其它型式之直流电源转换器电路

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,*,*,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,*,*,其它型式之直流電源轉換器電路,交換式電源供給器之理論與實務設計,梁適安,編著,交換式電源供給器報告,第四章,1,交換式電源供給器報告,振玲扼流圈轉換器之應用,CUK,轉換器之基本工作原理,前言,2,交換式電源供給器報告,振玲扼流圈轉換器之應用,大都應用於較小功率輸出，及價格成本較低之電源供應器上,電路架構簡單，被廣泛的應用於,10,w,至,50,w,之輸出電路,此種架構振盪頻率會隨輸入電壓或負載之不同而改變，因此,也稱為,Free Running Blocking Oscillator,Conveter,RCC,基本電路,3,交換式電源供給器報告,(續),圖4-2 RCC,電路各點之電壓波形,4,交換式電源供給器報告,圖4-3 RCC,電路各點之電流波形,(續),5,交換式電源供給器報告,振玲扼流圈轉換器之基本工作原理,Vin,輸入電壓提供至,RCC,電路時，,R,1,上會有電流產生，並流經,Q,1,之基極，使得,Q,1,導通成為飽和狀態,2.,由於,Q,1,導通，此時在初級側,N,1,繞組上會有電流通過，此電流則為,註：,為電晶體之最大導通時間,為變壓器繞組之電感值,(4-1),6,交換式電源供給器報告,2.,(續),在此同時，變壓器,N,3,繞組上亦會有磁通建立，所以,N,3,繞組上會有,電壓,V,b,產生，使得,R,2,上有電流產生，並流經,Q,1,基極，繼續使得,Q,1,在導通狀態,。,二次側,N,2,繞組上之電壓因對二極體,D,1,而言為逆向偏壓，故,N,2,繞組,不會有電流過,。,因此，流過一次側,N,1,繞組之電流就會成為變壓器,之激磁電流，此時能量就會儲存在變壓器中,。,(4-2),7,交換式電源供給器報告,(續),4.由,(4.1),式可得知，流經電晶體之電流Ic 將隨時間成比例,增大,，,可是當電晶體之基極電流成為不能使電晶體達到飽,和狀態時,，,也就是Ib Ic 之情況下，轉換電晶體就會,脫離飽和狀態，此時電晶體之Vce 電壓就會增大，而流經,N1繞組之電流就會下降，而在N3,繞組之,Vb,電壓亦會成負值,，如此Vce之電壓更驅增加，使得轉換器電晶體更如此Vce,之電壓更驅增加，使得轉換器電晶體更快速達到關閉之狀,態。,8,交換式電源供給器報告,5.由於極性反轉之關係，在N,2,繞組之電壓會將,D,1,二極體導通，因此,，原來儲存在變壓器之能量就會經由,N,2,，,D,1,，,C,1,傳遞至負載輸,出端,。,6.若輸出電壓為,V,out,，二極體,D,1,之順向電壓降為,V,d1,，則跨於,N,2,繞組,之電壓,V,n2,為,：,(4-3),若,N,2,繞組之電感量為,Ls,，則流經此繞組或二極體,D,1,之電流則為,：,(4-4),9,交換式電源供給器報告,6.,(續),或是,(4-5),由於變壓器會將所儲存之能量全部移至輸出負載，因此，流經二極體,D,1,之電流就會漸便為零，如此使得二極體,D,1,變成在截止狀態,。,而此時在各,組之上電壓則為零，不過轉換開關,Q,1,則會因為起動電阻,R,1,之作用而開始,導通，如此又再度回到原來剛開始之狀態，而這些,ON，OFF,之反覆動,作，將會始電路持續振盪，達到,Free running,之結果,。