其它型式之直流電源轉換器電路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 梁適安梁適安 編著編著 交換式電源供給器報告 第四章第四章1 交換式電源供給器報告 振玲扼流圈轉換器之應用振玲扼流圈轉換器之應用 CUK轉換器之基本工作原理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振玲扼流圈轉換器之應用1. 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2. 2.電路架構簡單，被廣泛的應用於電路架構簡單，被廣泛的應用於1010w w至至5050w w之輸出電路之輸出電路3. 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4. 4. 也稱為也稱為Free Running Blocking Oscillator Free Running Blocking Oscillator ConveterConveterRCC基本電路基本電路3 交換式電源供給器報告( (續續續續) )圖圖4-2 RCC電路各點之電壓波形電路各點之電壓波形4 交換式電源供給器報告圖圖4-3 RCC電路各點之電流波形電路各點之電流波形( (續續續續) )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振玲扼流圈轉換器之基本工作原理1.Vin輸入電壓提供至輸入電壓提供至RCC電路時，電路時，R1上會有電流產生，並流經上會有電流產生，並流經Q12. 2. 之基極，使得之基極，使得Q1導通成為飽和狀態導通成為飽和狀態3. 3.2. 2.由於由於Q1導通，此時在初級側導通，此時在初級側N1繞組上會有電流通過，此電流則為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電晶體之最大導通時間 為變壓器繞組之電感值為變壓器繞組之電感值 (4-1) (4-1)6 交換式電源供給器報告2. 2.( (續續) ) 在此同時，變壓器在此同時，變壓器N3 繞組上亦會有磁通建立，所以繞組上亦會有磁通建立，所以N3 繞組上會有繞組上會有 電壓電壓Vb產生，使得產生，使得R2上有電流產生，並流經上有電流產生，並流經Q1基極，繼續使得基極，繼續使得Q1 在導通狀態在導通狀態。3. 3.二次側二次側N2繞組上之電壓因對二極體繞組上之電壓因對二極體D1而言為逆向偏壓，故而言為逆向偏壓，故N2繞組繞組 不會有電流過不會有電流過。因此，流過一次側因此，流過一次側N1 繞組之電流就會成為變壓器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之激磁電流，此時能量就會儲存在變壓器中。 (4-2) (4-2)7 交換式電源供給器報告( (續續續續) )4. 4.由由(4.1)(4.1)式可得知，流經電晶體之電流式可得知，流經電晶體之電流Ic Ic 將隨時間成比例將隨時間成比例 增大增大， 可是當電晶體之基極電流成為不能使電晶體達到飽可是當電晶體之基極電流成為不能使電晶體達到飽 和狀態時和狀態時，也就是也就是Ib Ic Ib Ic 之情況下，轉換電晶體就會之情況下，轉換電晶體就會 脫離飽和狀態，此時電晶體之脫離飽和狀態，此時電晶體之Vce Vce 電壓就會增大，而流經電壓就會增大，而流經 N1 N1繞組之電流就會下降，而在繞組之電流就會下降，而在N3N3繞組之繞組之Vb電壓亦會成負值電壓亦會成負值 ，如此，如此VceVce之電壓更驅增加，使得轉換器電晶體更如此之電壓更驅增加，使得轉換器電晶體更如此Vce 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。態。 8 交換式電源供給器報告5. 5.由於極性反轉之關係，在由於極性反轉之關係，在N N2 2繞組之電壓會將繞組之電壓會將D1二極體導通，因此二極體導通，因此，原來儲存在變壓器之能量就會經由，原來儲存在變壓器之能量就會經由 N2，D1，C1 傳遞至負載輸傳遞至負載輸 出端出端。 6. 6.若輸出電壓為若輸出電壓為Vout，二極體，二極體D1之順向電壓降為之順向電壓降為Vd1，則跨於，則跨於N2繞組繞組之電壓之電壓Vn2為為： (4-3) (4-3)若若N2繞組之電感量為繞組之電感量為Ls，則流經此繞組或二極體，則流經此繞組或二極體D1之電流則為之電流則為： (4-4) (4-4)9 交換式電源供給器報告 6.(續續) 或是或是 (4-5) (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D1之電流就會漸便為零，如此使得二極體之電流就會漸便為零，如此使得二極體D1變成在截止狀態變成在截止狀態。