國立台灣科技大學電子工程學系

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肝遐境万
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2 題目 : 電力電子專題組員姓名及學號 : 胡嘉翊 B 曾華偉 B 組別 :101B39 指導老師 : 羅有綱 / 邱煌仁教授一摘要繼上學期我們完成的 Buck 電路 ( 但還未檢測 ), 我們利用暑假比較空閒的時間加緊做, 這學期我們還完成了 Boost Flyback( 但檢測未成功 ), 總計完成三個電路

3 二簡介 2.1BUCK 2.1.1buck 簡介 Buck 轉換器是所有轉換器中最基本, 也最重要的單獨的 Buck 轉換器可用於輸出 / 輸入側不需絕緣且輸出電壓低於輸入電壓的應用在某些小功率的用途十分廣泛 Power 電路可由三大部份構成, 為 Control Circuit Power Stage Circuit Compensated Circuit, 圖 1 為此電路之方塊圖 Vd Control Circiut Power Satge Vo Compensated circuit 圖 1 電路方塊圖 CONTROL CIRCUIT 此控制電路主要目的為由 TL494 提供一可調 DUTY 脈波供應給 MOS 開關, 利用此可調 DUTY 之脈波則可改變輸出電壓 POWER STAGE CIRCUIT

4 其即為 STEP-DOWM(BUCK) CONVERTER COMPENSATED CIRCUIT 此穩壓補償電路由 TL494 內部的運算放大器及電阻組成, 將輸出電壓拉回經過此穩壓補償電路則可穩定輸出電壓研究成果在量測 BUCK 電路時, 要先檢測 TL494 是否工作正常, 利用可變電組去調整要求的電壓規格, 學長有教我們一個小技巧就是在 TL494 兩腳之前接一個補償電容, 其能讓輸出的方波更準確在實驗進行中有意外的小插曲 : 就在我們要量最後一項數據時我們把兩個原件燒掉了, 因為輸出電流太大, 功率太大, 而燒毀原件所幸 buck 還算是小功率的電路, 之後做的電路功率比這大很多時學長有教導我們要使用散熱片加上小風扇, 讓某些高功率的原件降溫 2.2BOOST 2.2.1BOOST 簡介此電路可由三大部份構成, 為 Control Circuit Power Stage Circuit Compensated Circuit, 圖一為此電路之方塊圖 Vd Vo Control Circuit Power Stage

5 Compensated Circuit 圖一方塊圖 CONTROL CIRCUIT 此控制電路主要目的為由 CM494 提供一可調 DUTY 脈波供應給 MOS 開關, 利用此可調 DUTY 之脈波則可改變輸出電壓 POWER STAGE CIRCUIT 其即為 STEP-UP(BOOST) CONVERTER COMPENSATED CIRCUIT 此穩壓補償電路由 TL494 內部的運算放大器及電阻組成, 將輸出電壓拉回經過此穩壓補償電路則可穩定輸出電壓 BOOST 電路為 DC / DC 升壓電路, 基本元件如圖二可看出主要元件為儲能電感 L, 功率晶體 Q1, 功率二極體 D1, 與輸出電容 C

6 圖二 (1) 當功率晶體 Q1 導通時 : 當 MOS 開關 Q1 導通, 電流順向流過電感 L, 此時電感上電壓為 Vd, 而電感上電流呈線性增加, 此時二極體 D1 截止, 狀態電路如下圖三所示圖三. MOS ON (2) 當功率晶體 Q1 截止時 : 當 MOS 開關 Q1 截止,D1 二極體導通, 則電感上的能量將會釋放出來, 而電感電流則呈線性降低, 此時電感上電壓瞬間反相為 Vo-Vd, 狀態電路如下圖四所示