,7.,10,交換式電源供給器報告,(續),此電路之振當頻率,f,s,會隨著輸入電壓以及負載之大小而改變，一般其關係式如下:,(4-6),11,交換式電源供給器報告,(續),若輸出電壓為Vout，輸出電流為Iout，則輸出功率可以表示如下式：,假設，輸入功率Pin與輸出功率Pout相等，則,由上式可得知下式：,(4-),(4-),12,交換式電源供給器報告,(續),由,(4-8),式,亦可得出初級側繞組之電感量L,p,為,(4-9),圖,4-1,之RCC電路中各點之電壓波形與電流波形，如圖,4-2,與,4-3,所示,13,交換式電源供給器報告,(續),由,(4-8),式,亦可得出初級側繞組之電感量L,p,為,(4-9),圖,4-1,之RCC電路中各點之電壓波形與電流波形，如圖,4-2,與,4-3,所示,14,交換式電源供給器報告,CUK,轉換器之基本工作原理,1.由第二章中之三種轉換器結構的分析與討論，並由其電流波形圖,則可獲知這些轉換器主要缺點就是在輸入端或輸出端會有脈動電,流的形式產生。,2.而此不連續的電流乃是造成高壓漣波的主要原因，甚至於會導致,嚴重的傳導與輻射之電磁干擾,EMI,問題,。,3.而此三種基本直流轉換器的輸出電壓乃是由控制交換元件的導通,時間或工作週期,D,來決定。,15,交換式電源供給器報告,(續),為了克服改進這些轉換器的缺點,在此會討論分析新型式無漣波的,CUK,轉換器,在圖,4-4,為新型式無漣波輸出的,CUK,轉換電路架構及輸入與輸出電流波形,圖4-4 基本的,CUK轉換電路,16,交換式電源供給器報告,(續),1.由,圖,4-4,可得知皆為連續的電流，而非脈動的電流形式,。,2.此種轉換器則可推演出各種型式的,CUK,轉換器電路，如圖4-5,所示就是無隔離(nonisolated)型式的,CUK,轉換器，而圖4-6所,示為具有隔離(isolated)型式的,CUK,轉換電器,。,17,交換式電源供給器報告,基本的,CUK,轉換電路之操作原理說明（一）,1.由,圖,4-4,可得知，功率開關,MOSFET Q,1,在此當為交換原件使,用，會在飽和與截止的區域操作,。,2,.,電容器,C,1,當作為輸入端與輸出端之間的能量轉移元件,。,3.當功率開關,Q,1,在關閉,(OFF),狀態時，二極體,D,1,就會在導通狀態,(,DTs期間,)，此時輸入電流會經電感,Lp,在正的方向將電容器,C,1,充電。,4.電感器,Lo,1,的能量會轉移至輸出端，如此可使得輸出電流,Lo,1,為,非脈動電流,。,18,交換式電源供給器報告,基本的,CUK,轉換電路之操作原理說明（二）,1.當開關,Q,1,導通時，,D,1,就會在關閉的狀態(在,DTs,期間)，此時,C,1,的正端點就會接到地電位，也就是說,C,1,會經由負載,RL,1,與,L,O,1,放電，因此,C,2,端的電壓會變為負的輸電壓,。,2.由於此種轉換器結合了,buck-boots,的特性，而且能量轉移為,電容性，因此理論上只要將變壓器與電感器設計適當，則可,得知,CUK,轉換器的輸入與輸出電流幾乎近於純直流特性，此,時交換漣波則予以忽略,。,19,交換式電源供給器報告,圖4-5 無隔離式的,CUK,轉換器,(續),20,交換式電源供給器報告,圖4-6 隔離式的,CUK,轉換器,+,+,+,21,交換式電源供給器報告,(續),3.由,(4-5),與,(4-6),圖可以看出，如果將輸入電感Lp與輸出電感,Lo,1,耦合在相同的鐵心上時，在負載端幾乎可以達到無漣波的,輸出電流,。,4.由於這二個耦合電感器構成了一個變壓器，因此，每一繞組的,有效電感值，經由交互的感應能量轉移，其值會被改變,。,5.同樣的，如果同時將變壓器，輸入電感,Lp,與輸出電感,Lo,1,都耦,合在相同的鐵心上時，則輸入端與輸出端亦可同時達到無漣波,的電流,。,22,交換式電源供給器報告,無隔離型式,CUK,轉換器的穩態分析,1.假設在圖,4-4,中基本無隔離型式的,CUK,轉換器電路是操作在穩定,狀態,(Steady State),，此時將對其做簡單的穩態分析,。,而轉換器,的導通週期,(DTs,)與關閉週期(,DTs,)之等效電路，則表示於圖,4-7,中,。,2.因此，在,DTs,週期裡，功率開關,Q,1,會在導通狀態，且二極體,D,1,則在,關閉狀態,。