崑 山 科 技 大 學

電 機 工 程 系

學 生 專 題 製 作 報 告

閉迴路之雙晶順向式電力轉換器

分析、模擬與研製

Closed loop of the two-transistor forward

converter analysis, simulation and developed

指導老師： 楊松霈

專題組員： 曾旭安 學號： 4970J056

張凱瑜 4970J112

蔡智豪 4970J134

中華民國 100 年 12 月

I

中文摘要

閉迴路之雙晶順向式電力轉換器分析、模擬與研製

指導教授：楊松霈

製作學生：蔡智豪、曾旭安、張凱瑜

班 級：四電機四B

一、 前言

目前在日趨複雜的電子、電腦系統裝置中，為了讓電路具有更高功率密

度，切換式電源轉換器( switching power supply )則扮演了一個舉足輕重的角

色。除了應用在電腦的電源裝置上，亦可應用於監視器、數值工具機、儀器、

音響、通訊與飛彈系統等方面。近幾年來，由於功率半導體，控制電路與被

動元件的快速發展，使得切換式電源轉換器目前正大量生產，不僅在可靠度

上大大提高，而且轉換效率不斷提升，價格也逐漸下降。比起傳統的線性電

源供應器( linear power supply )，有體積小、效率高、重量輕等優點，因此切

換式電源轉換器，是目前節能研究的重要主題。

二、研究方法

本專題對雙晶順向式電源轉換器( two-transistor forward Converter )進行

電路分析，應用電路動作原理，設計轉換器之元件規格，然後使用IsSpice

軟體進行電路模擬，並且與實作波形互相驗證。實作研製分為兩個部份，開

迴路測試以及閉迴路控制；本專題使用TL494 PWM IC實現PWM驅動訊號以

驅動雙晶順向式轉換器之開關；測量轉換器主要元件之電壓及電流波形，驗

證理論與實作的正確性。接著，利用K因數法與MATLAB工程軟體之Sisotool

工具箱，設計閉迴路穩壓控制器，使得轉換器之系統達到穩態誤差為零，且

相位餘裕大於45度，交越頻率約在0.09倍開關切換頻率，達到快速暫態響應

的性能。

三、成果

1.本專題研製了ㄧ組輸入電壓48V、輸出電壓12V、切換頻率50kHz、功率

100W，操作於連續導通模式CCM之閉迴路控制雙晶順向式DC-DC轉換器。

2.使用IsSpice模擬軟體來驗證理論波形之正確性，並以PCB Layout印刷電路

板

3.利用控制理論與MATLAB工程軟體設計與實現穩壓控制器，使輸入電源電

壓變動與負載變動時，輸出電壓仍具有穩壓性能。

4. 本專題實際應用了電力電子學與控制系統課程所學習到的內容。

II

英文摘要

Closed loop of the two-transistor forward converter analysis, simulation and developed

Teacher：楊松霈

Students：蔡智豪、曾旭安、張凱瑜

Class：四電機四B

Foreword

To make a circuit equipped with higher power density, switching power supply plays a

important role (in) increasingly complicated electronic and computer system device currently. Besides being applied to Computer's power supply unit, it can also be applied to Monitor, values

machine tools, instruments, audio, communications and missile system In recent years,due to

the rapid development of power semiconductor，control circuits and passive components,a great deal of switching power supply has being produced. It not only lifts on the level of confidence

sharply but also increases in conversion efficiency constantly and decreases in price gradually.

Compared to traditional linear power supply,it has the advantage of small volume,high efficiency,and light weight,so switching power supply is a significant issue in recent saving

energy research.

Research methods

We do power analysis for two-transistor forward Converter, action principle of the application

circuit,design specifications of the converter,and then use IsSpice for circuit simulation，mutual

authentication with the implementation waveform Implement the development is divided into two

parts. open loop test and closed loop control；TL494 PWM IC used in this special subject carries out

PWM drive signal to drive the switch of two-transistor forward converter. The voltage and

current waveforms of main components of measurement converter verify the accuracy of theory and

implementation Then, using the K-factor method and the Sisotool toolbox of MATLAB engineering

software to design closed loop regulator controller makes converter system achieve zero

steady-state error. It also makes the phase margin greater than 45 degrees and

the crossover frequency about 0.09 times the size of the switching frequency to achieve fast

transient response performance.

Achievement

1.The topic developed the input voltage 48V, output voltage 12V,switching frequency of 50kHz,

power 100W, and operated in CCM (continuous conduction mode) of Closed loop of the

two-transistor forward DC-DC Converter

2. Use IsSpice software to verify the accuracy of the theoretical waveform, and PCBLayout Printed

Circuit Board

3.Using control theory and MATLAB software design controller, the input supply voltage changes

and load changes, the output voltage regulator performance.