7 圖四. MOS OFF 利用 CM494 中之穩壓補償電路, 利用 R1_VREF R2_VREF 分壓出來的電壓做為輸入第 16 隻腳之 VREF, 而 R1_Vo R2_Vo 則分壓出的電壓做為 V- 的輸入電壓, 而 RF RI 的比值則可決定穩壓效果 BOOST 研究成果有過上次的經驗後, 會發現每一個電路都有一定的流程 Layout 洗板子原件焊接電路檢測與 debug 有別於 BUCK 電路,BOOST 電路是一升壓型電路此次電路檢測算是順利, 唯獨每次輸出電流調到 2A 時電子式負載儀器都會出現問題, 學長以他的經驗告訴我們, 原來我們儀器設定不當 ( 要調成 CCH) 這次電路做完時覺得很有成就感, 一整天待在實驗室總算值得 2.3Flyback Flyback 簡介硬體架構

8 此電路可由三大部份構成, 為 Control Circuit Power Stage Circuit Compensated Circuit, 圖一為此電路之方塊圖 Control Power Stage Circuit Circuit Vo LOOP Circuit 圖一. 方塊圖 CONTROL CIRCUIT 此控制電路主要目的為由 UC3842 提供一可調 DUTY 脈波供應給 MOS 開關, 利用此可調 DUTY 之脈波則可改變輸出電壓 POWER STAGE CIRCUIT 其即為 FLYBACK CONVERTER LOOP CIRCUIT

9 利用 TL431 及 PC817 來達成迴授及隔離目的,TL431 有內部參考電壓 2.5V, 當輸出超過 24V 時, 利用電阻分壓,TL431ON, 使其穩壓於 2.5V, 再經由 PC817 達成隔離目的 FLYBACK 轉換器導源於降 - 昇壓型轉換器其狀態有二如圖 : 狀態一 : 當開關導通時, 變壓器初級漸漸有電流流過, 並將能量儲存於初級電感上, 由於變壓器的輸出繞組與輸入繞組極性相反, 因此二極體為逆向偏壓, 故不導通, 此時輸出能量完全由輸出電容提供狀態二 : 當開關不導通時, 由於磁場消失, 導致繞組極性相反, 此時變壓器於狀態一所儲存的能量, 經過二次側的二極體輸出到負載且將能量儲存於輸出電容, 變壓器的動作有如扼流圈 (CHOKE), 所以在返馳式轉換器的輸出部份, 就不需額外的電感器

10 2.3.2 研究成果在製作 FLYBACK 電路之前我們必須自己製作變壓器, 跟當初想的不一樣, 製做變壓器的過程與時間花的比我們預期的久, 我們前前後後大約做了四個才成功, 一開始做的有到達我們要的感值, 但是送 5A 電流感值卻掉的很誇張 ( 一半都不到 ) 很遺憾的, 我們雖然把成品做出來了, 但是檢測就是不過一開始的 UC3842, 有量到三角波,R10 兩端也有利用可變電組調到 2.5V 但就是量不到 MOSFET 的 vgs 的波形我們回去看我們的線路與原件的擺放也都確定正確, 辛苦做出來的電路沒辦法使用感覺真遺憾三理論或使用方法 3.1.1BUCK 設計規格 Item Spec 輸入電壓 (Vin) 10V~ 14V 輸出電壓 (Vo) 5V 輸出電流 (Io) 0.6A~6A (CCM) 輸出最大連波電流 (ΔIL) 1.2A (=6A 20%) 切換頻率 (fs) 100kHz 最大正功率週期 (Dmax) 50 % 計算電感值 : 當 Q 導通,VL 為 Vin Q T L + VL - + D C Vo -

11 V V L in V di L dt o di L dt 又 V D V o in I Vin VinD L TD I Vin (1 D) L TD V I in ( 1 D) D Lf 則電感 L 值為 Vin(1 D) D L f I s s 電感 core 用 CS 繞 3.2.1BOOST 設計步驟 :, 為 Ripple Current, 1. 先將 DUTY CYCLE 設定為 75%, 此時 CM494 中第三隻腳需為 2.87V 2. 利用比率放大器的關係式 VCOMP(pin3) = VREF + (RF/RI)*(VREF-V-) 3. 利用可變電阻 R2_VREF 調 VREF 電壓為 2.87V, 以及 R2_Vo 調 V- 電壓為 2.87V, 則 VCOMP(pin3) 應為 2.87V, 如誤差太大, 則可將 (RF/RI) 比值調愈大則穩態誤差愈小

