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1、1,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 編著,交換式電源供給器報告,第四章,2,交換式電源供給器報告,振玲扼流圈轉換器之應用,CUK轉換器之基本工作原理,前言,3,交換式電源供給器報告,振玲扼流圈轉換器之應用,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 電路架構簡單，被廣泛的應用於10w至50w之輸出電路 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 也稱為Free Running Blocking Oscillator Conveter,RCC基本電路,4,交換式電源供給器報告,(續),圖4-2 RCC電路各點之電壓波形,5,交換式電源供
2、給器報告,圖4-3 RCC電路各點之電流波形,(續),6,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,Vin輸入電壓提供至RCC電路時，R1上會有電流產生，並流經Q1 之基極，使得Q1導通成為飽和狀態 2.由於Q1導通，此時在初級側N1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 為變壓器繞組之電感值,(4-1),7,交換式電源供給器報告,2.(續) 在此同時，變壓器N3 繞組上亦會有磁通建立，所以N3 繞組上會有 電壓Vb產生，使得R2上有電流產生，並流經Q1基極，繼續使得Q1 在導通狀態。,二次側N2繞組上之電壓因對二極體D1而言為逆向偏壓，故N2繞組 不會有電流
3、過。因此，流過一次側N1 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。,(4-2),8,交換式電源供給器報告,(續),4.由(4.1)式可得知，流經電晶體之電流Ic 將隨時間成比例 增大， 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，也就是Ib Ic 之情況下，轉換電晶體就會 脫離飽和狀態，此時電晶體之Vce 電壓就會增大，而流經 N1繞組之電流就會下降，而在N3繞組之Vb電壓亦會成負值 ，如此Vce之電壓更驅增加，使得轉換器電晶體更如此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 態。,9,交換式電源供給器報告,5.由於極性反轉之關係，在N2繞
4、組之電壓會將D1二極體導通，因此 ，原來儲存在變壓器之能量就會經由 N2，D1，C1 傳遞至負載輸 出端。,6.若輸出電壓為Vout，二極體D1之順向電壓降為Vd1，則跨於N2繞組 之電壓Vn2為：,(4-3),若N2繞組之電感量為Ls，則流經此繞組或二極體D1之電流則為：,(4-4),10,交換式電源供給器報告,6.(續),或是,(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D1 之電流就會漸便為零，如此使得二極體D1變成在截止狀態。而此時在各 組之上電壓則為零，不過轉換開關Q1則會因為起動電阻R1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 ON，O
5、FF 之反覆動 作，將會始電路持續振盪，達到Free running之結果。,7.,11,交換式電源供給器報告,(續),此電路之振當頻率fs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:,(4-6),12,交換式電源供給器報告,(續),若輸出電壓為Vout，輸出電流為Iout，則輸出功率可以表示如下式：,假設，輸入功率Pin與輸出功率Pout相等，則,由上式可得知下式：,(4-),(4-),13,交換式電源供給器報告,(續),由(4-8)式亦可得出初級側繞組之電感量Lp為,(4-9),圖4-1之RCC電路中各點之電壓波形與電流波形，如圖 4-2與4-3所示,14,交換式電源供給器報告,
6、(續),由(4-8)式亦可得出初級側繞組之電感量Lp為,(4-9),圖4-1之RCC電路中各點之電壓波形與電流波形，如圖 4-2與4-3所示,15,交換式電源供給器報告,CUK 轉換器之基本工作原理,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 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。 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 嚴重的傳導與輻射之電磁干擾EMI問題。 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 時間或工作週期D來決定。,16,交換式電源供給器報告,(續),為了克服改進這些轉換器的缺點,在此會討
7、論分析新型式無漣波的CUK轉換器,在圖4-4為新型式無漣波輸出的CUK轉換電路架構及輸入與輸出電流波形,圖4-4 基本的CUK轉換電路,17,交換式電源供給器報告,(續),1.由圖4-4可得知皆為連續的電流，而非脈動的電流形式。,2.此種轉換器則可推演出各種型式的CUK轉換器電路，如圖4-5 所示就是無隔離(nonisolated)型式的CUK轉換器，而圖4-6所 示為具有隔離(isolated)型式的CUK轉換電器。,18,交換式電源供給器報告,基本的CUK轉換電路之操作原理說明（一）,1.由圖4-4可得知，功率開關MOSFET Q1在此當為交換原件使 用，會在飽和與截止的區域操作。,2.電
8、容器C1當作為輸入端與輸出端之間的能量轉移元件。,3.當功率開關Q1在關閉(OFF)狀態時，二極體D1就會在導通狀態 (DTs期間)， 此時輸入電流會經電感Lp 在正的方向將電容器 C1充電。,4.電感器Lo1的能量會轉移至輸出端，如此可使得輸出電流Lo1為 非脈動電流。,19,交換式電源供給器報告,基本的CUK轉換電路之操作原理說明（二）,1.當開關Q1導通時，D1就會在關閉的狀態(在DTs期間)，此時 C1 的正端點就會接到地電位，也就是說C1 會經由負載RL1與 LO1放電，因此C2端的電壓會變為負的輸電壓。,2.由於此種轉換器結合了buck-boots 的特性，而且能量轉移為 電容性，
