非對稱半橋高降壓轉換器:使用變壓器降壓

崑山科技大學電機系

實務專題製作 期末報告

非對稱半橋高降壓轉換器:使用變壓器降壓

班 級： 四電機三 A 學號/姓名 : 4060J018 邱丞玄 4060J043 吳宗憲 指 導 老 師 : 楊松霈 中華民國 109 年 5 月 15 日

非對稱半橋高降壓轉換器:使用變壓器降壓

吳宗憲 邱丞玄 崑山科技大學電機工程系 摘 要 在日常生活上隨處可見有需多 DC/DC 的轉換器應用在了許多的設備上面， 像是家中的電腦主機，車上音響等電源電壓來做變換，當直流電源電壓不是你 所需要的或電路需要多種電壓的直流電源便可以用 DC-DC 轉換器將電源電壓升 高或降低到你所需要的電壓。常見的 DC/DC 種類有:隔離型與非隔離型。非對稱 半橋高降壓轉換器是屬於高降壓電路且具有柔性切換功能。本專題也進行實 作，製作出非對稱半橋高降壓轉換器，來學習轉換器之分析、設計與研製，且 並為一穩壓電路，所以操作於連續導通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)。

誌謝

首先，誠摯的感謝我們的專題指導老師 楊松霈 教授，我們在楊教授 的細心的指導和適時地提供建議下，除了讓我們能夠深入的了解電力 電子學領域-非對稱半橋高降壓轉換器的理論，同時也學會了本專題主 要的一些器具及設備工具: IsSpice 模擬、Visio 繪畫電子電路圖、 Protel 畫電路圖及示波器、電源供應器、高壓電子式負載、交流電源 供應器、電路板焊接、電感繞製、變壓器繞製及量測，以及曝光機、 蝕刻、雕刻機、烙鐵之使用，讓我們在本次專題製作中得到不只是一 份研究成品，也從中獲得些許成就感。

目錄

頁數 摘要………..…...……I 誌謝………...…II 目錄………...……III 表目錄………...……IV 圖目錄………..…..……V 一、 PWM 驅動訊號 1.1 PWM 驅動電路………1 1.2 PWM 接上開關………..……….3 二、 非對稱半橋高降壓轉換器 2.1 非對稱半橋高降壓轉換器規格………..………….4 2.2 電路分析...……….5 2.3 非對稱半橋高降壓轉換器電氣規格……….……..9 2.4 轉換器模擬與實做對比………...………..11 2.5 製作過程……….14 2.6 實作呈現……….15 2.7 實驗結果……….16 三、 結論………...…17 參考文獻………..…...…18 核心能力………...…19 甘特圖………...…20 成本………...…21

表目錄

頁數 表 2.1 非對稱半橋高降壓轉換器規格...4 表 2.2 符號對應表...5 表 2.3 非對稱半橋高降壓轉換器選用電氣規格...9

圖目錄

頁數 圖 1.1 驅動電路圖………..…1 圖 1.2 開關短路...….……….……...……….….….2 圖 1.3 互補式驅動訊號………..…2 圖 1.4 驅動電路圖………..…3 圖 1.5 PWM 未接開關…………...………..…3 圖 1.6 PWM 接上開關…………...………..…3 圖 2.1 非對稱半橋高降壓轉換器電路………..…4 圖 2.2 時序波形圖………..…6 圖 2.3-1~2.3-5 時序 1~5………..…………..…...…7 圖 2.3-6~2.3-10 時序 6~10………..…………..…...…8 圖 2.4 電壓轉換比與 D 關係曲線………...……..…10 圖 2.5 模擬s _1 vgs&s _1 vds………...11 圖 2.6 實作s _1 vgs&s _1 vds………...11 圖 2.7 模擬s _2 vgs&s _2 vds………...12 圖 2.8 實作s _2 vgs&s _2 vds………...12 圖 2.9 模擬輸入與輸出.………...13 圖 2.10 實作輸入與輸出…….……….…...13 圖 2.11 製作流程圖…….………...……….……...14 圖 2.12 實作呈現…….………...………...15 圖 2.13-1 接上手機.…...……...………...16 圖 2.13-2 接上手機.………...………...16 圖 2.14 接上手機驅動訊號與輸出電壓波形………...16