12 4. 因控制電路一啟動時,VCOMP(pin3) 將會瞬間達到非常大電壓 ( 約 4V), 造成 DUTY 為 1 使得 Vo=Vd*(1/1-1),Vo 無窮大解決方法為在 TL494 的第三腳 (Vcomp) 上接一基納二極體 ( 崩潰電壓 3.3V), 可使 Vcomp 不會超過 3.3V 一般導通模式有二, 一為連續導通模式 (Continuous Conduction Mode)CCM 另一為非連續導通模式 (Discontinuous Conduction Mode) DCM 連續導通模式 : 在此模式下, 則可由圖三得知電感電流為連續, 且電感上電壓積分一週期須為零 Ts ton Ts 0 vldt = 0 vldt + ton vldt = 0 Vd*ton = (Vd-Vo)*toff Vo/Vd=1/(1-D) Vo=Vd/(1-D) 此即為 BOOST 輸出電壓公式

13 非連續導通模式 : 在此模式下, 則電感電流則為非連續連續與非連續導通模式之邊界條件 : ILB = 1/2 il,peak = 1/2*(Vd/L)*ton = (TsVo/2L)*D*(1-D) Pd=Po VdId=VoIo Io/Id=1-D IOB = (TsVo/2L)*D*(1-D) 2 當 Io > IOB,max 則為連續導通模式當 Io < IOB,max 則為非連續導通模式四實驗或範例 4.1.1BUCK 電路圖 :

4.1.2buck pcb 4.1.3buck 實驗數據與波形 Vin (V) Ii (A) Vo (V) Io (A) Efficiency (%) 10 0.7 5.01 1.2 85.88 10 1.9 5.01 3 79.11 10 3.281 4.

14 4.1.2buck pcb 4.1.3buck 實驗數據與波形 Vin (V) Ii (A) Vo (V) Io (A) Efficiency (%)

15 15

16 4.2.1boost 電路圖 4.2.2boost pcb 16

17 4.2.3boost 實驗數據 Vin(V) Iin(A) Vo(V) Io(A) Efficiency(%) boost 實驗波形備註 :channel1:vgs channel2:vds channel3:il (1) Vin:10V /Io:0.4A 17

18 (2) Vin:10V /Io:1.002A (3) Vin:10V /Io:2.003A 18

19 (4) Vin:14V /Io:0.406A (5) Vin:14V /Io:1.003A 19

20 (6) Vin:14V /Io:1.99A flyback 電路圖 20

21 4.3.2 flyback PCB 五討論 Buck 轉換器是所有轉換器中最基本, 也最重要的單獨的 Buck 轉換器可用於輸出 / 輸入側不需絕緣且輸出電壓低於輸入電壓的應用在某些小功率的用途十分廣泛 BOOST 電路為 DC / DC 升壓電路, 基本元件主要元件為儲能電感 L, 功率晶體 Q1, 功率二極體 D1, 與輸出電容 C FLYBACK 轉換器導源於降 - 昇壓型轉換器 21

22 六結論 Buck Boost flyback 這三個電路係根據不同使用需求 ( 降壓升壓 ) 提供不同種功能之電路訴求不論輸入端加多少電壓, 輸出端仍能穩定的輸出七參考資料

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）

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）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 B9802227 B9802205 組別 : 100B33 指導老師 : 羅有綱中華民國 102 年 1 月 7 日題目 : 電力電子專題組員姓名及學號 : 陳昆昱 B9802227 蘇偉豪 B9802205 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,