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屈房宋
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1 技術學刊第二十八卷第四期民國一二年 57 Journal of Technology, Vol. 8, o. 4, pp (03) 具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器, 卓武舜 * 梁鎮全張簡士琨建國科技大學電機工程系建國科技大學自動化工程系摘要本文提出一個新型高昇壓轉換器此電路架構主要是利用耦合電感電壓箝制電路及倍壓電路來達到高昇壓比之目的此外, 儲存於耦合電感中的漏電感能量能夠藉由開關截止期間將其能量回收至箝制電路中, 因此效率得以提升, 且開關上之電壓也能夠有效地被箝制本文中詳細地對此高昇壓轉換器作穩態動作原理分析與電路特性的探討最後, 實際設計製作一輸入為直流 V, 輸出為 00 V/50 W 之高昇壓轉換器, 以其模擬與實測結果驗證本電路之特性與可能性關鍵詞 : 高昇壓比, 耦合電感, 電壓箝制電路, 倍壓電路, 漏電感 HIGH STEP-UP COVERTER WITH COUPLE UCTOR A VOLTAGE CLAMP CIRCUIT Wu-Shun Jwo, * Jhen-Cyuan Liang Shih-Kuen Changchien epartment of Electrical Engineering Chienkuo University of Technology Changhua, Taiwan 500, R.O.C. epartment of Automation Engineering Chienkuo University of Technology Changhua, Taiwan 500, R.O.C. Key Words: high step-up ratio, coupled inductor, voltage clamp circuit, voltage doubler circuit, leakage inductance. ABSTRACT In this paper, a new high step-up converter is proposed. The high step-up ratio is achieved by adjusting the turn ratio of the coupled inductor, voltage clamp circuit and voltage doubler circuit. Moreover, the energy stored in the coupled inductor can be recycled during the off period so that the conversion efficiency is enhanced and the power switch is effectively clamped. The steady-state operation principle of the proposed high step-up converter is analyzed in this paper. Finally, a prototype of the proposed high step-up converter, with C input V and C output 00 V/50 W, is implemented and simulated to demonstrate performance and feasibility. * 通訊作者 : 卓武舜, [email protected] Corresponding author: Wu-Shun Jwo, [email protected]

2 58 技術學刊第二十八卷第四期民國一二年一前言 L O 目前世界由於能源危機引發能源不足的問題, 世界各國都以節約能源與再生能源為主要研究課題其中, 再生能源與節約能源的供電系統上都需電能轉換方面的技術來提供輸入與輸出不同的電壓準位, 但電能轉換期間會有損失, 如何有效的減少電能轉換損失達到能源有效利用是電能轉換的主要研究目的在過去的昇壓轉換器文獻中 [-8], 有各種不同架構的轉換器被提出, 如圖所示之傳統昇壓型轉換器 (Boost Converter), 具有架構簡單的優點, 元件只需有電感開關二極體和輸出電容, 即可把輸入電壓昇高雖然元件稀少, 但是如果把傳統高昇壓型轉換器操作於高昇壓直流輸出, 將受限於元件非理想特性儲能電感的銅損鐵損功率開關的導通電阻寄生電容及二極體的導通電壓, 皆使得傳統昇壓型轉換器應用於高昇壓直流輸出中效率大幅降低 [, ] 如圖所示之串接式昇壓型轉換器, 由於是採用兩組昇壓型轉換器串接 (Cascade) 在一起, 昇壓比 (Step-up Ratio) 有所提升, 但是卻增加了許多元件, 使得轉換器成本提升如圖 3 所示之具耦合電感昇壓型轉換器 (Boost Converter with Coupled Inductor), 由於加入了耦合電感 (Coupled Inductor), 調整耦合電感匝數即可提升昇壓比, 但是耦合電感會有耦合不完全的情形而產生漏電感 (Leakage Inductance), 漏電感在截止時與功率開關寄生電容產生諧振 (Resonant) 造成電壓突波 (Spike), 使得功率開關的電壓應力 (Voltage Stress) 增加文獻 [3-8] 提出了交錯式 (Interleaved) 耦合電感來提高昇壓比, 但由於增加了耦合電感的關係, 使得漏電感所產生的問題仍然沒有解決為了解決昇壓比不足與耦合電感所產生的漏電感問題, 本文提出了電壓箝制電路 (Clamping Circuit) 來減少漏電感施加在功率開關上的電壓突波, 而倍壓電路 (Voltage oubler) 又可增加電路輸出的昇壓比, 達成既可箝制突波電壓與增加昇壓比的目的二高昇壓轉換器架構昇壓型轉換器和具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器都具有昇壓的功能, 但最大的不同在於輸出電壓增益昇壓型轉換器如果要輸出高電壓增益, 必須把工作週期 (uty Cycle) 操作在很高的情形下, 如此必定會因為電感電阻的關係造成效率和電壓增益的低下為克服這個問題, 具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器加入了耦合電感和倍壓電路來增加電壓增益, 如此就可以在合理的工作週期下有良好的效率和輸出所需的高電壓增益本文所提之高昇壓轉換器架構如圖 4 所示, 主要由耦合電感箝制電路與倍壓電路所構成耦合電感藉由調整 L L S C O R L 圖傳統昇壓型轉換器 O L S C O O 圖串接式昇壓型轉換器 L O S C O R L S C O R L 圖 3 具耦合電感昇壓型轉換器圖 4 具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器一二次側線圈數來達到昇壓的效果, 且在一二次側耦合過程中達到能量傳遞的功能箝制電路負責在開關截止時, 箝制二極體和箝制電容吸收漏感能量兼箝制漏感與開關電容諧振所造成的電壓突波倍壓電路則是利用二極體與電容充放電來增加高昇壓電路負載輸出所需要的高電壓增益三穩態電路分析如圖 5 與圖 6 為具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器在功率開關導通與截止時的等效電路圖在分析電路動作原理時, 先有下列幾項假設 :