而此時在各而此時在各組之上電壓則為零，不過轉換開關組之上電壓則為零，不過轉換開關Q1則會因為起動電阻則會因為起動電阻R1之作用而開始之作用而開始導通，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 之反覆動之反覆動作，將會始電路持續振盪，達到作，將會始電路持續振盪，達到Free running之結果之結果。7.10 交換式電源供給器報告( (續續續續) )此電路之振當頻率此電路之振當頻率f fs s會隨著輸入電壓以及負載之大小而改變，一會隨著輸入電壓以及負載之大小而改變，一般其關係式如下般其關係式如下: : (4-6) (4-6)11 交換式電源供給器報告( (續續續續) )若輸出電壓為若輸出電壓為VoutVout，輸出電流為，輸出電流為IoutIout，則輸出功率可以表示如下，則輸出功率可以表示如下式：式： 假設，輸入功率假設，輸入功率PinPin與輸出功率與輸出功率PoutPout相等，則相等，則 由上式可得知下式：由上式可得知下式： (4- (4-) ) (4- (4-) )12 交換式電源供給器報告( (續續續續) )由由(4-8)(4-8)式式亦可得出初級側繞組之電感量亦可得出初級側繞組之電感量L Lp p為為 (4-9) (4-9)圖圖4-14-1之之RCCRCC電路中各點之電壓波形與電流波形，如圖電路中各點之電壓波形與電流波形，如圖4-24-2與與4-34-3所示所示13 交換式電源供給器報告( (續續續續) )由由(4-8)(4-8)式式亦可得出初級側繞組之電感量亦可得出初級側繞組之電感量L Lp p為為 (4-9) (4-9)圖圖4-14-1之之RCCRCC電路中各點之電壓波形與電流波形，如圖電路中各點之電壓波形與電流波形，如圖4-24-2與與4-34-3所示所示14 交換式電源供給器報告 CUK 轉換器之基本工作原理轉換器之基本工作原理 1. 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。流的形式產生。 2. 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嚴重的傳導與輻射之電磁干擾EMI問題問題。 3. 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 時間或工作週期時間或工作週期D來決定。來決定。15 交換式電源供給器報告( (續續續續) )為了克服改進這些轉換器的缺點為了克服改進這些轉換器的缺點, ,在此會討論分析在此會討論分析新型式無漣波的新型式無漣波的CUK轉換器轉換器在圖在圖4-44-4為新型式無漣波輸出的為新型式無漣波輸出的CUK轉換電路架構及輸入與輸轉換電路架構及輸入與輸出電流波形出電流波形圖圖4-4 4-4 基本的基本的CUK轉換電路轉換電路16 交換式電源供給器報告( (續續續續) )1. 1.由由圖圖4-44-4可得知皆為連續的電流，而非脈動的電流形式可得知皆為連續的電流，而非脈動的電流形式。2. 2.此種轉換器則可推演出各種型式的此種轉換器則可推演出各種型式的CUK轉換器電路，如圖轉換器電路，如圖4-5 4-5 所示就是無隔離所示就是無隔離(nonisolated)(nonisolated)型式的型式的CUK轉換器，而圖轉換器，而圖4-64-6所所 示為具有隔離示為具有隔離(isolated)(isolated)型式的型式的CUK轉換電器轉換電器。17 交換式電源供給器報告基本的基本的CUK轉換電路之操作原理說明（一）轉換電路之操作原理說明（一）1. 1.由由圖圖4-44-4可得知，功率開關可得知，功率開關MOSFET Q1在此當為交換原件使在此當為交換原件使 用，會在飽和與截止的區域操作用，會在飽和與截止的區域操作。2 2.電容器電容器C1當作為輸入端與輸出端之間的能量轉移元件當作為輸入端與輸出端之間的能量轉移元件。3. 3.當功率開關當功率開關Q1在關閉在關閉(OFF)狀態時，二極體狀態時，二極體D1就會在導通狀態就會在導通狀態( (DTs期間期間) )， 此時輸入電流會經電感此時輸入電流會經電感Lp 在正的方向將電容器在正的方向將電容器C1充電。充電。4. 4.電感器電感器Lo1的能量會轉移至輸出端，如此可使得輸出電流的能量會轉移至輸出端，如此可使得輸出電流Lo1為為 非脈動電流非脈動電流。18 交換式電源供給器報告基本的基本的CUK轉換電路之操作原理說明（二）轉換電路之操作原理說明（二）1. 1.當開關當開關Q1導通時，導通時，D1就會在關閉的狀態就會在關閉的狀態( (在在DTs期間期間) )，此時，此時 C1 的正端點就會接到地電位，也就是說的正端點就會接到地電位，也就是說C1 會經由負載會經由負載RL1與與 LO1放電，因此放電，因此C2端的電壓會變為負的輸電壓端的電壓會變為負的輸電壓。 