(磁性元件，包括電感與變壓器在一般電路中之效益分析)
ㄧ.實務驗證之順向交換式電源供應器介紹：
此次實驗所使用之500W順向交換式電源供應器，是使用交換式電源供 應器製造商明緯企業股份有限公司所生產型號為SP-500-24之500W順向交 換式電源供應器，表2-1為此交換式電源供應器之datasheet。
表 2-1 明緯公司 SP-500-24 電源供應器DATASHEET
二.隔離順向式轉換器的基本原理
2如圖 2-1 所示為基本的順向式轉換器電路與其電路波形。
圖2-1 隔離順向式轉換器與其波形[1]
2 第二章所有的理論及實驗的基本條件為連續電流模式。
由於順向式轉換器中所使用的隔離元件，乃是一個真正的變壓器，因 此為了獲得正確有效的能量轉移，必須在輸出端有電感器，做為次級感應 的能量儲存元件。而變壓器的初級繞組與次級繞組(primary and secondary windings)有相同之極性，此電路的操作原理如下：當電晶體Q1於ON的狀態 時，初級繞組漸漸會有電流流過，並將能量儲存於其中，由於變壓器次級 繞組有相同的極性，此能量就會順向轉移至輸出，且同時經由順向偏壓二 極體D2，儲存於電感器L中，此時的二極體D3為逆向偏壓狀態。當電晶體 Q1轉換成OFF狀態時，變壓器的繞組電壓會反向，D2二極體此時就處於逆 向偏壓的狀況，此時飛輪二極體(flywheel diode)D3則為順向偏壓，在輸出迴 路上有導通電流流過，並經由電感器L，將能量傳導至負載上。
變壓器上的第三個繞組與二極體D1，互相串聯在一起，可達到變壓器 消磁(demagnetization)作用，也就是說當電晶體Q1於OFF時，變壓器的磁能 會轉回至輸入直流匯流排上。在圖2-1的波形中有黑色部分的區域，乃為磁 化——消磁電流(magnetizing-demagnetizing current) Imag：
＝ (2.1) 器在此Tδmax為Q1電晶體ON時的週期，L為輸出電感值。
三.順向式轉換器交換電晶體
在圖2-1中，由於變壓器的第三繞組與二極體 的作用，因
此 電晶體OFF時，利用第一三繞組比例關係，其集極電壓被限 制為
＝2 (2.2) 我們由波形中亦可得知集極的峰值電壓2Vin，恰為D1二極體之導通時 間，其導通週期為Tδmax。我們再來看看圖中的波形，當電晶體在ON時，
集極電流值的大小，可寫成下式
＝ (2.3) n ：初級對次級的圈數比
IL：輸出電感器的電流(A) L ：輸出電感器(μH)
Tδmax：電晶體ON時的週期 由此可知
＝
(2.4) 又
＝ (2.5) 因此(2.3)式可改寫成
＝
(2.6)
四.順向式轉換器變壓器
在設計順向式轉換器的變壓器時，需多加留意選擇適合的鐵心大小與 鐵心的空氣間隙，以防止鐵心被飽和了。選擇變壓器鐵心的大小為
(2.7) μo：鐵心材料的初始導磁率
μe：鐵心材料的相對導磁率 Bmax：鐵心的最大磁通密度 L ：輸出電感器(μH)
在此
＝ (2.8) 另外需注意的是電晶體開關δmax的工作週期需保持低於百分之五十 以下，利用第一三繞組比例關係，第三繞組變壓器會被定位，而輸入 電壓之間會有伏特—秒(volt-second)積分作用產生，當Q1電晶體ON時，定 位於某一準位，當Q1電晶體OFF時，其值為零。
如果工作週期大於百分之五十，也就是δ＞0.5將會破壞伏特—秒 (volt-second)積分作用的平衡，使得變壓器趨於飽和狀態，也會產生極高的 集極電流波尖，而破壞了轉換電晶體。
雖然變壓器的第三繞組與二極體的定位動作，能夠限制電晶體的集極 峰值電壓至二倍的輸入直流電壓，但是有一點需留意的是，在繞製變壓器
時，需將第三繞組與初級繞組緊密來繞製(使用雙線繞法)，如此方可減少由 漏電感產生的致命電壓波尖。
五. 基本順向式轉換器的變化形式
由於輸入電壓過高時，電晶體會承受較大的耐壓值，因此改用兩個電 晶體的變化方式，如圖2-2電路所示，此兩個電晶體開關會同時ON或OFF，
但由於二極體D1與D2的制止動作，所以電晶體上所承受的電壓不會超過 Vin以上。
圖 2-2 使用兩個電晶體的順向式轉換器[1]
順向式轉換器亦可應用於多重輸出的電路中，不過在每一輸出部分都 需要有額外的二極體與扼流圈。在此需注意的事飛輪二極體至少要與主要 的整流二極體有一樣的電流額定值，這是因為當電晶體OFF時，會有滿電 流輸出，在圖2-3的電路，就是多重輸出順向式轉換器(multiple-output forward converter)。
圖 2-3 多重輸出順向式轉換器[1]
六. 模擬 500W 順向式轉換器電路
在瞭解完順向式轉換器的基本原理後，我們利用 IsSpice 軟體模擬尚未 共鐵心前之500W forward converter circuit，其額定輸入為AC 110V，額定輸 出為DC 24V，模擬觀察其變壓器一次側、二次側與輸出端電感在無載到滿 載間的電壓電流變化情形，並在模擬後實際量測電路波形，互相對照取得 最後結果；由於鐵心材質不同，影響變壓器及電抗器效率甚鉅，本次模擬 分析將採用Philip ETD44鐵心材質之變壓器，其一次側與二次側之匝數比為 42：9，以此條件進行軟體模擬分析。
(一) 模擬方式：(模擬一至模擬六)
針對改變負載，觀察電路之電壓電流波形變化情形，分別模擬0W、
1. 模擬軟體 IsSpice各項參數定義及說明 (1) 模擬電路
圖 2-4 500W forward converter circuit IsSpice 模擬電路圖
(2) 0W負載時之模擬結果
A. 功率開關Q51、Q52之電壓、PWM IC current sense 波形
圖 2-5 0W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC
current sense 波形 IsSpice 模擬結果 B. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-6 0W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形 IsSpice 模擬結果
(3) 100W負載時之模擬結果
A. 功率開關Q51、Q52之電壓、PWM IC current sense 波形
圖 2-7 100W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC
current sense 波形 IsSpice 模擬結果 B. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-8 100W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形 IsSpice 模擬結果