4. Practical application In order to power electronics and control system courses to learn the

contents of this topic

III

致 謝

首先，誠摯的感謝指導教授楊松霈老師，在這段製作專題期間對我們

不厭其煩的教導，給予理論與實作技術上的支援與專業上的指導，以及優良

的學習環境和校外生活的關切，讓學生可以專心致力於在專題上，在各個方

面都讓我受益良多，使得本專題製作報告能夠順利完成。

還要感謝各位學長在我剛進實驗室時所給予我的照顧，從學長身上讓我

學到做事的態度、精神與宏觀的視野，也感謝在這段期間互相扶持的同學

們，因為你們使得我們在專題製作中遇到困難時，可互相交流經驗一起解決

問題。

最後感謝學校讓我們有如此完善的環境，讓我們在大學最後階段有更多

美好及愉快的回憶，使我們的大學生活變得多采多姿。

IV

目 錄

頁數

中文摘要 -------------------------------------------------------------------- Ⅰ

英文摘要 -------------------------------------------------------------------- Ⅱ

誌謝 -------------------------------------------------------------------- Ⅲ

目錄 -------------------------------------------------------------------- Ⅳ

表目錄 -------------------------------------------------------------------- Ⅴ

圖目錄 -------------------------------------------------------------------- Ⅵ

一、 切換式電源簡介--------------------------------------------------

1.1 切換式電源供應器技術發展趨勢-------------------------- 1

1.2 切換式電源的種類與特性----------------------------------- 3

1.3 切換式電源之應用領域-------------------------------------- 4

二、 雙晶順向式電源轉換器介紹與分析-----------------------

2.1 雙晶順向式轉換器之介紹----------------------------------- 5

2.2 雙晶順向式轉換器之電路動作分析----------------------- 6

2.3 理論公式推導------------------------------------------------- 11

三、 雙晶順向式電源轉換器之模擬------------------------------

3.1 雙晶順向式電源轉換器之電氣規格 ------------------- 15

3.2 雙晶順向式電路之元件設計、選擇與介紹---------------- 15

3.3 開迴路之雙晶順向式 IsSpice模擬---------------------------- 17

四、 閉迴路控制器設計與實現--------------------------------------

4.1 閉迴路雙晶順向式轉換器之電路圖-------------------------- 22

4.2 雙晶順向式轉換器交流小訊號模式分析-------------------- 23

4.3 穩壓控制器設計-------------------------------------------------- 28

五、 實作成果--------------------------------------------------------

5.1 控制 IC ---------------------------------------------------------- 32

5.2 IsSpice 模擬與實作波形驗證---------------------------------- 34

5.3 閉迴路系統之穩壓性能測試----------------------------------- 35

5.4 效率量測與實作電路-------------------------------------------- 38

參考文獻 -------------------------------------------------------------------- 41

V

表 目 錄

頁數

表 1-1 高頻率技術------------------------------------------------- 3

表 1-2 切換式電源之相關產品-------------------------------------------- 4

表 3-1 電氣規格表----------------------------------------------------------- 15

表 3-2 功率開關與二極體耐壓耐流表------------------------------------- 16

表 5-1 雙晶順向式轉換器規格與元件參數規格表-------------------- 32

表 5-2 TL494 各接腳功能表--------------------------------------------- 33

表 5-3 洞洞板與 PCB 板效率量測資料------------------------------------- 39

表 5-4 蕭特基二極體與快速二極體效率量測資料-------------------------- 39

VI

圖 目 錄

頁數

圖 2.1 傳統三匝順向式轉換器----------------------------------------- 6

圖 2.2 雙晶順向式轉換器----------------------------------------------- 6

圖 2.3 雙晶順向式轉換器電壓與電流波形--------------------------- 7

圖 2.4 第一階段之等效電路圖----------------------------------------- 8

圖 2.5 第一階段之時域圖------------------------------------------------ 8

圖 2.6 第二階段之等效電路圖---------------------------------------- 9

圖 2.7 第二階段之時域圖------------------------------------------------ 9

圖 2.8 第三階段之等效電路圖---------------------------------------------- 10

圖 2.9 第三階段之時域圖------------------------------------------- 10

圖 2.10 電感電壓 vL 之波形---------------------------------------------- 11

圖 2.11 磁化電感電壓 vLm與電流 iLm之波形---------------------------------- 12

圖 2.12 電感電壓 vL與電感電流 iL之波形------------------------------------- 13

圖 2.13 (a)電容電流波形 (b)輸出電壓漣波波形--------------------------- 14

圖 3.1 IRF 540 相關資料--------------------------------------------------- 17

圖 3.2 MUR1640CT 相關資料--------------------------------------------- 17

圖 3.3 開迴路之雙晶順向式換器模擬電路圖-------------------------- 18

圖 3.4 兩功率開關之驅動訊號-------------------------------------------- 18

圖 3.5 電感電流之模擬波形------------------------------------------ 19

圖 3.6 磁化電感電流之模擬波形----------------------------------------- 19

圖 3.7 變壓器一次側電壓之模擬波形----------------------------------- 20

圖 3.8 功率開關 S1 兩端電壓之模擬波形--------------------------------- 20

圖 3.9 輸出電壓與輸出電壓之模擬波形------------------------------ 21

圖 4.1 閉迴路之雙晶順向式電源轉換器電路圖------------------------ 22

圖 4.2 系統方塊圖---------------------------------------------------------- 22

圖 4.3 開關導通(on)之等效電路------------------------------------------ 23

圖 4.4 開關截止(off)之等效電路----------------------------------------- 24

圖 4.5 PWM 示意圖---------------------------------------------------------- 27

圖 4.6 代函數之系統方塊圖---------------------------------------- 28

圖 4.7 加入積分器後，開迴路轉移函數之步階響應------------------ 29

圖 4.8 加入積分器後，開迴路轉移函數之頻率響應------------------ 29

圖 4.9 加入 Type II控制器後，開迴路轉移函數之步階響應--------------- 30

圖 4.10 加入 Type II控制器後，開迴路轉移函數之頻率響應--------------- 30

圖 4.11 閉迴路系統之頻率響應-------------------------------------------- 31

VII