9、 因此理論上只要將變壓器與電感器設計適當，則可 得知CUK 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。,20,交換式電源供給器報告,圖4-5 無隔離式的CUK轉換器,(續),21,交換式電源供給器報告,圖4-6 隔離式的CUK轉換器,+,+,+,22,交換式電源供給器報告,(續),3.由(4-5) 與(4-6) 圖可以看出，如果將輸入電感Lp與輸出電感 Lo1 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。,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 有效電感值，經由交互的感應能量轉移，其值會被改變。,5.同樣的，如果同時將變壓器，輸入
10、電感Lp與輸出電感 Lo1都耦 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 的電流。,23,交換式電源供給器報告,無隔離型式CUK 轉換器的穩態分析,1.假設在圖4-4中基本無隔離型式的CUK 轉換器電路是操作在穩定 狀態 (Steady State)，此時將對其做簡單的穩態分析。 而轉換器 的導通週期(DTs)與關閉週期(DTs)之等效電路，則表示於圖4-7 中。 2.因此，在DTs週期裡，功率開關Q1會在導通狀態，且二極體D1則在 關閉狀態。由圖4-7可得二個方程式為：,24,交換式電源供給器報告,圖4-7 無隔離式CUK轉換器之等效電路,(續),25,交換式電源供給器報告,
11、(續),由圖4-7(c)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(Volt-Second blance)，則,26,交換式電源供給器報告,(續),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：,27,交換式電源供給器報告,(續),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 電流關係式：,輸入電感器 Lp 與輸出電感器 Lo1之電壓與電流波形,則示於圖 4-8與4-9中。而圖4-10為能量轉移電容器C1之電壓與電流波形。,28,交換式電源供給器報告,圖4-8 輸入電感器的電壓與電流波形,圖4-9 輸出電感器的電壓與電流波形,(續),29,交換式電源
12、供給器報告,圖4-10 能量轉移電容器C1之電壓與電流波形,(續),30,交換式電源供給器報告,隔離型式CUK 轉換器的穩態分析,1.在圖4-11電路中使用了變壓器來達到隔離之效果，同時由其圈數比 之設定，亦可獲致所期望的輸出電壓。,2.操作原理與無隔離型式的CUK轉換器類似，因此圖4-11(C)所示的 等效電路乃是在DTS之週期裡，此時功率開關Q1處於關閉狀態。,3.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Cp與變 壓器的初級圈。,31,交換式電源供給器報告,(續),圖4-11 隔離式CUK轉換器之等效電路,32,交換式電源供給器報告,(續),4. 此變壓器的次級與初級的圈數比
13、為a，則此會有1/a 倍的電流 感應至變壓器次極端，而電流則會流經導通的二極體並將電容 器C1充電。 (此期間輸出電感會將所儲存的能量釋放至負載),5.在DTs 期間電容器Cp (與C1)已被充電至正電壓，此時則會經 由MOSFET與變壓器初級圈放電，並轉移所儲存的能量至輸出 電路。,33,交換式電源供給器報告,(續),6.MOSFET 在導通狀態時，會使得電容器Cp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 初級圈的電壓降被拉至負的準位。,隔離式的CUK轉換器做簡單的穩態分析，首先由圖4-11(b)導通週期的等效電路，即可得到三個電壓方程式。,34,交換式電源供給器
14、報告,(續),在圖4-11(c)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,35,交換式電源供給器報告,(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,36,交換式電源供給器報告,(續),且：,由上式推導的結果可得知，當圈數比a固定時，只要控制轉換器交換頻率的工作週期D，即可改變輸出電壓之大小,同樣地如果假設在隔離型式CUK轉換器的電路中，功率的轉換沒有任何損失，則亦可得到電流關係式：,37,交換式電源供給器報告,輸入電感器的電壓與電流波形,輸出電感器的電壓與電流
15、波形,38,交換式電源供給器報告,變壓器初級圈Np與次級圈Ns1的電壓波形,能量轉移電容器Cp之電壓與電流波形,39,交換式電源供給器報告,能量轉移電容器C1之電壓與電流形,(續),40,交換式電源供給器報告,耦合電感器的分析,1.在圖4-17為CUK轉換器的耦合電感器。由於將電感器Lp與 Lo1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。,圖4-17 輸入與輸出的耦合電感器,41,交換式電源供給器報告,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 到零漣波的境界。,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CUK 直流轉換器來說來可以達到提高效率的目的。,(續),42,交換式電源供給器報告,(續),由圖4-17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 Lo1: 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,43,交換式電源供給器報告,(續),由上頁的電壓矩陣則可求出:,由上式即可推導出:,44,交換式電源供給器報告,(A)如果Lo1=aM，則可推出,且,由以上二個方程式可推論出以下兩種情狀況,(續),(B)如果aLp=M，則可推出,且,45,交換式電源供給器報告,(續),CUK轉換器零漣波之條件,