(4) 200W負載時之模擬結果
A. 功率開關Q51、Q52之電壓、PWM IC current sense 波形
圖 2-9 200W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC
current sense 波形 IsSpice 模擬結果 B. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-10 200W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形 IsSpice 模擬結果
(5) 300W負載時之模擬結果
A. 功率開關Q51、Q52之電壓、PWM IC current sense 波形
圖 2-11 300W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC
current sense 波形 IsSpice 模擬結果 B. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-12 300W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形 IsSpice 模擬結果
(6) 400W負載時之模擬結果
A. 功率開關Q51、Q52之電壓、PWM IC current sense 波形
圖 2-13 400W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC
current sense 波形 IsSpice 模擬結果 B. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-14 400W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形 IsSpice 模擬結果
(7) 500W負載時之模擬結果
A. 功率開關Q51、Q52之電壓、PWM IC current sense 波形
圖 2-15 500W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC
current sense 波形 IsSpice 模擬結果 B. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-16 500W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形 IsSpice 模擬結果
七. 實際量測之波形數據
(一) 0W負載時之實際量測結果，示波器 Channel 3 電流電壓轉換比3為 300A/4V
1. 功率開關Q51、Q52之電壓，PWM IC current sense 波形，
3 本實驗電流波型之量測皆使用霍爾比流器(Hall CT) LEM HAL 300-S。
圖 2-17 0W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC current sense 波形
2. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-18 0W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形
(二) 100W負載時之實際量測結果
1. 功率開關Q51、Q52之電壓，PWM IC current sense 波形
圖 2-19 100W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC current sense 波形
2. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-20 100W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形
(三) 200W負載時之實際量測結果
1. 功率開關Q51、Q52之電壓，PWM IC current sense 波形
圖 2-21 200W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC current sense 波形
2. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-22 200W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形
(四) 300W負載時之實際量測結果
1. 功率開關Q51、Q52之電壓，PWM IC current sense 波形
圖 2-23 300W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC current sense 波形
2. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-24 300W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形
(五) 400W負載時之實際量測結果
1. 功率開關Q51、Q52之電壓，PWM IC current sense 波形
圖 2-25 400W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC current sense 波形
2. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-26 400W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形
(六) 500W負載時之實際量測結果
1. 功率開關Q51、Q52之電壓，PWM IC current sense 波形
圖 2-27 500W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，PWM IC current sense 波形
2. 功率開關Q51、Q52之電壓，L51 Output filter choke電流波形
圖 2-28 500W 負載時功率開關 Q51、Q52 之電壓，L51 Output filter choke 電流波形
八. 心得
此次模擬及實驗的目的是為了觀察順向式轉換器在未共鐵心前的電路 工作情形，以當作日後變壓器採用共鐵心結構後電路工作情形的比對資 料，進而分析其中的優缺點，以便做為改良共鐵心變壓器結構的基礎。