圖 4.12 Type II 控制器之電路圖-------------------------------------------- 31

圖 5.1 TL494 接腳圖---------------------------------------------------------- 32

圖 5.2 TL494 內部控制方塊圖--------------------------------------------- 33

圖 5.3 電感電流模擬與實作波形圖--------------------------------------- 34

圖 5.4 電感電壓模擬與實作波形圖--------------------------------------- 34

圖 5.5 功率開關跨壓(S1)模擬與實作波形圖----------------------------- 34

圖 5.6 變壓器一次側跨壓模擬與實作波形圖--------------------------- 35

圖 5.7 負載變動之輸出電壓響應(DC 擋)--------------------------------- 36

圖 5.8 負載變動之輸出電壓響應(AC擋)--------------------------------- 36

圖 5.9 輸入電壓變動之輸出電壓響應(DC 擋)--------------------------- 37

圖 5.10 輸入電壓變動之輸出電壓響應(AC 擋)--------------------------- 37

圖 5.11 洞洞板與PCB板效率曲線圖--------------------------------------- 38

圖 5.12 蕭特基二極體與快速二極體效率曲線圖------------------------ 38

圖 5.13 專題實作照片---------------------------------------------------------- 40

圖 5.14 PCB Layout 圖-------------------------------------------------------- 40

1

第一章 切換式電源簡介

1.1 切換式電源供應器技術發展趨勢

人類智慧的高度開發，促使科技突飛猛進，雖然帶給人類進步與方便，

但也造成地球環境的破壞及能源的耗竭，因此，節能減炭和綠能科技成為

現今科技發展的重要課題。由於電力是最常被使用的二次能源，凡是日常

生活的電器產品或電子產品，均需要一穩定的直流電源，因此，提供一穩

定的電源供應器是重要的，目前在電源轉換器上的研製以有一定的成熟

度，其中切換式電源供應器( switching power supply )被廣泛應用在電腦相

關產品、通訊系統、軍事系統、航太系統、醫療設備以及其他各類電子儀

器方面。近年來功率半導體、控制電路與被動元件的進步，使得切換式電

源供應器可以大量生產，可靠度也大幅提高，價格也漸漸下降。比起傳統

的線性電源供應器( linear power supply )，有體積小、重量輕、效率高等優

點，因此逐漸在電源供應器的領域中佔有一席之地。

切換式電源供應器輸入端是由交流電壓經整流而得到一無調整性之直

流電壓，再經由直流對直流轉換器將此固定的直流輸入電壓轉換成另一個可

控制的直流電壓，利用功率開關導通或截止的切換動作，將輸入之直流電壓

切割成高頻方波訊號，再經由輸出端的低通濾波器濾除高頻訊號，而得到所

需要之直流電壓。然而輸入電壓與輸出電壓之關係由導通比(duty ratio) D 來

決定，將輸出電壓回授與參考電壓做比較來控制功率元件的工作週期，因

此，控制器必須藉由調整工作週期來穩定所需的輸出電壓。

1.1.1 切換式電源供應器與線性電源供應器之比較

切換式電源供應器與線性電源供應器不同之處在於切換式電源供應器

是利用直流對直流轉換器(DC-DC Converter)來調整輸出電壓準位，且其功率

電晶體並非操作於主動區，而是當開關使用，不是導通(on)就是截止(off)，

因此效率也相對提高。除此之外，高頻切換、高電壓、電流額定以及較低的

價格，均是促成切換式電源供應器的原因。

2

1.1.2 線性式電源供應器之優缺點說明

優點：

（1）有良好的穩壓效果。

（2）輸出雜訊與干擾低。

（3）輸出電壓漣波小。

缺點：

（1）效率較低。

（2）體積大且散熱片與冷卻風扇較昂貴。

（3）變壓器體積大且笨重。

（4）輸入電壓變動範圍較小 。

（5）保持時間 ( hold-up time )較低。

1.1.3 高頻切換式電源供應器之優缺點說明

優點：

（1）由於操作在高頻，故變壓器體積較小。

（2）消耗能量小，效率高。

（3）散熱片體積小，其重量輕。

（4）輸入電壓變動範圍較大。

（5）保持時間較長。

缺點：

（1）輸出雜訊較高。

（2）輸出電壓漣波較大。

（3）EMI/EMC之干擾。

（4）設計電路較為複雜。

我們將高頻技術分類整理為下表 1-1 當中。

3

表 1-1 高頻率技術

高

頻

率

技

術

電路技術 低切換損失，衝擊，雜訊 諧振型變換器

ZVS-PWM

功率半導體 高速切換，低 ON 電阻 MOSFET，SIT

分佈射極 Tr

二極體 少儲存電荷，低順向電壓

降，高逆耐壓

GaAs 二極體

同步整流

磁性元件 鐵損，鄰近效果，表面效

應之減少

Ni-Zn Ferrite

薄膜技術

電容器 低 ESR，ESL大容量 有機半導體

多層陶瓷

控制 IC 穩定性，高頻，寬頻帶 高速 IC

磁性放大器

裝配技術 衝擊，雜訊對策熱發散 Hi-Ic，遮蔽技術

冷卻技術

1.2 切換式電源的種類與特性

切換式電源有不同驅動電路方式，根據電壓波形分為，以矩形波(方波)

動作的脈波寬度調變(Pulse Width Modulation; PWM)轉換器，與利用正弦波

動作的 SPWM (Sine Pulse Width Modulation)諧振形轉換器兩種類。

PWM 產生之波形為矩形波(方波)，因此利用這一矩形波的時間寬幅調

整，可以使輸出電壓穩定。利用 PWM 當驅動訊號之基本電路可分為降壓式、

昇壓式、昇降壓式。而在這些電路形式當中的特性都是在開關閉合(on)時，

電感器受電路動作原理影響，使電感兩端跨電壓受到充磁現象，隨之能量儲

存在電感上。在開關打開(off)時，在電感的磁通將會被重新設定(Reset)，而

儲存在電感的能量將會放出至負載。因此，這些轉換器具有將輸出電壓降壓

或昇壓的功能。

4

1.3 切換式電源之應用領域

切換式電源轉換是一項嶄新的關鍵技術，能有效應用於各個領域，如

手機、音響、可攜式設備、LCD/PDP 電視、通訊及網路設備等等......這些

產品都需要高頻、高效率的切換式電源轉換 IC 來做電源管理。當今的系統

需求以滿足更小的電路板面積，同時提供更大的功率，由於大部份的低頻

電源供應器是由一個控制器、一個或兩個開關、電感器及電容器所構成。

雖然其效率還能接受，但在低頻作業時需使用較大的電感，雖然電路簡單，

不過體積龐大，且成本高，顯然不適合市場上體積小、高效率、成本低的

需求。就這方面而言，高頻切換式電源轉換技術完全符合這些要求。下表

1-2 當中我們將切換式電源之用途做一分類。

表 1-2 切換式電源之相關產品

產業電子機器

情報機器 中央處理裝置，記憶裝置

周邊，終端裝置，輸入出裝置，顯示裝置

通信機器 有線通信機器，電子交換機，傳真機

無線通信機器，廣播機器，汽車電話

事務用機器 文字處理機，個人電腦

複印機，列表機

控制設備機器

FA，機器人，NC，電力控制機器，空調

機器

自動販賣機，CD，ATM

電子測試儀器 示波器，振盪器

其他 醫療用機器，汽車用，試驗器

民生用機器

映像機器 TV，電視遊樂機

VTR

聲音機器 數位音響，影碟機，電子機器

錄音機，立體唱機，組合音響

其他 Adaptor 電源，住宅設備機器

5

第二章 雙晶順向式電源轉換器介紹與分析

本章將對於雙晶順向式電源轉換器做說明，2.1 節針對本專題所製作之

切換式電源轉換器做介紹；2.2 節對此轉換器作電路分析；2.3 節根據電路

分析推導出理論公式。

2.1雙晶順向式轉換器之介紹

雙晶順向式轉換器(Two-Transistor Forward Converter) 是由降壓型轉

換器加上一個高頻變壓器所衍生出來具有電氣隔離之轉換器，為了能做到

有效的能量轉移，輸出端必須有電感器，作為二次側感應的能量儲存元件，

變壓器的一次側與二次側有相同的極性。雙晶順向式轉換器是將直流電壓

轉換成不同大小之直流電壓的一種電源轉換架構，類似返馳式轉換器

(Flyback Converter)，但採用雙晶順向式轉換器時，由於變壓器磁化電感不

做儲存電感使用，所以可選用較小型之變壓器即可，適合應用於低輸出電

壓、大輸出電流之電源內。圖 2.1 為傳統三匝順向式轉換器 (Forward

Converter)，圖 2.2 為雙晶順向式轉換器，如圖所示雙晶順向式轉換器與傳

統三匝順向式轉換器不同之處在於此轉換器需要用到兩組功率開關與四顆

二極體，其中的 D1與 D2為磁化電流重置路徑，而變壓器繞組可從原本的

三匝線圈降為兩匝線圈，不僅在繞製變壓器時較為容易，在電路體積與重

量上也減少許多，在功率開關所需承受的電壓應力上，比傳統三匝順向式

轉換器減少ㄧ半。雙晶順向式轉換器的驅動電路設計相當容易，並不像橋

式轉換器需產生交錯式訊號，也要避免訊號重疊產生上下短路之問題，因

此本專題雙晶順向式轉換器是一種可靠度與穩定性很高的電路。

本專題中研製閉迴路雙晶順向式電源轉換器電路，希望藉此專題能夠

使學生了解專業科目課程中控制系統與電力電子等相關科目，並提昇學生

對於切換式電力轉換器之製作與設計能力而達到理論與實務兼並之目的。

6

L

C R

iv

ov

3D

1D

2D

＋－

1N 2N

3N

mL

SWv

+ -Lv

Li

svpv

Lmi

圖 2.1 傳統三匝順向式轉換器

L

C Riv ov4D1D 2D

3D

1SWv

2SWv

＋－

1N

mL

2N + -

svpv

Lmi

2S

1S

Li

Lv

圖 2.2 雙晶順向式轉換器

2.2 雙晶順向式轉換器之電路動作分析

本節將對雙晶順向式電源轉換器做分析，圖 2.2 為雙晶順向式轉換器之

電路圖，圖 2.3 為雙晶順向式轉換器之電壓與電流波形，電路中使用含磁

化電感 mL 之變壓器模型，當考慮開關性能與保護時，損失與漏電感效應是

7

重要的。但整體電路操作上使用簡單變壓器模型是最好理解的。注意變壓

器繞組之極性如圖 2.2 所示。

開始分析圖 2.2 之雙晶順向式轉換器前先做以下假設:

1. 電路操作於穩態下

2. 切換週期為T ，開關 on 時間為DT，off 時間為 TD)1(

3. 電感電流為連續 ( CCM )

4. 電容很大，輸出電壓保持固定為 OV

5. 電路元件為理想。

1gsv

2gsv

Li

Lmi

si

1swv

Lv

t

t

t

t

t

t

DT xT

T

圖 2.3 雙晶順向式轉換器電壓與電流波形

8

2.2.1 電路分析-第一階段

如圖 2.4 所示，當 S1、S2為 on 時，D1、D2 跨逆向偏壓視為開路，變壓

器一次測電壓誇 iv ，二次測電壓 2 1( / )x pv v N N ，D3、D4可視為一取大電

路，則 D3導通(on)、D4截止(off)，此時電感兩端跨固定正電壓，則電感電流

線性上升電感呈現充磁狀態。

-L v

C R ov

iv xv

iLmLm

iL

4D

1D 2D

3D

1 2 : N N

＋－

圖 2.4 第一階段之等效電路圖

on

L(min)i

L(max)i

Li

x oV V

xV

t

t

t

off

DT

DT

DT T

T

T

1gsv

Lv

2gsv

圖 2.5 第一階段之時域圖

9

2.2.2 電路分析-第二階段

如圖 2.6 所示，當 S1、S2為 off 時，此時磁化電感電流 Lmi 以降為零開始

以下分析；由於電感電流 Li 需連續，所以 D1、D2、D4導通(on)，此時電感兩

端跨固定負電壓，則電感電流線性下降電感呈現放磁狀態。

-L v

ov

iv mLiLm

iL

4D

1D 2D

3D

C R

1 2 : N N

＋－

圖 2.6 第二階段之等效電路圖

on

L(min)i

L(max)i

Li

x oV V

oV

t

t

t

off

DT

DT

DT T

T

TLv

1gsv

2gsv

圖 2.7 第二階段之時域圖

10

2.2.3 電路分析-第三階段

如圖 2.8 所示，由於變壓器磁化電感不當儲能電感使用，所以磁化電感

電流在一週期內必須降為零使變壓器磁通重置。以下為此階段之分析：當磁

化電感電流 Lmi 降為零時開始此階段，S1、S2為 off，D1、D2、D3為開路(off)，

因為電感電流需連續 Lmi ，所以 D4為導通(on)，此時電感兩端跨固定負電壓，

則電感電流線性下降電感呈現放磁狀態。

-L v

ov

iv mL

iLmiL

4D

1D 2D

3D

C R

1 2 : N N

＋－

圖 2.8 第三階段之等效電路圖

(max)Lmi

Li

iV

t

t

t

off

DT T0t

Lmv

iV

on

DT T0t

DT T0t

1gsv

2gsv

圖 2.9 第三階段之時域圖

11

2.3 理論公式推導

根據 2.2 節中電路分析原理，本節將對電路中較為重要之波形提出探

討，並推導出相關之理論公式。

2.3.1 輸入電壓 iV 與輸出電壓 oV 之關係

on

x oV V

oV

t

t

off

DT

DT T

TL

v

A

B

1gsv

2gsv

圖 2.10 電感電壓 LV 之波形

根據伏秒平衡定理，電感電壓 LV 在一週期內等於零，如圖 2.10 所示，A

面積等於 B 面積，推出

x 1O OV V DT V D T 解出

x oV D V

2

1

x i

NV V

N

得

2

1

o

i

V ND

V N (2-1)

12

2.3.2 滿足變壓器磁通重置(flux resetting)之條件

L(max)i

Li

iV

t

t

t

off

DT

DT

DT T

T

T

iV

0t

on

Lmv0t

0t

∆Tx

1gsv

2gsv

圖 2.11 磁化電感電壓 LmV 與電流 Lmi 之波形

在開關 off 後到下一週期之前，磁化電感電流必須等於零使變壓器能夠

磁通重置，如圖 2.11，根據伏秒平衡定理，磁化電感兩端電壓 LmV 在一週期

內等於零。

i i xV DT V T

xDT T

可得

0= 2t DT

為了滿足磁通重置

2DT T

0 . 5D (2-2)

由上式得知 D 必須小於 0.5，變壓器才能達成磁通重置。

13

2.3.2 操作於連續導通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)下之

電感值

LΔi

LIL(min)i

L(max)i

Li

Lv

1 2SW SWv ，

t

t

off

DT T

DT T

X OV V

OVt

DT T

on

圖 2.12 電感電壓與電感電流 Li 之波形

如圖 2.12 所示，要使電路操作於連續導通模式(CCM)下，則 (min)Li 必須大

於零，推出

(min)

10

2L L Li I i

1

0OO

sw

V DV

R L f

得到

1

2 sw

D RL

f

(2-3)

由此可知若電路操作於臨界導通模式(BCM)下，則 (min)Li 必須等於零，操作於

不連續導通模式(DCM)下，則 (min)Li 必須小於零。

14

2.3.3 滿足輸出電壓漣波之電容值

t

ic

Q

(a)

2

Li

2

T

t

vo

∆Vo

(b)

Vo

圖 2.13 (a)電容電流波形 (b) 輸出電壓漣波波形

如圖 2.13(a)所示，電容電流為

c L oi i i

當電容電流為正電容充電，由電容定義

oQ CV

oQ C V

Q 為圖 2.13 (a)之三角形面積

1

2 2 2

8

L

L

sw

iTQ

i

f

得

2

(1 )

8

oo

sw

V DV

LCf

推出

2

(1 )

8

o

o sw

V D

V LCf

(2-4)

15

第三章 雙晶順向式電源轉換器之模擬

本章節介紹開迴路雙晶順向式轉換器做設計與模擬；3.1 節針對轉換器

制定電器規格表；3.2節根據電氣規格表設計與選擇元件；3.3節利用 IsSpice

軟體模擬開迴路雙晶順向式轉換器之波形。

3.1 雙晶順向式電源轉換器之電氣規格

雙晶順向式電源轉換器之效能取決於元件的選擇與設計的考量，而電路

規格制定會影響選擇所使用的元件，本節先制定轉換器之電氣規格如下表所

示:

表 3-1 電氣規格表

輸入電壓 iV 輸出電壓 OV 輸出功率 OP

48 V 12 V 100 W

操作模式 輸出電壓漣波 O

O

V

V

開關切換頻率 SWf

CCM Δ

0.1%O

O

V

V 50 kHz

3.2 雙晶順向式電路之元件設計、選擇與介紹

3.2.1 導通比(Duty ratio)與匝數比之設計

如表 3-1 所示，輸入電壓為 48 V，輸出電壓為 12 V，設計匝數比為 4:3，

由(2-1)、(2-2)式可得知

1

2

12 4 = = =0.333

48 3

o

i

V ND

V N

(3-1)

且

< 0.5D

由此可知當匝數比為 4:3 時，可得到 D 為 0.333 小於 0.5 符合設計條件。

16

3.2.2 連續導通模式下之電感設計與選擇

如表 3-1 所示，輸出電壓為 12 V，輸出功率為 100 W，開關切換頻率為

50 kHz，由(3-1)式得知滿足變壓器磁通重置之導通比 D 為 0.333，將以上條

件代入(2-3)式，則

1 1 0.333 1.44= = 9.6 H

2 2 50 ksw

D RL

f

(3-2)

考慮轉換器於低瓦數滿足 CCM 模式，實際選用 104.93 H

3.2.3 滿足輸出電壓漣波之電容設計與選擇

如表 3-1 所示，輸出電壓漣波為 0.1%，切換頻率為 50 kHz，由(3-1)式得

知 D 為 0.333，由(3-3)式得知選用電感值為 104.93 μF，由(2-4)式推出

2

1317.83 F

8 o swo

DC

VL f

V

(3-4)

實際選用 470 μF

3.2.4 功率開關與二極體之選擇

由圖 2.4、2.6 電路分析所示，兩顆功率開關跨壓為輸入電壓的一半，流

入開關之電流則由二次側電流轉換過來，一次側二極體 D1、D2 跨壓為輸入

電壓，流入 D1、D2之電流與開關相同，二次側二極體 D3、D4跨壓為輸入電

壓乘上匝數比，流入 D3、D4之電流為二次側電流，由表 3-2 所示

表 3-2 功率開關與二極體耐壓耐流表

S1 S2 D1 D2 D3 D4

耐壓 24 V 24 V 48 V 48 V 36 V 36 V

耐流 6.25 A 6.25 A 6.25 A 6.25 A 8.33 A 8.33 A

17

由表 3-2 得知開關耐壓最少大於 24 V，耐流大於 6.25 A，本專題選用 IRF

540，由圖 3.1 所示，開關耐壓為 100 V，耐流為 23 A，符合電路需求，二極

體選用 MUR1640CT，如圖 3.2 所示，耐壓 400 V 耐流為 8 A也符合電路需

求。

圖 3.1 IRF 540 相關資料(資料來源: http://www.alldatasheet.com/)

圖 3.2 MUR1640CT 相關資料(資料來源: http://www.alldatasheet.com/)

3.3 開迴路之雙晶順向式 IsSpice模擬

本專題使用 IsSpice 軟體模擬雙晶順向式電源轉換器之開迴路電路波

形，如圖 3.3 所示，為 IsSpice 模擬電路圖。

http://www.alldatasheet.com/http://www.alldatasheet.com/

18

8

Vi

48

3

5

4

X1

XFMR

RATIO = 0.75

L1

230.6u

1 2

L2

104.93u

C1

470u

R1

1.44

10

S2

IRF540

7

S1

IRF540

Vgs1

11 9

X4

XFMRVgs2

R2

10

R4

2000

Vds1

D1

mur1640ct

D2

mur1640ct

D3

mur1640ct

D4

mur1640ct

圖 3.3 開迴路之雙晶順向式換器模擬電路圖

如圖 3.4 所示，此雙晶順向式電源轉換器之兩功率開關驅動訊號模擬圖

由此圖可得知兩驅動訊號為同步驅動模式。

1 vgs1

2 vgs2

4.866M 4.880M 4.894M 4.908M 4.922M

time in secs

0

10.0

20.0

30.0

40.0

vgs2

in v

olts

-25.0

-15.0

-5.00

5.00

15.0

vgs1

in v

olts

Plo

t1

1

2

圖 3.4 兩功率開關之驅動訊號

19

如圖 3.5 所示，為雙晶順向式電源轉換器之電感電流模擬波形圖，由此

可知此電源轉換器操作於連續導通模式(CCM)。

圖 3.5 電感電流之模擬波形

如圖 3.6 所示，為變壓器磁化電感電流之模擬波形圖，由此波形可得知

變壓器在一週期內達到磁通重置。

圖 3.6 磁化電感電流之模擬波形

20

如圖 3.7、3.8 所示，為變壓器一次側跨壓與功率開關 S1兩端跨壓之模擬

波形圖，由兩波形圖也可得知，變壓器在一週期內達到磁通重置。

1 vgs1 2 vp

9.46M 9.48M 9.50M 9.52M 9.54M

time in secs

-79.0

0

81.0

161

241

vp

in

vo

lts

-50.0

-30.0

-10.0

10.0

30.0

vg

s1

in

vo

lts

Plo

t1

1

2

圖 3.7 變壓器一次側電壓之模擬波形

1 vgs1 2 vds1

9.46M 9.48M 9.50M 9.52M 9.54M

time in secs

0

50.0

100

150

200

vd

s1

in

vo

lts

-45.0

-27.0

-9.00

9.00

27.0

vg

s1

in

vo

lts

Plo

t1

1

2

圖 3.8 功率開關 S1兩端電壓之模擬波形

21

從圖 3.9 可得知，輸入電壓為 48 V，輸出電壓為 11.6 V。

1 vi

2 vo

19.1M 19.3M 19.5M 19.7M 19.9M

time in secs

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

vi,

vo in

vol

tsP

lot1

1

2

y (mean) = 48.0 volts

x (first) = 19.5M secs

between 19.5M and 20.0M secs

y (mean) = 11.6 volts

x (first) = 19.5M secs

between 19.5M and 20.0M secs

圖 3.9 輸出電壓與輸出電壓之模擬波形

22

第四章 閉迴路控制器設計與實現

由於轉換器輸出電壓 ov 會受輸入電壓 iv 與負載R之影響，所以為了使

輸出電壓達到穩壓之目的，必須設計穩壓控制器 )(sC 。本章 4-1 節介紹本

專題閉迴路轉換器電路圖與系統方塊圖；4-2 節介紹小訊號分析求出電路轉

移函數；4-3 節介紹本專題所使用之穩壓控制器。

4.1閉迴路雙晶順向式轉換器之電路圖

如圖 4.1、4.2 為本專題雙晶順向式電源轉換器之閉迴路電路圖與系統方

塊圖，其中分壓器為 1/2，參考電壓為 6 V，PWM 為控制 IC TL494 所產生，

Driver 則使用 CD4050，控制器為 Type II Converter。

L

C Riv ov4D

1D 2D

3D

1S

2S

1 2 : N N

mL

( )C sP W MD river

分

壓

器

V

ref

e

( )H s

控制器( )

