而造成線電壓的失真 現今則於整流器與輸出間插入一級功因校正器電路, 以使輸入電流近似 sine 波形, 同時保持與電壓同相 (In Phase) 2. 理論 : 所採用的電路架構, 其轉換器部份乃由功率二極體 D1 D2 D3 D4 所組成的橋式整流電路, 串接一升壓電感 L, 經由適當的控制功率開關 Q, 以調整輸出直流電壓 V 的大小, dc 並使輸入電流自動追隨輸入電壓成為同相位, 進而達到高功因的要求 L D D1 D2 + v S Q C O Load V dc D4 D3 _ 變頻控制 圖 1 升壓型轉換器電路架構圖 3. 實作 : 輸入電壓 (Vin)AC 80V~260V 400V 35KHz 13

15 實驗數據 Vin Io Vo PF Efficiency(%) Vin85V Io0.0981A Vin85V Io0.1993A Vin260V Io0.1018A Vin260V Io0.2006A 討論 雖然目前皆把基本電路做完, 但是轉換器的零電壓切換機制, 會隨著負載和諧振電感的大小有所影響 根據轉換器的工作原理, 如果要使主開關在清載達到完全零電壓切換, 必須降低輸入電壓, 並使用較大的諧振電感, 但是過低的輸入電壓與過大的諧振電感, 會讓轉換器在中載以上產生過大的工作週期損失, 導致轉換器在滿載時的工作週期不足 結論 在所做的專題中, 所學到的原比想像來的多, 並且了解到原來自己所學的電子學 電路學都可以學以致用, 但是實際電路並不是理想的, 所以我的目標不只是完成工作要求, 而是要盡可能的做到完美 當然 Layout 佈局時的技巧 大功率級部分的電路, 要用較寬的走線, 還有 TL494 高頻腳位部分, 不應該有分支, 而且所接的電容 電阻要接近. 等等 總而言之, 照著電路原理指示, 再閱讀相關書籍, 可減少電路佈局的失誤, 達到最佳化 14

16 研究方向及改善 設計磁性元件時, 首先必須考慮變壓器圈數比和氣隙, 並設計適當的激磁電感量 再者, 設計諧振電感時, 須考慮過大的諧振電感在低壓滿載與諧振電感所造成的工作週期損失, 再選定適當的磁性元件參數, 即可使主開關在輕載條件下達到理想的零電壓轉換 參考資料 [1] EPARC 硏究團隊, 電力電子學綜論, 民國 100 年 [2] 王醴, 電力電子學, 民國 95 年 [3] Mack, Raymond A., 羅有綱 林伯仁 陳俊吉譯, 交換式電源供應器剖析, 民國 99 年 [4] Maniktala, Sanjaya, 交換式電源供應器設計與最佳化 林伯仁校訂, 民國 98 年 [5] 張義和, 電路設計實習- 電路圖設計篇, 民國 98 年 [6] Chryssis, George C., 高頻交換式電源供應器原理與設計, 民國 84 年 [7] 陳家麟, 具功率因數修正器關閉之主動箝位返馳式轉換器研製, 國立臺灣科技大學電子所碩士論文, 民國 97 年 [8] 鄭玉南, 返馳式轉換器緩震電路研究, 國立臺灣科技大學電子所碩士論文, 民國 93 年 15

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