一、PWM 驅動訊號

1.1 PWM 驅動電路 圖 1.1 驅動電路圖 我們的驅動訊號有 2 個，主要原因是因為我們有 2 個切換開關，因此 需要有兩個驅動訊號來驅動，且這兩個驅動訊號是有互補的功能，首 先由 TL494 產生鋸齒波後，再由 LM356 進行放大之後再由 LM311 進 行比較，在來由 TC4069 進行反向產生 2 個輸出，最後經過隔離產生 兩個方波，且有互補的功能。 LF356 － ＋ 2 3 7 4 6 LM311 － ＋ 2 3 8 4 7 1 1N4001 1N4001 1N4148 1N4148  100K  100K MIC4424 MIC4424 1 : 1 1 : 1 0.1nF 0.1nF TC4069 2.2F F 2.2 F 2.2 F 2.2  1  1  10k  10k 1 gs v 2 gs v PWM v PWM v  2k  10k  10k  50k  100k

圖 1.3 互補式驅動訊號 隔離後出來的方波訊號理想為完全互補的，所以我們必須給 delay time 否則的轉換器電路開關將會同時導通，電路將會短路。 AC

n

:

n

:

1

D D D D C 1 S 2 S r L m L CB V 1 D 2 D o L o C R o V

+

-+

-+

-+

-+

-+

-

VLr 1 V 2 V 3 V B C d T T_d T_d S

T

1 ,S gs

v

2 ,S gs

v

圖 1.2 開關短路

1.2 PWM 接上開關 圖 1.4 驅動電路圖 圖 1.5 PWM 未接開關 圖 1.6 PWM 接上開關 利用 MIC4424 加強電流驅動力 因為 MOSFET C (輸入功率電容)，吃電流，若驅動力不足開關工_iss 作週期會難以判斷。 我們可以很明顯的看到圖 1.5(接上開關前)的波形圖的突波與圖 1.6(接 上開關後)進行判別突波是否下降。 LF356 － ＋ 2 3 7 4 6 LM311 － ＋ 2 3 8 4 7 1 1N4001 1N4001 1N4148 1N4148  100K  100K MIC4424 MIC4424 1 : 1 0.1nF 0.1nF TC4069 2.2F F 2.2 F 2.2 F 2.2  1  1  10k  10k 1 gs

v

2 gs

v

PWM v PWM v  2k  10k  10k  50k  100k 1 : 1

二、非對稱半橋高降壓轉換器

2.1 非對稱半橋高降壓轉換器規格 圖 2.1 非對稱半橋高降壓轉換器電路 表 2.1 非對稱半橋高降壓轉換器規格

此電路稱為非對稱半橋轉換器之輸出電壓小於電源電

壓，端視開關的責任週期以及變壓器砸比，變壓器砸比為定

輸入電壓 輸出電壓 最大輸出 功率 切換頻率 漣波比 操作模式 AC110 5V 15W 50KHz <1% CCM

5 2.2 電路分析

中間抽頭變壓器之非對稱半橋 DC-DC 轉換器(Asymmetrical

Half-Bridge Converter , AHBC)其優點包含:

⚫ 架構簡單，成本相對降低。

⚫ 開關具有零電壓切換(ZVS)性能，降低切換損失。

⚫ 低開關應力，只需承受輸入電壓

v_in

，可用於高輸入電壓。

表 2.2 符號對應表

電路分析前的假設。

➢ 所有功率半導體元件均為理想。

➢ 轉換器式操作在連續導通模式(CCM)。

➢ 輸出電容

C_o

夠大，輸出電壓

v_o

視為常數。

➢ 磁化電感

Lm

遠大於共振電感

Lr

。

➢ 直流阻隔電容

C_B

夠大，其電壓

v_CB

視為定值。

➢ 儲存於共振電感的能量大於共振電容的能量，已達成 ZVS。

➢

驅動訊號為互補式 PWM，且兩者之間有極短的 delay time，

因此

S1

驅動訊號之導通比為 D，則

S2

驅動訊號之導通比可看

為 1-D。

輸入電壓 v _in 輸出電感 v _o 負載阻抗 _R 磁化電感 L _m 共振電感 L _r 阻隔電容 B C 變壓器匝比 1:n :n 功率開關 S 、 1 S2 整流二極體 D、1 D2 開關輸出電容 (共振電容) 2 1 C C 、 輸出電感 L _o 輸出電容 C_o