Cv td

＋＋

圖 4.1 閉迴路之雙晶順向式電源轉換器電路圖

refV ev~ 1

( )pV sctrlv

~d~

ov

H(s)

+-

)(~

)(~

sd

svo)(sC

穩壓控制器PWM增益

分壓電路

two-transistor Forward

電力轉換器

圖 4.2 系統方塊圖

23

4.2 雙晶順向式轉換器交流小訊號模式分析

因為控制器必須在頻域下設計較為方便，所以必須將本轉換器在時域下

之特性經由交流小訊號模式分析後，即可得到此轉換器之轉移函數。

根據以下步驟可求得此轉換器之交流小訊號特性:

一、 由此轉換器電路圖可列出狀態空間方程式

(a) 畫出開關導通(on)之等效電路圖，並列出狀態方程式(state equation)與輸

出方程式(output equation)。

-L v

CR ovi

vxv

iLmLm

Lr

Cr

Ci Ri

21 : NN

＋＋

Li

圖 4.3 開關導通(on)之等效電路

開關導通(on)之狀態方程式與輸出方程式:

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )( ) ( )

( ) 1( ) ( )

( ) ( ) ( )

L on Cx L L on C on

C C

C on

L on C on

C C

Co on L L on C on

C C

d i t R r RL V r i t v t

dt R r R r

d v t RC i t v t

dt R r R r

R r Rv t r i t v t

R r R r

(4-1)

(b) 畫出開關截止(off)之等效電路圖，並列出狀態方程式(state equation)與輸

出方程式(output equation)。

24

-L v

ov

iv mL

iLmC

R

Lr

Cr

Ci Ri

21 : NN

Li

圖 4.4 開關截止(off)之等效電路

開關截止(off)之狀態方程式:

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )( ) ( )

( ) 1( ) ( )

( ) ( ) ( )

L off CL L off C off

C C

C off

L off C off

C C

Co off L L off C off

C C

d i t R r RL r i t v t

dt R r R r

d v t RC i t v t

dt R r R r

R r Rv t r i t v t

R r R r

(4-2)

二、 將狀態方程式與輸出方程式做移動平均

State-Space Averaging Method :

將(4-1)、(4-2)代入

state equation switch on

output equation

state equation (1 )switch off

output equation (1 )

d

d

d

d

可得到

( )( ) ( ) ( )

( ) 1( ) ( )

( ) ( ) ( )

L Cx L L C

C C

CL L C

C C

Co L L C

C C

d i t R r RL v t d r i t v t

dt R r R r

d v t RC r i t v t

dt R r R r

R r Rv t r i t v t

R r R r

(4-3)

25

三、 求出直流工作點

將(4-3)式中微分項令為零

( )0

( ) 10

( )

CLx L L C

C C

CL L C

C C

Co L L C C

C C

R rd i t RL V D r I V

dt R r R r

d v t RC r I V

dt R r R r

R r RV t r I V V

R r R r

可得到

1 cc x c L x

cL

rV DV r I DV

R

VI

R

四、 將直流工作點引入小訊號擾動(線性化)

令 Dd d ， xxx vVv~ ， c c cv V v ， LLL iIi

~ ， ooo vVv

~

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) 1( ) ( )

( ) ( )

L L Cx x L L L C C

C C

C CL L L C C

C C

Co o L L L C

C C

d I i t R r RL V v t D d t r I i t V v t

dt R r R r

d V v t RC r I i t V v t

dt R r R r

R r RV v t r I i t V

R r R r

( )Cv t

取出交流成分，得到

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) 1( ) ( )

( ) ( ) ( )

L Cx x L L C

C C

CL L C

C C

Co L L C

C C

d i t R r RL v D t V d t r i t v t

dt R r R r

d v t RC r i t v t

dt R r R r

R r Rv t r i t v t

R r R r

(4-4)

26

五、 寫出矩陣形式

將(4-4)式寫成矩陣形式

( )

( )

( ) ( )0 0

1

CL

C CLx

L

CC x

C

C

R r Rr

R r R rd i tv D

i t dL LdtL L

v td v t R v

R rdt

C C R r

(4-5)

Lco

c c c

iR r Rv

R r R r v

(4-6)

六、 求出轉移函數(Transfer Function)

將(4-5)、(4-6)式代入(4-7)式

1( ) ( )( )

Y sC sI A B

U s

(4-7)

可得到

( ) 0

2

2 22

1 1( )

2( )1 1 1 1 12

V ss

V R r V R rN N Rs C s CsL N R r LC N R r

C CR rV s Co

d sR r R r RC Cs r s r

L LL R r C R r LC R r R r R rC C C C C

(4-8)

( ) 0

2

2 22

1 1( )

2( )1 1 1 1 12

d s

R r R rN ND D RC CsL N R r LC N R r

C CR rV s Co

V ss R r R r RC Cs r s r

L LL R r C R r LC R r R r R rC C C C C

(4-9)

將(4-8)、(4-9)式代入實際數值可得

5

( 70

8

2)

( ) 1 10 10

9591 2

.305 5.394

( .031 10) V ss

V s so

d s s s

(4-10)

27

( )

6

70 2

( ) 905.5 3 10

9591 2

.7

.031

42

1( 0)d s

V s so

V s s ss

(4-11)

七、 PWM 的小信號模型：

t

t

dT T

Vp

Vctrl(t)

d(t)

V

圖 4.5 PWM 示意圖

由圖 4.5 可知 d t 的脈波寬度正比於控制訊號 ctrlv t 大小，即控制訊號

ctrlv t 越大則 d t 的脈波寬度越大，切換開關導通比亦越大，由圖 4.5 可得

( )ctrl

p

v t dTd

V T (4-12)

令 ( )ctrl c cv t V v ， ( )d t D d 代入 4-11 式則

c c

p

V vD d

V

(4-13)

將(4-12)式取出交流成份

c

p

vd

V

推出

1

c p

d

v V (4-14)

28

4.3 穩壓控制器設計

根據 4.2 節交流小訊號分析中得到 )(~)(~ svsv ctrlo

4

72

84.351 10 1.798 1( )

( )

