高功因高效率之並聯型交直流轉換器研製
研究生：李 孟 遠 指導教授：陳 明 堂 博 士 國立高雄應用科技大學電機工程研究所碩士班
摘要
切換式電源供應器中之交直流轉換器電路，大多由功率因數改善與直流對直 流轉換兩級電路串聯而成。此雙重電源轉換過程，導致整體效率降低。有鑑於此，
本文乃企圖發展一高功因高效率之並聯型交直流轉換器，來改善目前轉換器之缺 點。首先，本文使用直接能量轉換方式的 boost-flyback 功率因數改善電路，將一 部分輸入能量直接傳遞給負載，達到提高系統整體效率之功用。其餘的能量則由 順向式轉換器轉換，以穩定輸出電壓。此外，亦針對單開關架構之整體效率問題，
提出雙開關法來加以取代，以進一步提升整體轉換器效率。所提出之轉換器電路，
經由特性分析、模擬與實驗測試，證明其確實可以達到高功因(99%以上)及高效率 (80%以上)之要求。同時，輸入電流總諧波失真因數在 15%以下，輸出電壓調整率 在 1%以內，顯示所完成之轉換器雛型具有可行性。
關鍵字：切換式電源供應器、功因及效率改善、boost-flyback 及順向式混合型轉換 器
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Design and Implementation of a Parallel AC/DC Power Converter with High Power Factor and High Efficiency
Student：Meng-Yuan Li Advisor：Ming-Tang Chen Ph. D
Institute of Electrical Engineering
National Kaohsiung University of Applied Sciences
ABSTRACT
The ac/dc power converter circuit of a conventional switching mode power supply is a two-stage cascade combination of a power factor corrector and a dc/dc converter.
The main drawback of this configuration is the low efficiency since the power conversion is processed twice. Therefore, The main objective of this thesis is to design and implement a parallel ac/dc power converter with high power factor and high efficiency. First, The boost-flyback power factor corrector is used for the direct power transformation to increase the efficiency of the whole system, and the remaining power is processed by a Forward converter to maintain tight output regulation. Furthermore, to increase conversion efficiency, the single-switch system is replaced by a two-switch system. IsSpice simulation and experimental test results of the proposed circuit show that the ac/dc converter can achieve high power factor (better than 0.99), and high efficiency (more than 80%). Besides, the THD of the ac input current is less than 15%,
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and the output voltage regulation is under 1%. These results validate the feasibility of the proposed system.
Keywords: Switching Mode Power Supply, Power Factor and Efficiency Improvement, Boost-flyback and Forward Hybrid Power converter
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誌謝
在研究所兩年的日子中，是我最豐收的時光，讓我體會到學以致用的充實感 和『面對問題，解決問題』的求學精神。因此，特別感謝指導教授 陳明堂博士 在論文的撰寫期間給予悉心指導，始臻完成。由於恩師無限的鼓勵與耐心督促，
使學生無論在知識的追求、學術研究與待人處事各方面充滿信心，受益良多，在 此致上最誠摯的敬意與感激。此外，感謝莫清賢博士與黃世杰博士等口試委員，
於百忙當中撥冗指導，提供許多寶貴精闢的意見與指正，讓本論文更臻周延與完 整。