,由圖,4-7,可得二個方程式為：,23,交換式電源供給器報告,圖4-7 無隔離式,CUK,轉換器之等效電路,(續),24,交換式電源供給器報告,(續),由圖4-7(c)則可得到二個方程式為:,為了達到電感器的伏特一秒之平衡,(Volt-Second blance),，則,25,交換式電源供給器報告,(續),因此，將以上所得到方程式，經由代數運算後，則可推演,出以下之結果：,26,交換式電源供給器報告,(續),而且,若假設在電路中，功率的轉換沒有任何的損失，亦可得到,電流關係式：,輸入電感器,Lp,與輸出電感器,Lo1,之電壓與電流波形,則示於圖,4-8,與,4-9,中,。,而圖,4-10,為能量轉移電容器,C,1,之電壓與電流波形,。,27,交換式電源供給器報告,圖4-8 輸入電感器的電壓與電流波形,圖4-9 輸出電感器的電壓與電流波形,(續),28,交換式電源供給器報告,圖4-10 能量轉移電容器,C,1,之電壓與電流波形,(續),29,交換式電源供給器報告,隔離型式,CUK,轉換器的穩態分析,1.在圖,4-11,電路中使用了變壓器來達到隔離之效果，同時由其圈數比,之設定，亦可獲致所期望的輸出電壓,。,2.操作原理與無隔離型式的,CUK,轉換器類似，因此圖4-11(C)所示的,等效電路乃是在,DTS,之週期裡，此時功率開關Q,1,處於關閉狀態,。,3.輸入電流會將原先儲存於輸入電感器,Lp,的能量，流經電容器Cp與變,壓器的初級圈,。,30,交換式電源供給器報告,(續),圖4-11 隔離式,CUK,轉換器之等效電路,31,交換式電源供給器報告,(續),4.,此變壓器的次級與初級的圈數比為,a,，,則此會有,1/a,倍的電流,感應至變壓器次極端,，,而電流則會流經導通的二極體並將,電容,器C,1,充電,。,(此期間輸出電感會將所儲存的能量釋放至負載),5.,在,DTs,期間電容器,Cp(,與,C,1,),已被充電至正電壓，此時則會經,由,MOSFET,與變壓器初級圈放電，並轉移所儲存的能量至輸出,電路,。,32,交換式電源供給器報告,(續),6.,MOSFET,在導通狀態時，會使得電容器,Cp,的正端接地，而,在瞬時電容器上的電壓降則必須保持相同，如此使得變壓器,初級圈的電壓降被拉至負的準位,。,隔離式的,CUK,轉換器做簡單的穩態分析，首先由圖4-11(b)導通週期的等效電路，即可得到三個電壓方程式,。,33,交換式電源供給器報告,(續),在圖,4-11,(c)關閉週期的等效電路中，亦可得到以下三個電壓方程式為:,為了達到輸入電感器，輸入電感器與變壓器的伏特一秒平衡,(Volt-,second balance)，,則須,34,交換式電源供給器報告,(續),將上頁所得到的方程式，經由代數運算後，則可獲致下列之結果,35,交換式電源供給器報告,(續),且：,由上式推導的結果可得知，當圈數比,a,固定時，只要控制轉換器交換頻率的工作週期,D,，即可改變輸出電壓之大小,同樣地如果假設在隔離型式,CUK,轉換器的電路中，功率的轉換沒有任何損失，則亦可得到電流關係式：,36,交換式電源供給器報告,輸入電感器的電壓與電流波形,輸出電感器的電壓與電流波形,37,交換式電源供給器報告,變壓器初級圈,Np,與次級圈,Ns,1,的電壓波形,能量轉移電容器,Cp,之電壓與電流波形,38,交換式電源供給器報告,能量轉移電容器C,1,之電壓與電流形,(續),39,交換式電源供給器報告,耦合電感器的分析,1.在圖4-17為,CUK,轉換器的耦合電感器,。,由於將電感器,Lp,與,Lo,1,都繞在同一鐵心上，如此不僅可以耦合增加電感值，減,少銅損失與鐵心損失,。,圖4-17 輸入與輸出的耦合電感器,40,交換式電源供給器報告,2.可以減少整個轉換器的尺寸大小，重量與元件數目，同時可達,到零漣波的境界,。,3.耦合電感器的作用並不會影響基本的直流特性，而對整個,CUK,直流轉換器來說來可以達到提高效率的目的,。,(續),41,交換式電源供給器報告,(續),由圖4-17可推出耦合電感器的電壓矩陣為,Lp,:,輸