3 卓武舜梁鎮全和張簡士琨 : 具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器 59 V C3 C 3 O ( 四 ) 電容 C O C O 開始放電, 產生電壓 V CO V CO, 並對負載 R L 提供能量, 產生輸出電壓 V O V C O V CO di V V L dt L = LM = M () V LK V C O L M L K C L V L R L V O V = V = V = V () C3 LM V LM C O V CO (3) C L C S C V C (4) O CO CO 圖 5 功率開關 S 導通時的等效電路. 當功率開關 S 截止時, 其等效電路如圖 6 所示, 在此區間中, 有 5 個電流迴路 V LK V C3 C 3 V V C O O C O V CO ( 一 ) 電感 L 開始釋能, 產生電壓 V L, 並對電容 C O 充電 ( 二 ) 電容 C 開始釋能, 產生電壓 V C, 並對電容 C O 充電 ( 三 ) 電源對電容 C O 充電 ( 四 ) 電容 C 3 開始釋能, 產生電壓 V C3, 並對電容 V CO 充電 ( 五 ) 漏電感 L K 開始釋能, 產生電壓 V LK 並對電容 C 開始充電 L M L K C L V L R L V O V = V = V V (5) L C C CO V LM (6) C L O S C V C C O V CO V = = V + V V (7) C LM CO LM C L (8) C3 CO 圖 6 功率開關 S 截止時的等效電路. 電路操作在連續導通模式. 電路已達穩態 3. 耦合電感有激磁電感 L M 和漏電感 L K 4. 功率開關為理想 5. 輸出電容 C O 和 C O 值大到可當理想電壓源在此電路中, 若只考慮變壓器中的激磁電感 L M 與漏電感 L K, 而忽略功率開關 S 於導通與截止時短暫的轉態時間, 則電路可簡化為兩個狀態, 其簡述如下 :. 當功率開關 S 導通時, 其等效電路如圖 5 所示, 在此區間中, 有 4 個電流迴路 ( 一 ) 激磁電感 L M 由輸入電壓產生激磁電壓 V LM ( 二 ) 電壓由耦合到, 使得二次側產生電壓 V, 並對電容 C 3 充電產生電壓 V C3 ( 三 ) 而電容 C 由於吸收了漏感 L K 的能量, 產生了電壓 V C, 並在放電的途徑中, 對電感 L 電容 C 充電, 產生電壓 V L V C V = V V (9) C3 CO V = V = ( V V ) (0) LM C3 CO V () LM C CO 而其電壓增益可由圖 5 和圖 6 之等效電路得到以下關係式 : VC3 = V, 其中 = () V C = V (3) VC = VC= V (4) V = V (5)

