研究動機及目的

Lamp)、發光二極(Light-Emitting Diode; LED)、螢光燈(Fluorescent Lamp)、複金屬燈 (Metal Halide Lamp)、高亮度氣體放電燈(High-Intensity Discharge Lamp; HID)…等光 源相繼出現[1]，提供了人類各項照明的需求。直到如今，照明用途已不僅是提供環

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率產品上。高功率直流/直流轉換器對於電能轉換效率有更高的要求，以降低對散熱 設備的依賴並提升轉換器的功率密度。針對改善轉換器效率，許多文獻提出柔性切 換技術，使主動開關切換的時間發生在零電壓或零電流[2-13]，能夠減少切換損失與 降低功率開關的電流和電壓應力，除了提升電路效率外，可增強電路穩定度外也可 有效地降低電磁干擾。

因此本文提出一型直流/直流轉換器，電路含兩組交錯導通的返馳轉換器，電感 電流流經主動開關之本質二極體，使主動開關操作於零電壓切換導通，提升整體電 路轉換效率，並且在這兩組返馳轉換器主動開關的汲極旁各加一顆旁路二極體，使 開關在切換關閉時能分流漏感能量所造成的突波能量。因交錯式轉換器之特性，兩 組轉換器共同分擔總輸出功率，降低在元件上之電壓與電流應力，輸入電流漣波與 輸出電壓漣波較低，使元件壽命提升，增加電路之可靠度。

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1.2 發光二極體(Light-Emitting Diode)簡介

發光二極體(Light-Emitting Diode)是由半導體材料所製成之發光元件，元件具有

分別為應用脈波寬度調變(Pulse-width Modulation; PWM)與電壓控制。大部分常用 LED調光方式為PWM低頻調光，當脈波訊號為高電位時，LED導通，當脈波訊號為

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LED 優點：[15]

1. 其本身體積可以造得非常細小，可塑性強，可施工在任何造型上。

2. 能量轉換效率高(電能轉換成光能的效率)，耗電少，省能源，環保無汞。

3. 由於是固態元件，沒有燈絲、玻璃罩等，與螢光燈、白熾燈…等相較之下能 承受更大震盪。

4. 在安全的操作環境下平均可達到10 萬小時的壽命，即便是在 50 度以上的高 溫，使用壽命還有平均約4 萬小時。

5. 因發光體積細小，而易於以透鏡等方式達致所需集散程度，藉改變其封裝外 形，其發光角度由大角度散射至細角度聚焦都可以達成。

LED 缺點：[15]

1. 製造成本高，價格稍貴。其產品損耗後，不利於回收利用，不符環保。

2. 發光二極體為光源面積小、分布較集中，作照明用途時會刺眼，須運用光學 設計分散光源。

3. 發光二極體因生產技術問題都會在特性(亮度、顏色、偏壓…等)上有一定差 異，即使是同一批次的發光二極體差異也不少。

4. 演色性低一直是 LED 的問題。

5. 效率受高溫影響而急劇下降，不但浪費電力也產生更多熱能，令溫度進一步 上升，形成惡性循環。浪費電力也縮短使用壽命，因此需要良好散熱。

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1.3 漏電感(Leakage Inductance)簡介

在耦合電感中初級線圈與次級線圈的耦合係數小於1時，耦合電感中會有某些部 漏電感，又稱漏感(Leakage Inductance)，視為線圈不會有變壓作用，只會有類似抑 流電感的作用，這部份線圈源於不完全耦合的電感即為漏電感。若初級線圈與次級 線圈完全耦合，即耦合係數為理想的1時，則這時變壓器時漏電感的數值為零。但一 般變壓器的耦合係數多為1以下，因為未完全耦合，所以線圈大部分存在漏電感。

變壓器(Transformer)是利用磁場耦合原理所形成的一種電能轉換元件。變壓器 由幾個重要元素所組成:兩組繞線、一條磁耦合路徑。兩組繞線分別形成兩個電感器，

而磁耦合路徑通常必須使用高導磁材料來引導磁通方向。圖1.2為理想變壓器的電路 符號。變壓器的繞線是由漆包線所繞製而成，而漆包線有對應的阻抗值，因此可以 在理想變壓器之電路符號上，加入阻抗R1與R2。圖1.3所示。考慮實際變壓器鐵心的 相對導磁係數並非無窮大，所以在線圈N1內的磁通，並無法百分之百通過線圈N2， 而是有一部分的磁通散逸到空氣中。這種效果就如同有一個電感，會產生磁通，但 卻沒有耦合到二次側的繞圈一樣。所以，可以用一個電感器來表示磁通洩漏到鐵心 外的現象，而這個電感就被稱為漏電感(Leakage Inductance)。由於每組繞線都會有 磁通洩漏的現象，因此每組繞線都要加上漏電感。漏電感以電抗(Reactance)表示，

並加入變壓器中，如圖1.4所示。

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圖1.2 理想變壓器的電路符號

圖1.3 考慮有繞線電阻的變壓器模型

圖1.4 考慮繞線電阻與漏電感的變壓器模型

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返馳式轉換器會因變壓器之漏電感及功率開關電晶體(MOSFET)中的寄生電容，

於功率開關晶體關閉時，因電感的磁通必需連續，而變壓器之漏電感無法將儲存於 漏電感之磁通轉換至二次側，漏電感電流瞬間被截斷，於功率開關晶體之汲極(Drain) 與源極(Source)間將有一極大之電壓突波(Voltage Spike)，變壓器之漏電感與功率開 關電晶體寄生之電容共振產生高頻震盪時，然而元件寄生之電感及電容所產生之電 壓突尖並伴隨之高頻震盪，將可能對開關晶體造成應力衝擊甚至損壞。高頻震盪也 可能衍生電源系統之電磁干擾或電路操作之可靠度問題。如圖1.5所示。