0

9591 2.031 10ctrl

v s so

v s s s

將此轉移函數代入系統方塊圖，如圖 4.6 所示，由圖可知為了使輸出電

壓 V 12ov 達到穩壓性能，則利用分壓電路將輸出電壓與參考電壓 V 6refV

作比較，可得到誤差信號 ev~ ，接著利用控制器調整開關之導通比 d ，達到輸

出穩壓之性能。

-+

d~

ctrlv~

ev~

3

1 sC

5 8

2 7

10 10

9591 2.031 1

1.305 5 4

0

.39s

s s

1

2

ovV 6 Vref

穩壓控制器 PWM

分壓電路

two-transistor Forward

電力轉換器

圖 4.6 代函數之系統方塊圖

藉由穩壓控制器 )(sC 的設計，使系統滿足下列規格：

(1). 系統之穩態誤差為零。

(2). 相位餘裕(phase margin) 45 。

(3). 系統頻寬(bandwidth) 1 kHz。

本文使用 MATLAB 之控制系統設計工具 SISO Design Tool 設計穩壓控

制器，其設計步驟如下：

1、使系統之穩態誤差為零

為了使系統步階響應之穩態誤差為零，先將控制器 )(sC 加入一個積分器

s1 ，步階響應如圖 4.7，穩態時 V 12ov ，穩態誤差為零。圖 4.8 為開迴路

頻率響應圖，由圖中可知相位餘裕為 90 ，符合相位餘裕 45 之要求，但增

益交越頻率(gain crossover frequency) cf 在0.705 Hz，頻寬太小，輸出電壓暫

29

態響應過慢，仍須改善以符合系統規格。

Step Response

Time (sec)

Am

plit

ude

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

2

4

6

8

10

12

圖 4.7 加入積分器後，開迴路轉移函數之步階響應

101

102

103

104

105

-180

-150

-120

-90

P.M.: 89.9 deg

Freq: 0.705 Hz

Frequency (Hz)

Phase (

deg)

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

G.M.: Inf

Freq: Inf

Stable loop

Open-Loop Bode Editor for Open Loop 1 (OL1)

Magnitu

de (

dB

)

圖 4.8 加入積分器後，開迴路轉移函數之頻率響應

2、改善系統之暫態響應

為了加快暫態響應符合系統頻寬之要求，因此除了積分器之外，再加入

一組相位超前控制器，並提高增益，改善暫態響應並且增大系統頻寬。最後

穩壓控制器 )(sC 設計之結果為

45

4

1.1341 10( ) 1.2853 10

( 9.8364 10 )

sC s

s s

(4-15)

30

圖4.9為加入穩壓控制器後，開迴路之步階響應圖，圖4.10為加入穩壓控

制器後，開迴路轉移函數之頻率響應，由此可看出此系統穩太誤差為零，相

位餘裕為63皆滿足規格需求。

Step Response

Time (sec)

Am

plit

ude

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

x 10-4

0

2

4

6

8

10

12

14

圖 4.9 加入 Type II控制器後，開迴路轉移函數之步階響應

101

102

103

104

105

106

-180

-135

-90

P.M.: 63 deg

Freq: 4.5e+003 Hz

Frequency (Hz)

Phase (

deg)

-100

-50

0

50

100

G.M.: Inf

Freq: Inf

Stable loop

Open-Loop Bode Editor for Open Loop 1 (OL1)

Magnitu

de (

dB

)

圖 4.10 加入 Type II控制器後，開迴路轉移函數 eo vv~~ 之頻率響應

圖 4.11 為閉迴路系統之頻率響應，其直流增益為21.6 dB，直流增益減

18.6 dB處即為頻寬，由圖 4.11 可知BW 6.78 kHz ，滿足頻寬的規格需求。

31

Bode Diagram

Frequency (Hz)

102

103

104

105

106

-180

-135

-90

-45

0

Phase (

deg)

-60

-40

-20

0

20

40

System: Closed Loop r to y

I/O: r to y

Frequency (Hz): 103

Magnitude (dB): 21.6

System: Closed Loop r to y

I/O: r to y

Frequency (Hz): 6.78e+003

Magnitude (dB): 18.6

Magnitu

de (

dB

)

圖4.11 閉迴路系統之頻率響應

3、控制器實現

穩壓控制器 sC 以類比電子電路實現，如圖4.6，此控制器之轉移函數為

電路圖如圖4.12所示，

2 2

1 1 1 2

2 1 2

1

( ) 1

( )

ctrl

e

sR Cv s

v s R C C Cs s

R C C

(4-16)

Cv

Ov

refV

1R

2R 1C

2C

圖 4.12 Type II 控制器之電路圖

實現(4-16)式之元件值分別為 1 1 kR 、 2 1.5 kR 、 1 10 nFC 、 2 1 nFC

32

第五章 實作成果

本章將對閉迴路雙晶順向式電源轉換器實作成果做呈現。 5.1 節對本專

題所使用控制 IC 做介紹；5.2 節將實作波形與模擬波形作比較，以驗證電路

理論分析之正確性；5.3 以負載變動及輸入電壓變動測試輸出電壓響應，驗

證控制器設計後，閉迴路系統的穩壓性能；5.4 節將呈現此轉換器之效率曲

線圖與實作電路圖。本專題實作規格與元件參數如表 5-1。

表 5-1 雙晶順向式轉換器規格與元件參數規格表

輸入電壓 inv 48V 操作模式 CCM

輸出電壓 ov 12 V 變壓器匝數比 n 0.75

輸出功率 oP 100 W 輸出電感 L 104.93 μH

負載R 1.44 Ω 磁化電感 mL 230.6 μH

切換頻率 swf 50 kHz 輸出電容 oC 470 μF

5.1 控制 IC

本專題雙晶順向式電源轉換器電路，所使用的控制 IC 為 TL494，圖 5.1

為 TL494 接腳圖，圖 5.2 為 TL494 內部控制方塊圖，表 5-2 為 TL494 各接

腳功能表。

圖 5.1 TL494 接腳圖

33

圖 5.2 TL494 內部控制方塊圖

表 5-2 TL494 各接腳功能表

接腳編號 接腳名稱 功能敘述

1 NONINV INPUT 誤差放大器(非反相)輸入

2 INV INPUT 誤差放大器(反相)輸入

3 FEEDBACK 控制導通比大小之直流準位輸入端

4 DEAD-TIME CONTROL 控制最大截止時間

5 CT

5、6 為一組控制振盪器所產生之頻

率。1.1

HzoscT T

fR C

6 RT 控制振盪器所產生的頻率。

7 GND IC 的接地端

8 C1 8、9 為一組輸出端(可同步或互補)

9 E1 8、9 為一組輸出端(可同步或互補)

10 E2 10、11 為一組輸出端(可同步或互

補)

11 C2 10、11 為一組輸出端(同步或互補)

12 VCC IC 電源輸入端

13 OUTPUT CONTROL 輸出模式控制端(可控制輸出互補

與同步)