60 技術學刊第二十八卷第四期民國一二年 (0 V/div) I I C (0 A/div) (0 V/div) 圖 7 具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器成品圖 I I C (0

V/div) I L ( A/div) I C 圖 8 I S 滿載 50 W 時, V S I S 實測波形 ; 模擬波形 (0 V/div) I L ( A/div) I C + = V

+ + = V (8) (9) 四模擬與實驗結果本文所提出的具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器成品如圖 7 所示, 其中, 開關 S 採用 IPP037083, 切換頻率操作在 50

電路模擬部分採用 IsSpice 軟體分析, 電路實驗部份採用 Agilent SO-X 00A 示波器量測波形, 以 Chroma 63030 電子負載箱當負載進行電路測試實驗結果如圖 8

4 60 技術學刊第二十八卷第四期民國一二年 (0 V/div) I I C (0 A/div) (0 V/div) 圖 7 具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器成品圖 I I C (0 A/div) (0 V/div) V S (0 V/div) I S 圖 9 滿載 50 W 時, I I C 實測波形 ; 模擬波形 (0 V/div) (0 V/div) V S (0 V/div) I L ( A/div) I C 圖 8 I S 滿載 50 W 時, V S I S 實測波形 ; 模擬波形 (0 V/div) I L ( A/div) I C + = V CO C V = V + V = V CO C3 (6) (7) 圖 0 滿載 50 W 時, I L I C 實測波形 ; 模擬波形 + + = V O CO CO 最後可得其電壓增益 VO + + = V (8) (9) 四模擬與實驗結果本文所提出的具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器成品如圖 7 所示, 其中, 開關 S 採用 IPP037083, 切換頻率操作在 50 khz, 由於開關的切換頻率越低, 輸出的漣波電壓越大, 反之, 切換頻率越高, 輸出的漣波電壓越小, 且電磁干擾問題會相對較難處理, 因此, 選擇合理的切換頻率於轉換器的設計上是相當重要電路模擬部分採用 IsSpice 軟體分析, 電路實驗部份採用 Agilent SO-X 00A 示波器量測波形, 以 Chroma 電子負載箱當負載進行電路測試實驗結果如圖 8 為滿載 50 W 時 V S I S 的實測與模擬波形, 圖 9 為滿載 50 W 時 I I C 的實測與模擬波形, 圖 0 為滿載 50 W 時 I L I C 的實測與模擬波形, 圖為滿載 50 W 時

卓武舜梁鎮全和張簡士琨 : 具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器 6 表一轉換器在不同負載的詳細實驗量測數據 V in I in V out I out W in W out η %. 00.8 0.0509 3. 0.07 77.497.95 00.9 0.0999 3.4 0.0699 85.76885.8 00.8 0.494 33.6 9.9995 89.849 3.66 00.

36 9.08 0.7 0.496 08.96 00.043 9.8645 0.0 0.8 0.5454 0.4 0.067 9.53503 0.98 0.9 0.5948 3.76 0.090 9.4308.95 0.9 0.644 43.4 30.036 90.6797.89 0.6 0.6947 54.68 40.055 90.5475 3.89 0. 0.7457 66.68 50.

