电子论文-推挽式电力转换器之制作

推挽式電力轉換器之製作張峻維謝欣哲指導老師：吳文誌二技電二A摘要本專題我們採用推挽式的架構製作ㄧ個直流電力轉換器。首先我們使用IsSpice軟體來模擬推挽式電力轉換器的運作情形，以便對整體電路的了解與確認設計的參數是否能滿足實際的需求。接著，使用Protel-DXP軟體完成印刷電路板的佈線、鋪銅，並實際洗出一塊電路板。藉由實測結果驗証本專題所完成的作品在輸入電壓與負載變動的情況下是否仍能提供穩定的電壓輸出。關鍵字：推挽式轉換器、電力轉換器一、前言推挽式轉換器(Push-PullConverter)是降壓型轉換器的衍生電路。與順向式轉換器的不同處在於順向轉換器(ForwardConverter)為單個功率開關，而推挽式轉換器(Push-PullConverter)有兩個功率開關。推挽式轉換器(Push-PullConverter)的基本架構是由兩個互為相反相位工作的順向轉換器(ForwardConverter)所組合而成，而最大工作週期小於0.5。推挽式轉換器(Push-PullConverter)的兩個功率開關的源極端都是接地，對於驅動電路的設計較為容易。變壓器的二次側為中央抽頭式，優點是二次側僅有一個二極體的壓降。推挽式轉換器(Push-PullConverter)的功率開關耐壓必須承受兩倍的輸入直流電壓，所以推挽式轉換器常應用在直流對直流轉換器，特別是在小型的不斷電電源系統中做為升壓電路與48V的通訊電源上使用。推挽式轉換器的特性如下:(1)輸出電壓漣波頻率為工作頻率之兩倍，因此較順向式轉換器有較低之漣波。(2)由於電晶體截止時，集極-射極兩端電壓Vce至少須承受兩倍之輸入電壓Vs，即Vce=2Vs，所以不太適合使用於較高輸入電壓場合。(3)變壓器一次側為中間抽頭式，在每一半週僅有一半之繞組動作，變壓器之利用不如將於後面介紹之半橋或全橋式轉換器。所以其工作區域只使用B-H曲線之各半部，不過鐵心大小只為返馳式或順向式轉換器一半，可節省鐵心之體積與重量。(4)若兩個功率開關特性不同，就會在B-H曲線的一個方向上發生磁通擺動，使得鐵心發生飽和現象，如此電晶體電流會產生甚大的電流尖波，使得電晶體發燙而燒毀。這是推挽式轉換器的缺點[1]。目前常用的電力轉換器包括有降壓型(Buck)、返馳式(Flyback)、順向式(Forward)以及推挽式(Push-Pull)。在本專題中僅就推挽式轉換器做探討，希望藉此對電力轉換器有初步的認識，進而提昇對電力轉換器之製作與設計能力。二、基本工作原理圖一所示為推挽式轉換器電路的基本電路。依據其操作於此值與工作週期關係式，其式子為:212NNDVVdO×=，其中N1,N2為變壓器一次側和二次側繞組的圈數，D為工作週期[2]。圖一推挽式轉換器基本電路針對圖一所示電路利用IsSpice電路模擬軟體對其進行開回路和閉回路之模擬。其模擬電路圖分別如附錄(A)、(B)所示[2][3]。圖二是模擬後的輸出電壓波形圖，由圖二可看出，開迴路的暫態需要較長一段時間才會穩定；閉迴路的暫態則能很快就進入穩態。圖三是二極體電流與電感電流的波形圖，開迴路的Id1、Id2都有突波，而閉電感波形圖Id1、Id2有漣波，雖然還是有突波但很小。圖四則顯示電壓與電感電流的波形，模擬結果顯示開迴路和閉迴路的數值非常接近。1500U1.50M2.50M3.50M4.50MWFM.1VOUTvs.TIMEinSecs31.029.027.025.023.0VOUTinVolts(A)1100.0U300U500U700U900UWFM.1VOUTvs.TIMEinSecs29.528.527.526.525.5VOUTinVolts(B)圖二Vout波形圖(A)開迴路(B)閉迴路231492U496U500U504U508UWFM.1ID1vs.TIMEinSecs4.75750M-3.25-7.25-11.3ID1inAmps14.310.36.302.30-1.70ID2inAmpsΔx=1.00MΔy=1.98(A)321492U496U500U504U508UWFM.1ID1vs.TIMEinSecs4.87870M-3.13-7.13-11.1ID1inAmps5.804.803.802.801.80ILOinAmpsΔx=1.00MΔy=2.08(B)圖三Id1、Id2、ILo波形圖(A)開迴路(B)閉迴路21492U496U500U504U508UWFM.1VLvs.TIMEinSecs53.033.013.0-7.00-27.0VLinVolts3.352.351.35347M-653MILOinAmpsΔx=1.00MΔy=-1.65(A)12492U496U500U504U508UWFM.2ILOvs.TIMEinSecs5.004.003.002.001.00ILOinAmps52.532.512.5-7.50-27.5VLinVolts(B)圖四VL、ILo波形圖(A)開迴路(B)閉迴路三、硬體製作本專題我們針對推挽式電力轉換器焊接了一塊電路板來模擬，我們使用的軟體為Protel-DXP[4][5]。洗電路板的流程如下：1.繪圖，首先用Protel畫好電路圖及元件包裝，然後佈線、鋪銅。2.列印，接著把鋪好銅的線路圖列印到描圖紙上。3.曝光，然後使用曝光機把線路圖曝光到電路板上，曝光時間90秒即可。4.顯影，再來顯影時間大約5分鐘。5.蝕刻，最後使用氯化鐵倒至塑膠盆中以人工方式蝕刻，蝕刻時間大約30~40分鐘。6.