2. 2.由於此種轉換器結合了由於此種轉換器結合了buck-boots 的特性，而且能量轉移為的特性，而且能量轉移為 電容性，電容性， 因此理論上只要將變壓器與電感器設計適當，則可因此理論上只要將變壓器與電感器設計適當，則可 得知得知CUK 轉換器的輸入與輸出電流幾乎近於純直流特性，此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時交換漣波則予以忽略。19 交換式電源供給器報告圖圖4-5 無隔離式的無隔離式的CUK轉換器轉換器( (續續續續) )20 交換式電源供給器報告圖圖4-6 隔離式的隔離式的CUK轉換器轉換器+21 交換式電源供給器報告( (續續續續) )3. 3.由由(4-5)(4-5) 與與(4-6)(4-6) 圖可以看出，如果將輸入電感圖可以看出，如果將輸入電感LpLp與輸出電感與輸出電感 Lo1 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 輸出電流輸出電流。4. 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，其值會被改變有效電感值，經由交互的感應能量轉移，其值會被改變。5. 5.同樣的，如果同時將變壓器，輸入電感同樣的，如果同時將變壓器，輸入電感Lp與輸出電感與輸出電感 Lo1都耦都耦合在相同的鐵心上時，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則輸入端與輸出端亦可同時達到無漣波 的電流的電流。22 交換式電源供給器報告無隔離型式無隔離型式CUK 轉換器的穩態分析轉換器的穩態分析1. 1.假設在圖假設在圖4-44-4中基本無隔離型式的中基本無隔離型式的CUK 轉換器電路是操作在穩定轉換器電路是操作在穩定 狀態狀態 (Steady State)，此時將對其做簡單的穩態分析，此時將對其做簡單的穩態分析。 而轉換器而轉換器的導通週期的導通週期(DTs) )與關閉週期與關閉週期( (DTs) )之等效電路，則表示於圖之等效電路，則表示於圖4-74-7 中中。2. 2.因此，在因此，在DTs週期裡，功率開關週期裡，功率開關Q1會在導通狀態，且二極體會在導通狀態，且二極體D1則在則在 關閉狀態關閉狀態。由圖由圖4-74-7可得二個方程式為：可得二個方程式為：23 交換式電源供給器報告圖圖4-7 無隔離式無隔離式CUK轉換器之等效電轉換器之等效電路路( (續續續續) )24 交換式電源供給器報告( (續續續續) )由圖由圖4-7(c)4-7(c)則可得到二個方程式為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為了達到電感器的伏特一秒之平衡(Volt-Second blance)，則，則25 交換式電源供給器報告( (續續續續) )因此，將以上所得到方程式，經由代數運算後，則可推演因此，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：出以下之結果：26 交換式電源供給器報告( (續續續續) )而且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：電流關係式：輸入電感器輸入電感器 Lp 與輸出電感器與輸出電感器 Lo1之電壓與電流波形之電壓與電流波形, ,則示於圖則示於圖4-84-8與與4-94-9中中。而圖而圖4-104-10為能量轉移電容器為能量轉移電容器C1之電壓與電流波形之電壓與電流波形。27 交換式電源供給器報告圖圖4-8 4-8 輸入電感器的電壓與電流波形輸入電感器的電壓與電流波形圖圖4-9 4-9 輸出電感器的電壓與電流波形輸出電感器的電壓與電流波形( (續續續續) )28 交換式電源供給器報告圖圖4-10 4-10 能量轉移電容器能量轉移電容器C1之電壓與電流波形之電壓與電流波形( (續續續續) )29 交換式電源供給器報告隔離型式隔離型式CUK 轉換器的穩態分析轉換器的穩態分析1. 1.在圖在圖4-114-11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之設定，亦可獲致所期望的輸出電壓。2. 2.操作原理與無隔離型式的操作原理與無隔離型式的CUK轉換器類似，因此圖轉換器類似，因此圖4-11(C)4-11(C)所示的所示的 等效電路乃是在等效電路乃是在DTS之週期裡，此時功率開關之週期裡，此時功率開關Q Q1 1處於關閉狀態處於關閉狀態。3. 3.