另外，要感謝實驗室學長宜宏、金煌、同學柏錕與學弟文平、耿模、文雄、正 安、三齊等人在我遇到瓶頸時願意陪我聊聊天，同學銘良在課業上經常地相互研 究、學習，由於他的熱心提供幫助，讓我能把論文順利完成。
最後要感謝的是父母的養育之恩、兄長、姐姐與妹妹的長期支持與砥礪，因 為他們的養育與體恤，讓 我 在 無 後 顧 之 憂 下 順 利 完 成 學 業，願 將 此 成 果 與 喜 悅 和 親 愛 的 家 人 及 所 有 關 懷 我 的 人 共 同 分 享 。
李 孟 遠 2006.07.04 於 國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學
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目 錄
頁次
中文摘要……….i
英文摘要………ii
誌謝………...iv
目錄………....v
表目錄……….viii
圖目錄……….. ix
第一章 緒論………...1
1-1 研究背景與動機……….1
1-2 國內外相關研究概況……….2
1-3 研究貢獻……….5
1-4 論文架構……….6
第二章 切換式電源功應器………...7
2-1 簡介……….7
2-1-1 線性電源供應器………..7
2-1-2 切換式電源供應器………..8
2-2 昇壓式轉換器………...10
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2-3 返馳式轉換器………...15
2-4 順向式轉換器………...20
第三章 轉換器功因及效率之提升………...26
3-1 前言……….26
3-2 功率因數改善方法……….26
3-2-1 功率因數………..26
3-2-2 主動功率因數改善電路之控制方法………..28
3-2-3 昇壓式轉換器功率因數特性………..29
3-2-4 返馳式轉換器功率因數特性………..31
3-3 Boost-flyback 功率因數改善電路………34
3-4 順向式轉換器之功率因數改善電路………...34
3-4-1 工作原理………..36
3-4-2 穩態特性分析………..46
3-5 Boost-flyback 與順向混合式轉換器效率之改善………48
3-5-1 能量轉換效率………..48
3-5-2 雙開關架構特性分析………..57
第四章 轉換器電路設計、模擬與試驗……….62
4-1 電路元件設計………...62
4-2 電路模擬………...66
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4-3 硬體雛型製作與試驗………...72
4-4 模擬及試驗結果比較………...81
第五章 結論與未來展望……….83
5-1 結論……….83
5-2 未來展望……….83
參考文獻………...85
附錄 A………...94
附錄 B…...98
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表 目 錄
頁次
表 4. 1 高功因及高效率並聯型交直流轉換器設計規格………62
表 4. 2 本文所提之轉換器主要電路元件規格……….66
表 4. 3 輸入電流之諧波分析結果………70
表 4. 4 模擬及試驗結果綜合比較表………82
表 A. 1 UC384X 系列之各接腳說明………95
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圖 目 錄
頁次
圖 2. 1 線性電源供應器之原理………..8
圖 2. 2 切換式電源供應器基本架構………..9
圖 2. 3 昇壓式轉換器………11
圖 2. 4 昇壓式轉換器開關導通及二極體截止時之等效電路………11
圖 2. 5 昇壓式轉換器開關截止及二極體導通時之等效電路………12
圖 2. 6 昇壓式轉換器開關截止及二極體截止時之等效電路………12
圖 2. 7 昇壓式轉換器連續導通模式電感電壓與電感電流之波形………14
圖 2. 8 昇壓式轉換器不連續導通模式電感電壓與電感電流之波形………14
圖 2. 9 基本的昇降壓式轉換器………16
圖 2. 10 具隔離型電感繞組之返馳式轉換器………16
圖 2. 11 具有電壓調整與提供正端輸出的返馳式轉換器………16
圖 2. 12 返馳式轉換器開關 S 導通、二極體 D 截止時之等效電路………17
圖 2. 13 返馳式轉換器開關 S 截止、二極體 D 導通時之等效電路………17
圖 2. 14 返馳式轉換器開關 S 截止、二極體 D 截止時之等效電路………17
圖 2. 15 返馳式轉換器連續導通模式下之各點波形………19
圖 2. 16 返馳式轉換器不連續導通模式下之各點波形………20
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圖 2. 17 順向式轉換器電路………21
圖 2. 18 順向式轉換器開關 S 導通、D1導通、Dr截止、D2截止時之等效電路…22 圖 2. 19 順向式轉換器開關 S 截止、D1截止、Dr導通、D2導通時之等效電路…22 圖 2. 20 順向式轉換器開關 S 截止、D1截止、Dr截止、D2截止時之等效電路…22 圖 2. 21 順向式轉換器連續導通模式下之各點波形………24
圖 2. 22 順向式轉換器不連續導通模式下之各點波形………25
圖 3. 1 電壓隨耦法功因改善電路之輸入電壓與電流波形………28
圖 3. 2 昇壓式功因改善電路………30
