電力電子導論_郭政謙_直流升降壓與隔離型電路_隔離型正激直流電路拓撲與分析

各位同學大家好,在這個單元當中,我們將為各位介紹直流升降壓與隔離型電路當中的隔離型正基直流電路拓撲與分析 在電源的轉換當中,直流跟直流的轉換環節裡面有分為隔離型跟非隔離型 在過去我們討論過一些非隔離型的典型電路,比如說BUG電路、BOOST電路、BUG-BOOST電路 或者是COOK、SEBEC跟ZETA電路等等,這些電路都是屬於非隔離型的電路 那麼所謂的非隔離型電路就是在輸入跟輸出之間是直接電氣性的連結,是屬於非隔離型的 那麼在這裡我們將這個單元中我們要討論一個隔離型的電路 所謂的隔離型是指它的輸入跟輸出之間,我們會用一個變壓器做一個隔離 那麼變壓器並沒有在初級跟次級之間直接的連接 變壓器的初級、次級,或者稱為一次側跟二次側之間,它是用磁性的耦合,而並沒有用電的連結 所以隔離型的電路有一個優點,也就是它的輸入跟輸出之間不會互相的幹擾 當然缺點是你必須要花比較多的錢,多了一個變壓器,在電路的設計上也較為複雜 但是它在使用上如果因著使用的需求在輸入輸出之間必須要做一個隔離的話 那麼它就有這方面的一個需要跟優勢 那麼在隔離型的直流電路當中,也有非常多不同的典型 在這裡我們討論一個較為常用的正基直流電路拓撲 那麼隔離型的呢,誠如剛剛跟各位所介紹的 我們原來是一個直流轉直流的環節,因為直流的電壓可能不是我們要的 輸入的部分不是我們要的,我們必須轉移到一個我們希望的電壓準位 所以它一開始是直流的輸入,但是我們經過一個換流電路,經過一個開關的切換 試圖把這樣的一個電壓準位不是我們要的輸入,變成我們希望的輸出 那麼我們藉由這樣的一個切換,可以巧妙的變成一個交流的現象 其實在我們已過的分析當中,各位可以發現當電感器有一個電壓在它的身上的時候 它的電流是會有一個變動現象的 這個變動現象某些程度也是一個類似的一個變換電流,也就是交流的一個現象 我們變成這個交流之後呢,就能夠放到變壓器當中 因為變壓器對於純粹的直流,永遠都不動的一個固定電流是不會有變化的,不會有反應的 變壓器必須對一個變動的電流值纔能夠有變化 那麼我們過去討論過的電路,各位有一點印象 那麼電感器兩端的電流都會從I1變到I2,又從I2變回I1 所以在這個變換的過程當中是會變化的 那麼藉由這個變化放在變壓器當中,變壓器就可以有一些變壓的反應 所以我們藉由這個交流的環節進到變壓器當中 那麼變壓器把這樣的交流訊號做一個轉換,經過磁性的偶合做一個轉換 一來它可以是一個隔離的作用,輸入跟輸出是一個隔離 二來變壓器可以藉由一次側跟二次側的繞的線路的圈數,也就是我們所謂的雜數 不同,它可以把電壓做一個變化,不管是提升或者是降低都可以 所以藉由變壓器可以有兩個作用,一個是隔離的作用,一個是把它做一個電壓變化的作用 變壓器出來是一個交流的訊號之後,我們再有一個合適的整流 事實上在這裡的整流,某些程度也是一個將稍微會變動的電流盡量的平緩而已 讓它比較接近一個真正的直流電的一個現象 經過整流之後,它可能有一些些的小變動 在我們過去的分析,各位如果還有印象的話 它的電流會是I1變到I2,I2又變回I1一個小小的脈動的一個直流 那我們還是可以經過一些些的濾波器,把這樣的直流現象更進一步的濾除,讓它更接近直流 比如說,我們只要放一個比較大的電容器,就可能可以把一些脈動的電壓變得比較不會變動 輸出去的直流就給我們的輸出設備輸出的負載使用 這是一個帶隔離型的直流直流變流電路的一個基本的架構 它與前述的一個非隔離型的不同就在於它有一個變壓器 那我們為什麼要採用這樣結構比較複雜的電路來做這樣直流跟直流的變換呢? 