輸入電流會將原先儲存於輸入電感器輸入電流會將原先儲存於輸入電感器Lp的能量，流經電容器的能量，流經電容器CpCp與變與變 壓器的初級圈壓器的初級圈。30 交換式電源供給器報告( (續續續續) )圖圖4-11 4-11 隔離式隔離式CUK轉換器之等效電路轉換器之等效電路31 交換式電源供給器報告( (續續續續) )4. 此變壓器的次級與初級的圈數比為此變壓器的次級與初級的圈數比為a，則此會有則此會有1/a 倍的電流倍的電流 感應至變壓器次極端感應至變壓器次極端，而電流則會流經導通的二極體並將而電流則會流經導通的二極體並將電容電容 器器C C1 1充電充電。 ( (此期間輸出電感會將所儲存的能量釋放至負載此期間輸出電感會將所儲存的能量釋放至負載) )5. 5.在在DTs 期間電容器期間電容器Cp (與與C1)已被充電至正電壓，此時則會經已被充電至正電壓，此時則會經 由由MOSFET與變壓器初級圈放電，並轉移所儲存的能量至輸出與變壓器初級圈放電，並轉移所儲存的能量至輸出 電路電路。32 交換式電源供給器報告( (續續續續) )6. 6.MOSFET 在導通狀態時，會使得電容器在導通狀態時，會使得電容器Cp的正端接地，而的正端接地，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初級圈的電壓降被拉至負的準位。隔離式的隔離式的CUK轉換器做簡單的穩態分析，首先由圖轉換器做簡單的穩態分析，首先由圖4-11(b)4-11(b)導通週期的等導通週期的等效電路，即可得到三個電壓方程式效電路，即可得到三個電壓方程式。33 交換式電源供給器報告( (續續續續) )在圖在圖4-114-11(c)(c)關閉週期的等效電路中，亦可得到以下三個電壓方程式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: :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)，則須則須34 交換式電源供給器報告( (續續續續) )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( (續續續續) )且：且：由上式推導的結果可得知，當圈數比由上式推導的結果可得知，當圈數比a固定時，只要控制轉換器交固定時，只要控制轉換器交換頻率的工作週期換頻率的工作週期D，即可改變輸出電壓之大小，即可改變輸出電壓之大小同樣地如果假設在隔離型式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：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變壓器初級圈Np與次級圈與次級圈Ns1的電壓波形的電壓波形能量轉移電容器能量轉移電容器Cp之電壓與電流波形之電壓與電流波形38 交換式電源供給器報告能量轉移電容器能量轉移電容器C C1 1之電壓與電流形之電壓與電流形( (續續續續) )39 交換式電源供給器報告耦合電感器的分析耦合電感器的分析1. 1.在圖在圖4-174-17為為CUK轉換器的耦合電感器轉換器的耦合電感器。由於將電感器由於將電感器Lp與與Lo1都繞在同一鐵心上，如此不僅可以耦合增加電感值，減都繞在同一鐵心上，如此不僅可以耦合增加電感值，減少銅損失與鐵心損失少銅損失與鐵心損失。圖圖4-17 4-17 輸入與輸出的耦合電感器輸入與輸出的耦合電感器40 交換式電源供給器報告2. 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到零漣波的境界。3. 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直流轉換器來說來可以達到提高效率的目的。( (續續續續) )41 交換式電源供給器報告( (續續續續) )由圖由圖4-174-17可推出耦合電感器的電壓矩陣為可推出耦合電感器的電壓矩陣為 Lp: 輸入電感器本身電感值輸入電感器本身電感值Lo1: 輸入電感器本身的電感值輸入電感器本身的電感值 M: 輸入與輸出電感器之間的互感值輸入與輸出電感器之間的互感值42 交換式電源供給器報告( (續續續續) )由上頁的電壓矩陣則可求出由上頁的電壓矩陣則可求出:由上式即可推導出由上式即可推導出:43 交換式電源供給器報告(A)如果如果Lo1= =aM，則可推出，則可推出且且由以上二個方程式可推論出以下兩種情狀況由以上二個方程式可推論出以下兩種情狀況( (續續續續) )(B)如果如果aLp=M，則可推出則可推出且且44 交換式電源供給器報告( (續續續續) )情況零漣波條件A零輸入電流漣波零輸入電流漣波Lo1=aM0B零輸出電流漣波零輸出電流漣波aLp=M0CUK轉換器零漣波之條件轉換器零漣波之條件45