圖1.5 返馳式轉換器及其元件等效電路模型

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1.4 論文大綱

本文內容共分為六章陳述，各章節內容安排如下：

第一章：簡介本文研究動機，並概述LED驅動器與何謂漏電感。

第二章：介紹主動開關元件之柔性切換與硬式切換。

第三章：介紹本文提出之新型交錯式轉換器基本架構、控制電路及電路工作模式分 析。

第四章：介紹本文電路特性、電路設計限制及參數設計過程。

第五章：依據上一章之參數設計值進行電路模擬與雛形電路製作，並比較模擬波形 與實測波形，驗證所提電路之可行性。

第六章：結論與未來研究方向。

- 10 - 動開關元件有雙極接面電晶體(Bipolar Junction Transistor, BJT)、金屬氧化物半導體 場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET) 、絕緣柵雙 極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)…等。

1. 雙極接面電晶體(BJT)：是一種具有三個終端的電子器件，又俗稱三極體。這種

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3. 絕緣柵雙極電晶體(IGBT)：IBGT是一種結合BJT跟MOSFET優點的開關元件。

基本上，它是利用MOSFET快速切換的特性，擔任控制訊號的放大；然後利用 BJT較大電流放大倍率的特性，擔任主要電流的導通路徑。此IGBT可說是集BJT 與MOSFET之優點的組成，所以其特性便居於兩者之間。如圖2.3所示。

(a) PNP BJT (b)NPN BJT 圖2.1 BJT電路符號

圖2.2 MOSFET電路符號

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C 集極

E 射極 G

閘極

圖2.3 IGBT電路符號

表2.1 BJT、IGBT、MOSFET之特性比較表

BJT IGBT MOSFET

承受功率 低 高 中

耐電流 大 中 小

開關切換速度 慢 中 快

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2.2 主動開關硬式切換介紹

轉換器中常使用金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)或雙極接面電晶體 (BJT)作為主動開關，本文實驗中的主動式開關將選擇使用金屬氧化物半導體場效電 晶體。因金屬氧化物半導體場效電晶體在切換時並非理想現象，其中可能造成的切 換損失。會因漏感以及寄生電容，產生不必要之突波，對電晶體元件造成不必要之 應力，而導致元件之損毀。

硬式切換可能造成的切換損失有：[16-20]

1. 開關截止損失：在主動開關使用硬式切換方式，當開關截止時，由於開關電流 下降緩慢，開關的跨壓因為汲極(D)與源極(S)間寄生電容受到大電流急速充電而 造成電壓快速上升，快速上升電壓與緩慢下降的開關電流所交疊之面積，即為 開關截止損失，如圖2.4所示。而此勢也必造成功率損耗於開關上。

圖2.4 主動開關截止時之暫態

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2. 開關導通損失：汲極(D)-源級(S)間寄生電容的放電發生於開關導通暫態，因金 屬氧化物半導體場效電晶體的汲極(D)和源極(S)間寄生電容作用，當開關導通時 必須先將電容放電，由於寄生電容放電，開關電流會快速上升，而開關電壓因 寄生電感，開關跨壓緩慢下降，開關電流與開關電壓所交疊之面積，即為開關 導通損失 ，如圖2.5所示。而此勢也必造成功率損耗於開關上。

圖2.5 主動開關導通時之暫態

由上圖2.4跟圖2.5可知硬式切換在開關截止與導通時皆會造成切換損失。當系統 切換頻率增加，在導通與截止時開關元件上的電壓或電流迅速變化，即電壓變化率 (dv/dt)與電流變化率(di/dt)過大，將產生嚴重之電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)，這不僅影響系統本身之運作，產生之高頻雜訊也會干擾其他電子設備，而且 還可能會引起電磁干擾問題，嚴重的話會造成電路誤動作，甚至影響控制迴路，產 生穩定性問題。而其切換損失將也會轉換成熱能，隨著電路的運作，系統溫度亦逐 漸上升，然而開關元件在高溫時之耐壓與耐流的能力也會降低，若未重視散熱的問 題，將導致功率開關元件壽命縮短，甚至過熱而燒毀；若無法降低切換的損失，勢 必要在功率開關元件上加大散熱片來解決散熱的問題，因此散熱系統的體積必須增

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加，最終還是無法達到產品精密和小型化的設計目的。因此，硬式切換大致上僅適 用於較低功率之應用。

由於開關切換損失發生在每個切換動作，與切換頻率是成正比的，若切換頻率 提高，開關所造成損失亦會提高。伴隨著現代科技進步，我們會想要減小元件(如磁 性元件、儲能元件)的面積，勢必提高切換頻率，如此一來每週期的儲存能量變化較 小，即可縮小體積亦可以減省成本，但是若提高操作頻率，切換損失的問題將會接 踵而來。由上述的開關切換暫態現象可以知道，若使用傳統硬式切換的方法一定會 造成切換損失，若使用柔式切換的方式功率開關間的切換將可解決此困擾。

常見的開關柔性切換技術有零電流切換(Zero-Current Switching, ZCS)以及零電 壓切換(Zero-Voltage Switching, ZVS)，即能有效地降低切換損失。因此使用柔式切 換降低損失的技術相對重要。

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2.3 主動開關柔式切換介紹

硬式切換架起了轉換器的基本拓樸結構，也決定了轉換器的根本操作原理，更

硬式切換架起了轉換器的基本拓樸結構，也決定了轉換器的根本操作原理，更