主要原因就是我們輸入跟輸出可能需要隔離 因為輸入跟輸出之間的一個環境可能較為不單純在某一邊 比如說輸入是很亂的一個來源,它可能有突然遇到一些突破 突然一些雷擊的變化,造成它的輸入電壓是會亂變的 我們不希望這樣的輸入訊號影響到我們的負載 把我們很重要的很貴重的手機或者是我們的電視弄壞 所以我們需要一個隔離的訊號,隔離的需求 第二個,有時候我們會需要多組的輸出 比如說我們只有一個輸入,比如說我們有一個5伏特的輸入電源 可是我們可能需要多組的輸出 我們需要一個3伏特的輸出,需要一個9伏特的輸出,需要一個20伏特的輸出 那麼這樣的多組輸出呢,我們也可以藉由這個隔離的部分來達成 那其次呢,它的電壓可能有一些比較大型的變化 我們可以藉由變壓器來做這樣的一個功能 其次,我們利用交流可以把頻率提高 交流的頻率提高就有助於讓我們把元件做得小一點點 越高頻的設備,它所需要用到的元件的體積就會越小 各位啊,您可以從這個已過這一段時間的一個科技的變化 你可以發現,越高頻的設備呢,它的體積越來越小 我們的手機也是這樣,越做越小 當然因著螢幕的關係可能是大的 但是呢,就體積來說,它是小的,因為它的工作頻率越來越高 我們來看一下正基電路的一個拓撲架構 我們可以看到這個電路圖呢,在最中間的地方有一個變壓器 它分別一次測呢,是N1閘,二次測呢,是N2閘 那麼這裡有變壓器畫了兩個小圈圈,代表它的同名端 也就是電流如果從這邊流進去一次測 二次測就會從同樣的圈圈流出去 那麼在這樣的一個電路呢,它在變壓器的下方 各位可以看到一個開關切換元件,主要就是放在這個變壓器的一次測的下端這個地方 而二次測呢,N2測呢,你可以想像它就是一個電源 它往右邊接經過一個二極體D1 再往右邊經過了一個儲能的電感器L 再往右邊就是我們的穩壓電容跟我們的負載R 這個結構跟我們在過去介紹也非常的類似 所不同的,只在中間插入了一個變壓器 把一次跟二次之間做一個有效的隔離 我們把開關切換元件放置在變壓器一次測的下端 在ON的情況,代表我們給這個開關訊號一個HIGH的波 讓這個開關訊號導通了 在導通的時候,我們看到下面文字也有告訴我們 這個時候,左手邊的二極體D3呢,它是一個反壓的 因為這個時候的電源正負黑色的電源 最左手邊呢,會進到我們的變壓器N1來 因為開關已經短路了 所以這個時候,D3是斷路的 因為我們的變壓器在這裡會接受電源的電壓 正負就如同螢幕上所示的 藉由這個變壓器的一次測的正負 我們圓圈圈的同名端在二次測N2那裡 也會是這樣的正負現象 這樣的正負呢,會讓我們的D1導通 我們可以看見,在D1導通的情況下 在左手邊呢,這個初級的一次測 其實變壓器初級也叫做一次測 在左手邊這裡,我們看見電源呢 流過我們的變壓器的一次測,有N1閘 流過了我們的開關,是短路的 這樣的對一次測供電 這樣的能源就利用變壓器的持偶合到了二次測來 變成了我們二次測N2這裡的正負紅色的標籤 這個時候的二次測就像一個電源 向著我們右端的負載供電 這個時候,D1順向導通了 而你所看見這裡的D2呢,就是一個逆向了 因為正負加在D2上是一個逆向的偏壓 所以D2是截止不導通的 這個時候二次測的電流就是一個這樣的現象 我們看到二次測這裡,變壓器的二次測 跟我們的負載,以及中間的儲能電感L 就形成了一個ON之下的一個模式 這也很像我們在過去討論過的一個降壓電路 