037 (0 V/div) I O I O ( A/div) (0 V/div) I ( A/div) I C3 (0 V/div) I O I O ( A/div) 圖滿載 50 W 時, I O I O 實測波形 ; 模擬波形 I O I O 的實測與模擬波形, 圖為滿載 50 W 時 I I C3 的實測與模擬波形, 圖 3 為滿載 50 W 時 V O,r I O 的實測與模擬波形

5 卓武舜梁鎮全和張簡士琨 : 具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器 6 表一轉換器在不同負載的詳細實驗量測數據 V in I in V out I out W in W out η % (0 V/div) I O I O ( A/div) (0 V/div) I ( A/div) I C3 (0 V/div) I O I O ( A/div) 圖滿載 50 W 時, I O I O 實測波形 ; 模擬波形 I O I O 的實測與模擬波形, 圖為滿載 50 W 時 I I C3 的實測與模擬波形, 圖 3 為滿載 50 W 時 V O,r I O 的實測與模擬波形 ( 其中 V O,r 為輸出電壓的漣波波形 ) 表一所示為本文所提出之具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器於不同負載的詳細實驗量測數據, 經由計算後得到圖 4 為此轉換器的輸出功率與效率關係圖由圖中可看出, 在輸出功率 60 W 時, 會有最大效率約為 93% 而在滿載輸出功率 50 W 時, 效率約為 90% 五結論本文提出一種新型的高昇壓型轉換器, 其目的在克服傳統昇壓型轉換器昇壓比不足與耦合電感上漏電感與寄生 (0 V/div) I ( A/div) I C3 圖滿載 50 W 時, I I C3 實測波形 ; 模擬波形 (0 V/div) I O (500 ma/div) V O,r (500 mv/div) (0 V/div) I O (500 ma/div) V O,r (500 mv/div) 圖 3 滿載 50 W 時, I O V O,r 實測波形 ; 模擬波形

6 6 技術學刊第二十八卷第四期民國一二年 η (%) P out (W) 圖 4 輸出功率與效率關係圖電容諧振產生的電壓突波問題此外, 電壓箝制電路也可以把漏電感吸收的能量, 供應到負載, 達到能量回收的目的文中對具耦合電感與電壓箝制電路之高昇壓型轉換器穩態電路動作分析與輸入輸出電壓間關係式推導, 最後實際設計一輸入直流 V, 輸出直流 00 V 之高昇壓型轉換器, 並以模擬軟體加以驗證而在效率的表現上, 輸出功率在 60 W 時, 會有最大效率約為 93% 而輸出再滿載 50 W 時, 效率約為 90% 誌謝本研究為國科會編號 SC0--E 之研究計畫經費補助, 特此致上感謝之意參考文獻. 王順忠, 電力電子學, 東華書局, 臺北 (998). Erickson, R. W. and Maksimovic,., Fundamentals of Power Electronics (nd), Springer, Berlin (00). 3. Wu, T. F., Lai, Y. S., Hung, J. C., and Chen, Y. M., Boost Converter with Coupled Inductors and Buck-Boost Type Active Clamp, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 55, o., pp (008). 4. Cheng,. K. W., Liu, X. C., and Lee, Y. S., A ew Improved Boost Converter with Ripple Free Input Current Using Coupled Inductors, Proceedings of the 7 th International Conference on Power Electronics and Variable Speed rives, London, pp (998). 5. Wang, J., unford, W. G., and Monrad, K., Analysis of A Ripple-Free Input-Current Boost Converter with iscontinuous Conduction Characteristics, IEEE Transactions on Power Electrons, Vol., o. 4, pp (997). 6. Lu,.. C., Cheng,. K. W., and Lee, Y. S., A Single-Switch Continuous Conduction-Mode Boost Converter with Reduced Reverse-Recovery and Switching Losses, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 50, o. 4, pp (003). 7. uarte, C. M. C. and Barbi, I., An Improved Family of ZVS-PWM Active-Clamping C-to-C Converters, IEEE Transactions on Power Electrons, Vol. 7, o., pp. -7 (00). 8. Lee, Y. S. and Lin, B. T., Adding Active Clamping and Soft Switching to Boost-Flyback Single-Stage Isolated Power-Factor-Corrected Power Supplies, IEEE Transactions on Power Electrons, Vol., o. 6, pp (997). 03 年 05 月 6 日收稿 03 年 05 月 0 日初審 03 年 06 月 09 日複審 03 年 07 月 08 日接受

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2012 10 31 10 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering October Vol. 31 2012 No. 10 Web2. 0 400030 SaaS B /S Web2. 0 Web2. 0 TP315 A 1003-8728 2012 10-1638-06 Design and Implementation