鑽孔，蝕刻完成後使用鑽孔器鑽孔，鑽完孔後即可把元件焊接上去。本電路板的電氣規格如下：輸入電壓36VDCto56VDC輸出電壓5VDC輸出電流0.2ATO8A輸出漣波電壓100mV圖五所示為自製之推挽式電力轉換器成品：(A)(B)圖五自製之推挽式電力轉換器(A)正面(B)背面四、實測波形首先，我們分別針對輸入電壓為36V、48V、56V；輸出電流為2A、4A、6A、8A等條件，測量它的輸出電壓與輸入電流之間的變化，測量的數據如表一所示。根據這些數據分別計算出轉換效率、負載穩壓率、線電壓穩壓率。1.轉換效率轉換效率η的定義如(1)式所示：%100×=ININOOIVIVη(1)在輸出2A、4A、6A、8A的條件下，分別計算在三種輸入電壓下的轉換效率。其計算結果如表二所示。2.負載穩壓率在指定負載下的線負載穩壓率α定義如(2)式所示：%100min,,min,×−=loadOfullloadOloadOVVVα(2)由表一得到，輸入電壓為36V、48V、56V時，最小輸出電壓為5.01V、滿載輸出電壓4.95V的條件下，分別計算在這三種輸入電壓下的負載穩壓率。其計算結果如表三所示。3.線電壓穩壓率在指定負載下的線電壓穩壓率β定義如(3)式所示：%100min,max,min,×−=inputOinputOinputOVVVβ(3)由表一得到，在輸出負載電流為2A、4A、8A的條件下，分別計算輸入電壓36V及56V時的線電壓穩壓率，其計算結果如表四所示。表一輸出電壓、輸入電流數據IO2A4A6A8AVO5.014.994.974.95VIN=36VIIN0.360.691.041.43VO5.014.994.974.95VIN=48VIIN0.280.520.791.06VO5.014.994.974.95VIN=56VIIN0.240.460.680.92表二轉換效率VIN36V48V56VIO=2A77.3%74.5%74.5%IO=4A80.3%79.9%77.4%IO=6A79.6%78.6%78.3%ηIO=8A76.9%77.8%76.8%表三負載穩壓率VIN36V48V56V負載穩壓率1%1%1%表四線電壓穩壓率IO2A4A8A線電壓穩壓率0%0%0%接著，我們使用示波器來測量它的靜態輸出波形、動態輸出波形以及閘極信號電壓波形。1.靜態輸出波形以輸入電壓56V，輸出負載滿載8A，來測量其動態輸出波形。測量出的輸出波形如圖七(A)所示2.動態輸出波形在輸入電壓56V，負載設定值如圖六所示的條件下，測試其動態輸出波形。其波形如圖七(B)。圖七(C)所示則是波形的漣波成份。3.閘極信號電壓波形以輸入電壓48V，負載設定4A和8A，來測試MOSFET閘極信號電壓波形。其波形如圖八所示。圖六動態負載設定五、結論本專題我們製作完成推挽式電力轉換器。在製作過程中，我們首先以IsSpice軟體來模擬開回路和閉回路的運作情形。並使用Protel-DXP這套軟體來繪製電路圖、佈線、鋪銅，以及使用氯化鐵來洗電路板。從實驗的量測結果顯示，當輸入電壓從36V~56V，輸出電壓都維持在5V左右，變化不會很大。且當輸出負載從2A~8A，轉換效率大約都維持在70~80%左右，所以從這些數據來看，本專題成品的靜態特性與動態特性都能滿足實際的需求。推挽式電力轉換器的應用非常普遍，目前大多使用在電源供應器、不斷電系統…等，一些電子產品上，所以將來仍能有很大發展空間。(A)(B)(C)圖七輸出電壓Vout波形圖(A)靜態負載56V(B)動態負載直流56V(C)動態負載的漣波成份(A)(B)圖八輸入電壓48V時的MOSFET閘極訊號(A)負載為4A(B)負載8A參考文獻[1]張英彬編著，〝電力電子學〞，初版，高立科技圖書股份有限公司，1997。[2]鄭培璿，〝電力電子分析與模擬〞，修訂版，全華科技圖書股份有限公司，14-1，2004。[3]鄭培璿，〝IsSpice在電子電力與電源轉換器上的應用〞，初版，全華科技圖書股份有限公司，1999[4]張義和編著，〝ProtelDXP電腦輔助電路設計:全紀錄(上)(下)〞，初版，全華科技圖書股份有限公司，2001。[5]張義和編著，〝ProtelDXP電腦輔助電路設計快速入門〞，初版，全華科技圖書股份有限公司，2003。附錄IsSpice模擬電路圖(A)開迴路74312X3XFMR-TAP58Lo81uCo78.5uRL7Lm15.8MLm25.8M6Vg1Vin9Vg2Vgs2voltsVgs1voltsVds2voltsVds1voltsILoampsΔVLvoltsVoutvoltsX2IRF840X1IRF840Id1ampsId2ampsD5mur810D6mur810D7mur810D8mur810(B)閉迴路CMPFBOSCSENSOUT1OUT2GND2121131514X1PUSH_CM3Ra10.2kC2775p17C42.6525NR620kR812.772k16Rsen1kCsen100pRs1.789Rb1k7811109X4XFMR-TAPVsumvoltsVrampvoltsVinVgs1volts6Lo81u4Co78.4uResr152MRL7VoutvoltsΔVds1voltsΔVds2voltsΔVLvoltsLm15.6MLm25.8MVgs2volts1111169963Id1ampsId2amps36D5mur810D6mur810D7mur810D8mur81016VsenvoltsX5IRF840X6IRF840ILoamps