gs v S _₁ gs v S _2 1 C v Lr i 1 D i 2 C v Lm i 2 D i

1 0 ~ t t :(s₁:on:s₂:off) 1 s 為 on，s₂為 off，s₁開關跨 壓v_C1=0，v_CB=Dv_in，因 r m L L  ，v ₁ v −_in v_CB， 0 1 3 2=v =nv  v ，所以D₁為 on、D2為 off。 2 1~ t t :(s₁:off:s₂:off) 本階段時間很短，共振電 感電流i_Lr對寄生電容C₁充 電、C₂放電，開關跨壓v_C1升 上v −_in v_CB，v₁則為 0V，D、₁ D₂ 將開始導通。 3 2 ~ t t :(s₁:off:s₂:off) 共振電感電流i_Lr持續對寄生 電容C₁充電、C₂放電，且電 流i_D1減少、電流i_D2增加，進 入電流換向，開關跨壓vC1也 將升上vin。 4 3 ~ t t (s₁:off:s₂:off) 開關跨壓v_C1為v_in。 開關s₂之 二極體導通，s₂切換為 on 完 成 ZVS 性能。 5 4 ~ t t (s₁:off:s₂:on) 2 s 切換為 on，則電流i_D1下降 為 0，電流i_D2上升至i_Lo，D₁ off，完成換向。 圖 2.3-1 時序 1 圖 2.3-2 時序 2 圖 2.3-3 時序 3 圖 2.3-4 時序 4 圖 2.3-5 時序 5

6 5 ~ t t (s₁:off:s₂:on) 1 v 由零變動為-v_CB，磁化電 感電流i_Lm線性下降。 0 -3 2=v = nvCB v ，所以D₁為 off、D2為 on。 7 6 ~ t t (s₁:off:s₂:off) 本階段時間很短，s₂切換為 off，變壓器一次側對寄生電 容C1放電、C2充電，vC1下降 為v −_in v_CB、v_C2上升為v_CB後， 0 1= v ，D、₁ D₂導通。 8 7 ~ t t (s1:off:s2:off) 2 1 D D、 導通，共振電感L_r與寄 生電容C 、1 C2形成共振電 路，持續對C₁放電、C₂充電， 電流i_D1增加、i_D2減少，進入 電流換向。 9 8 ~ t t (s1:off:s2:off) 1 C v 下降為 0，開關s₁之二極體 導通，v₁仍然為 0，i 、_D1 i_D2持 續電流換向，s1 on，達成 ZVS 性能。 ( ) 圖 2.3-9 時序 9 圖 2.3-8 時序 8 圖 2.3-7 時序 7 圖 2.3-6 時序 6

2.3 非對稱半橋高降壓轉換器選用電氣規格 輸入電壓 vs 110 Vac 阻隔電容 CB 2.19 μF 輸出電壓 vo 5 V 濾波電容 Co 42 μH 切換頻率 fs 50KHz 磁化電感 Lm 680 μH 變壓器匝數比 (1:n:n) 1 : 0.1:0.1 共振電感 30μLr (包含漏電感 15μ) 45 μF 負載 R _1.66 輸出電感 Lo 200 μH 表 2.3 非對稱半橋高降壓轉換器選用電氣規格

阻隔電容電壓

v

_CB 開關s 為 on、₁ s 為 off`，因₂ L _m L_r，所以v₁v_in−v_CB 開關s 為 off、₁ s 為 on，₂ v₁−v_CB 依據伏秒平衡原理，即電感平均電壓為 0，得求阻隔電容電壓為v_CB=Dv_in