我們來看一下它的電流波形,在ON的情況之下 左手邊的圖是正機電路,也稱為forward電路 這個電路它在開關元件是導通情況下的一個電路拓撲狀況 我們把上面的二極體,該導通的,該截止的 都用斷路或者是短路表示了 我們看到右手邊的波形,我們所關心的是 我們給IGBT一個HIGH的訊號,讓它導通了 這個時候的UT它是0,因為UT各位可以看見 代表著IGBT兩端的電壓,也就是在變壓器一次測下端的電壓 因為它被短路了,所以它沒有電壓 BTR是代表變壓器裡面的磁現象 各位,這個地方因為我們的開關短路了 變壓器的一次測接受了輸入電源的電流供應 於是它的磁場開始往上升 也就是右手邊的這個波形磁場往上升 這個磁場往上升呢,會藉由這個磁場感應到了二次測 那麼二次測就會感應出一個電壓 所以這個時候磁場往上升,也代表一次測的電流是會往上增加的 這個UL呢,是代表我們右手邊,在我們這個左邊的電路裡面的變壓器 二次測右邊有一個儲能電感器 一樣,這是我們最關心的儲能電感,它的一個電壓變化 這個時候的儲能電感,它是一個正的電壓 不過這裡我特別強調一下,各位您看到 這裡的電壓是N1分之N2乘以U0 因為它變壓器具有一個變壓的效應 它一次測的電壓如果是1伏特,二次測的電壓會變成N1分之N2伏特 所以這裡有一個升壓的作用 因著電抗器有一個直流電壓,所以它的電流會緩慢性的上升 而二極體通過的電流跟IL是一樣的 ID1跟IL一樣是一個上升 ID2由於它是斷路,所以它沒有電流 而UL1呢,是代表變壓器的一次測 它也是處於一個電源直接輸入的狀態,UD OFF的情況呢,這個時候我們給開關一個LOW的訊號 於是開關就關閉了 這個時候一次測,變壓器一次測就像一個電源一樣 會逆送一個電流回去 這個逆送的電流會傳導到N3,在這個地方的UL3 因為它跟變壓器是掛在一起的一個電抗器 它會傳導到這裡 那麼把相關的多餘的能源會往電源送 這個是變壓器一次測的一個動作 但比較重要的我們關心二次測,因為它是負載 在二次測這裡,由於一次測的變化 所以二次測的電壓會是我們圖上所畫的正端在下,負端在上 這個時候二極體D1是短開的 D2是短路的 這個時候的電源,負載的電源是由儲能電感L去做一個供應 由儲能電感對我們的負載做放電的現象 這是OFF的時候的電路 在前端這裡是我們當時ON的時候的狀況 OFF的時候我們給IGBT一個LOW的電壓 我們的UL是一個負的UL 我們的IL是一個慢慢下降的一個電流 後面的波形不斷的反覆 ON OFF ON OFF不斷的反覆 那麼這樣的電路我們來對比 與我們當時曾經講過的BUG電路的一個樣式 各位依稀記得在BUG電路的這個波形 我們右手邊波形紅色所標示的UD-UL是儲能電感器的電壓 在導通的時候,在截止的時候是UL 所以我們得到一個BUG電路的輸出UL是D去乘以UD 這是過去討論過的 對比於我們現在FORWARD正機電路呢 各位你看到當導通的時候的電壓是紅色標示的這樣 而OFF的時候的電壓是這樣 所以我們推導出來的公式跟前面很接近的話 它UL在這樣的FORWARD電路會等於D乘以N1分之N2的UD 這個式子告訴我們UD是輸入的電壓 而UL是輸出的電壓 D是Duty cycle 但中間很有趣的還有一個N1分之N2代表變壓器的雜數比 我們可以調整變壓器的雜數比 我們就可以讓我們的電壓輸出輸入有一些不同的變化 這個單元我們為大家說明瞭正機電路在ON跟OFF狀況下的現象跟原理 也瞭解了FORWARD電路也就是所謂正機電路 它輸入輸出之間的數學關係跟公式