圖 3. 3 昇壓式功因改善電路輸入電流i1(t)波形………30
圖 3. 4 昇壓式功因改善電路之輸入電壓與輸入電流特性曲線與波形…………31
圖 3. 5 返馳式功因改善電路………32
圖 3. 6 返馳式功因改善電路輸入電流i1(t)波形………33
圖 3. 7 返馳式功因改善電路之輸入電壓與輸入電流之特性曲線與波形………33
圖 3. 8 Boost-flyback 功率因數改善電路………34
圖 3. 9 Boost-flyback 功率因數改善電路於順向式轉換器之應用………35
圖 3. 10 單開關之 Boost-flyback 與順向混合式轉換器………36
圖 3. 11 Boost-flyback 功因改善電路於一個電源週期中轉換器的不同操作模式 時段………...37
圖 3. 12 圖 3. 10 電路在返馳式能量轉換模式下之工作波形………37
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圖 3. 13 圖 3. 10 電路在昇壓式能量轉換模式下之工作波形……….38
圖 3. 14 圖 3. 10 電路於 至 期間返馳式能量轉換模式之等效電路…………..39t0 t1 圖 3. 15 圖 3. 10 電路於 至 期間返馳式能量轉換模式之等效電路…………..41t1 t2 圖 3. 16 圖 3. 10 電路於 至 期間返馳式能量轉換模式之等效電路………….42t2 t3 圖 3. 17 圖 3. 10 電路於 至 期間昇壓式能量轉換模式之等效電路………….43tx t1 圖 3. 18 圖 3. 10 電路於 至 期間昇壓式能量轉換模式之等效電路…………..45t1 t2 圖 3. 19 圖 3. 10 電路於 至 期間昇壓式能量轉換模式之等效電路………….46t2 t3 圖 3. 20 兩級式電力轉換器架構………...49
圖 3. 21 傳統兩級式電力轉換器電能轉換流程………..49
圖 3. 22 單級式電力轉換器架構………..50
圖 3. 23 整合型單級功率因數改善架構………..51
圖 3. 24 直接能量傳遞之架構………..51
圖 3. 25 K 值大小與整體轉換器效率之關係………..53
圖 3. 26 能量直接傳送至負載的比例Ｋ大於 0.5 時之瞬間功率變化………54
圖 3. 27 能量直接傳送至負載的比例Ｋ等於 0.5 時之瞬間功率變化………54
圖 3. 28 能量直接傳送至負載的比例Ｋ小於 0.5 時之瞬間功率變………55
圖 3. 29 Boost-flyback 與順向混合式轉換器架構………...56
圖 3. 30 圖 3. 29 轉換器之能量轉換路徑與能量變化情形……….56
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圖 3. 31 單開關之 boost-flyback 與順向混合式轉換器架構……….58
圖 3. 32 功率開關之穩態損失等效電路，(a)導通狀態，(b)截止狀態……….58
圖 3. 33 雙開關之 boost-flyback 與順向混合式轉換器之架構……….60
圖 4. 1 高功因高效率 boost-flyback 與順向混合式轉換器模擬電路……….68
圖 4. 2 脈衝變壓器隔離驅動之功率開關閘級驅動訊號………69
圖 4. 3 輸入市電電壓波形與輸入市電電流波形………69
圖 4. 4 Boost-flyback 變壓器一次側之電感電流 之電流波形………..70i1 圖 4. 5 儲能電容Cb上之電壓波形………...71
圖 4. 6 返馳式變壓器二次側輸出電流波形與順向式輸出電感電流波形………71
圖 4. 7 輸出電壓與輸出電流之波形………...72
圖 4. 8 雙開關之 boost-flyback 與順向混合式轉換器之實體……….73
圖 4. 9 輸入市電電壓與輸入市電電流波形………74
圖 4. 10 Boost-flyback 變壓器一次側電感電流波形………...74
圖 4. 11 Boost-flyback 變壓器一次側電感電流波………...75
圖 4. 12 儲能電容Cb上之電壓Vb波形……….………...77
圖 4. 13 Boost-flyback 變壓器二次側電感電流 與 Forward 輸出電感電流 波 形………...77
i2 Lo i 圖 4. 14 輸出電壓與輸出電流之波形………..78
圖 4. 15 不同的交流輸入電壓下之 bulk 電容電壓變化值………..78
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圖 4. 16 單開關架構與雙開關架構之 boost-flyback 與順向混合式轉換器之整體 效率……….79 圖 4. 17 單開關架構與雙開關架構之 boost-flyback 與順向混合式轉換器之功率
因數值………...79 圖 4. 18 高功因高效率 boost-flyback 與順向混合式轉換器電流諧波值與 IEC1000
-3-2 規範比較結果……….80 圖 4. 19 不同輸入電壓下，boost-flyback 與順向混合式轉換器之輸出電壓調整
率………...80 圖 A. 1 UC384X 系列之方塊圖………...94 圖 A. 2 UC384X IC 應用於基本向式轉換器脈波寬度調變電路之接線及其操作
波形…………...98
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