電壓轉換比(Voltage Conversion Ratio)

1.當開關 S1 ON、S2 OFF 時，出電感電壓為 2.當開關 S1 OFF、S2 ON 時，出電感電壓為 依據輸出電感伏秒平衡，電壓轉換比為 由上式中可知，最大電壓轉換比發生在導通比 D=0.5 時，而非對稱半 橋轉換器導通比大多操作在 D<0.5，且實務中，開關與二極體非理想 元件，所以在設計時大多約為 D=0.3~0.4 區間，去應付輸入電壓與負 載變動。下圖為導通比與電壓換比關係曲線。

圖 2.4 電壓轉換比與 D 關係曲線

ZVS 零電壓切換條件

1. 共振階段中，共振電感開始能量必須大於共振電容能量

2.4 轉換器模擬與實作對比 S1_ds and s1_gs 模擬與實作對比 圖 2.5 模擬 S1_ds and s1_gs 圖 2.6 實作 S1_ds and s1_gs

觀察重點:

S1 開關為柔性切換

Vds(開關跨壓)跟 Vgs(開關驅動訊號)

無交疊面積，減少切換損失

ZVS

S2_ds and s2_gs 模擬與實作對比 圖 2.7 模擬 S2_ds and s2_gs 圖 2.8 實作 S2_ds and s2_gs

觀察重點:

ZVS

輸入與輸出模擬與實作波形驗證 圖 2.9 模擬輸入與輸出 圖 2.10 實作輸入與輸出

觀察重點:

可以看見輸入為約 154V

輸出為約 5V

2.5 製作過程 顯影 曝光機 Protel 99 SE 蝕刻 雕刻機 烙鐵 成品

圖 2.11 製作流程圖

2.6 實作呈現 電源供應器 PWM 驅動電路 示波器 交流電源供應器 降壓式轉換器 高壓電子式負載

圖 2.12 實作呈現

2.7 實驗結果

接上手機

圖 2.13-1 接上手機

三、結論 1. 認識實驗室的設備:示波器，高壓電子式負載，交流電源供應器， 曝光機，蝕刻，雕刻機。 2. 使用 Visio 來繪畫電子電路圖。 3. 使用 Protel 99 SE 來繪畫電路圖 4. 電路板曝光、顯影、蝕刻、鑽孔、焊接 5. 使用 IsSpice 模擬及驗證 6. 模擬波形與實作是否相符 7.能夠確實讓手機充電

參考資料

核心能力 核心能力 VS.實務專題工作內容 核 心 能 力 實務專題工作內容與核心能力關聯 1、運用數學、科學及電機工程知識之能力。 電路假設及分析 2、設計與執行實驗，以及分析與解釋數據 之能力。 元件設計、IsSpice 模擬及實做電路與量測波形 3、執行電機工程實務所需之知識、技術以 及使用軟硬體工具之能力。

IsSpice 模擬、Visio 繪畫電子電路圖、Protel 99 SE 畫電路圖及示波器、電源供應器、高壓電子式負載、 交流電源供應器之使用 4、分析或設計電機工程系統、元件或製程 之能力。 分析電路走向、電路板焊接、電感繞製、變壓器繞製 及量測，以及曝光機、顯影、蝕刻、鑽孔、焊接之使 用 5、計畫管理、有效溝通與團隊合作之能力。 製作專題前先分配好工作 6、發掘、分析及處理電機實務問題之能力。 利用儀器測量判斷及除錯 7、認識時事議題，瞭解電機工程技術對環 境、社會及全球的影響，並培養持續學習 的習慣與能力。 隨時注意時事議題以及保持良好的學習態度並持續 了解電機工程之技術 8、瞭解電機相關產業與技術發展趨勢之能 力。 探討優點及缺點，因應社會的需求 9、理解專業倫理及社會責任。 清楚了解規範及重視倫理道德

甘特圖 日期 108 年 109 年 9 月 10 月 11 月 12 月 3 月 4 月 5 月 6 月 認識實驗室、學長 PWM 驅動電路試作 Buck Converter 元件選擇與設計

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