14 REF OUT 產生一組 5 V 之直流準位

15 INV INPUT 誤差放大器(反相)輸入

16 NONINV INPUT 誤差放大器(非反相)輸入

34

5.2 IsSpice模擬與實作波形驗證

本節以轉換器輸出功率在滿載 100 W 條件下，驗證電路分析之特性。

模擬與實作波形比較的項目如下：

(1). 連續導通模式：導通比D、電感電流 Li 。

(2). 伏秒平衡定理：導通比D、電感電壓 Lv 。

(3). 變壓器磁通重置 I：導通比D、開關跨壓 1S

(4). 變壓器磁通重置 II：導通比D、變壓器一次側跨壓 pv

1.連續導通模式：導通比D、電感電流 Li 。

如圖 5.3 所示，由此圖可知此轉換器操作於 CCM 模式。

5 A

10 V

1( )gs Sv

Li

Li

1( )gs Sv

(a)模擬波形 (b)實作波形

圖 5.3 電感電流模擬與實作波形圖

2.伏秒平衡定理：導通比D、電感電壓 Lv 。

如圖 5.4 所示，由此圖可知電感滿足伏秒平衡定理。

1( )gs S

v

Lv

20 V

10 V

1( )g s S

v

Lv

(a)模擬波形 (b)實作波形

圖 5.4 電感電壓模擬與實作波形圖

35

3.變壓器磁通重置 I：導通比D、開關跨壓 1S

如圖 5.5 所示，由此圖可知變壓器在一次週期內滿足磁通重置

40 V

1( )gs S

v

10 V

1( )ds S

v

1( )ds S

v

1( )gs S

v

(a)模擬波形 (b)實作波形

圖 5.5 功率開關跨壓(S1)模擬與實作波形圖

4.變壓器磁通重置 II：導通比D、變壓器一次側跨壓 pv

如圖 5.6 所示，由此圖可知變壓器在一次週期內滿足磁通重置。

1( )gs S

v

pv

10 V

40 V

1( )gs S

v

pv

(a)模擬波形 (b)實作波形

圖 5.6 變壓器一次側跨壓模擬與實作波形圖

5.3 閉迴路系統之穩壓性能測試

根據第四章設計之穩壓控制器加入轉換器中，完成雙晶順向式轉換器閉

迴路系統後，本節對轉換器加入負載變動與輸入電壓變動，量測輸出電壓響

應，驗證轉換器之穩壓性能。

36

雙晶順向式轉換器負載變動時，輸出電壓響應(DC擋)：

(a). 100 W 50 WoP 之負載變動，輸出電壓響應如圖 5.7(a)。

(b). 50 W 100 WoP 之負載變動，輸出電壓響應如圖 5.7(b)。

ov

oi

ov

oi

(a) 100 W 50 WoP (b) 50 W 100 WoP

圖 5.7 負載變動之輸出電壓響應(DC 擋)

雙晶順向式轉換器負載變動時，輸出電壓響應(AC擋)：

(c). 100 W 50 WoP 之負載變動，輸出電壓響應如圖 5.8(a)。

(d). 50 W 100 WoP 之負載變動，輸出電壓響應如圖 5.8(b)。

oi

ov ov

oi

(a) 100 W 50 WoP (b) 50 W 100 WoP

圖 5.8 負載變動之輸出電壓響應(AC 擋)

37

雙晶順向式轉換器輸入電壓變動時，輸出電壓響應(DC擋)：

(a). 48 V 55 Viv 之輸入電壓變動，輸出電壓響應如圖 5.9(a)。

(b). 55 V 48 Viv 之輸入電壓變動，輸出電壓響應如圖 5.9(b)。

ov

iv

ov

iv

(a) 48V 55 Viv (b) 55 V 48 Viv

圖 5.9 輸入電壓變動之輸出電壓響應(DC 擋)

雙晶順向式轉換器輸入電壓變動時，輸出電壓響應(AC擋)：

(c). 48 V 55 Viv 之輸入電壓變動，輸出電壓響應如圖 5.10(a)。

(d). 55 V 48 Viv 之輸入電壓變動，輸出電壓響應如圖 5.10(b)。

ov

iv

iv

ov

(a) 48V 55 Viv (b) 55 V 48 Viv

圖 5.10 輸入電壓變動之輸出電壓響應(AC 擋)

38

5.4效率量測與實作電路

5.4.1 效率量測

如圖 5.11，為本專題將洞洞板與 PCB 板做效率比較，表 5-3 為洞洞板與

PCB 板效率量測資料表，從資料上可知 PCB 板效率比洞洞板效率高，為了

提升此轉換器之效率，將更換二極體元件做比較，如圖 5.12 所示，由圖可

知蕭特基二極體導通壓降比快速二極體小，所以效率也比快速二極體高。表

5-4 為使用蕭特基二極體與快速二極體效率量測資料表。

50

55

60

65

70

75

80

85

90

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

效率

(%)

輸出功率(W)

PCB板

洞洞板

圖 5.11 洞洞板與 PCB 板效率曲線圖

50

55

60

65

70

75

80

85

90

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

輸出功率(W)

效率

(%)

蕭特基二極體

快速二極體

圖 5.12 蕭特基二極體與快速二極體效率曲線圖

39

表 5-3 洞洞板與 PCB 板效率量測資料

洞洞板 PCB 板

輸出功率(W) 效率(%) 輸出功率(W) 效率(%)

10 64 10 81.06

20 76.77 20 83.39

30 74.68 30 83.39

40 73.2 40 82.54

50 68.57 50 81.2

60 72.9 60 80.13

70 74.1 70 78.78

80 72 80 77.1

90 71.4 90 75.73

100 73.9 100 74.62

表 5-4 蕭特基二極體與快速二極體效率量測資料

蕭特基二極體 快速二極體

輸出功率(W) 效率(%) 輸出功率(W) 效率(%)

10 81.73 10 81.06

20 86.23 20 83.39

30 84.87 30 83.39

40 84.37 40 82.54

50 83.54 50 81.2

60 82.52 60 80.13

70 80.94 70 78.78

80 79.53 80 77.1

90 78.3 90 75.73

100 76.4 100 74.62

40

5.4.2 實作電路

本專題雙晶順向式電源轉換器之實作照片如圖 5.13所示，圖 5.14為 PCB

Layout 圖，其中上半部為功率級電路，下半部電路是以控制 IC TL494 為主

之訊號級電路。

圖 5.13 專題實作照片

圖 5.14 PCB Layout 圖

41

參考文獻

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[2]. 方偉翔、王淇穎、劉育昇，返馳式與順向式轉換器教具之研製，專題報

告，崑山科技大學電機工程系，2009。

[3]. 卓孟甫、羅仕詮、何彥頡、廖弘義，雙晶順向式電力轉換器之分析、模

擬、實作與閉迴路控制，專題報告，崑山科技大學電機工程系，2008。

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崑山科技大學電機工程系，2011。

[5]. 楊舜閔，交錯式串聯數入並聯輸出之具倍流整流非對稱半橋式轉換器分

析與設計，碩士論文，崑山科技大學電機工程系，2010。

[6]. 鄭培璿，電力電子分析與模擬，全華圖書，2008。