昇壓式 轉換器 之 閉迴路控制 ( Boost converters )

班級 : 四電機三 B 學生 : 蔡智豪 (4970J134)

張凱瑜 (4970J112)

曾旭安 (4970J056)

指導老師 : 楊松霈 Leader: 葉宗銘

22

進度報告

月份 進度 備註 上個月之問題

十一月 IsSpice 模擬 Boost 電路

十二月 非隔離型開迴路實作 Boost 電路

寒假 非隔離型閉迴路實作 Boost 電路

本學期進度表：

大綱• 電路分析• 元件設計與選擇• 實做電路圖• 控制器設計• 控制器實現• 實作成果• 心得

• 昇壓式 (Boost) 轉換器

+

-

+

-

SV

L

C R OV

D

SW

• 電氣規格 :

輸入電壓 ( ) 輸出電壓 ( ) 輸出功率 ( ) 操作模式

20 V 48 V 100 W CCM

iV OPOV

輸出漣波 ( ) 功率開關頻率

50 kHz

OV

%1Δ VO

電路圖

˙ 在分析昇壓式 (Boost) 轉換器前先做以下假設：

+

-

+

-

SV

L

C R OVLi Ci Ri

LV+ - D

SW

電路元件為理想 5.

輸出電壓保持固定為 電容很大， 4.

(CCM) 電感器電流為連續 3.

。 時間為 off， 時間為 on 開關 ， 切換週期為 2.

穩態條件存在。 1.

OV

)T-D(DTT

1

電路分析開關 on 之分析 :

當開關 on 時，二極體為逆向偏壓，克希荷夫電壓定律經過路徑為電源、電感器、與

開關 (on) 。

+

-

+

-

SV C R OV

SL VV + -

開關 off 之分析 當開關 off ，電感電流無法瞬間改變，所以二極體變成順向偏壓提供一路徑給電感電流。

+

-

+

-

SV C R OV

OSL VVV + -

dt

diLVV L

SL 或

L

V

dt

di SL

L

V

DT

Δi

Δt

Δi SLL

L

DTVΔi S

L on

dt

diLVVV L

OSL -L

VV

dt

di OSL -

L

V-V

TD-

Δi

Δt

Δi OSLL

1

L

T -D - V VΔi OS

L

1 off

因 伏秒平衡定理：

0off on LL ΔiΔi

- D

VV S

O 1

電感電流跨固定正 ( 負 ) 電壓，則電感電流線性上升 ( 下降 )

+

-

+

-

SV C R OV

OS - VV+ -

LD ii +

-

+

-

SV C R OV

SV+ -

0Di

元件設計與選擇

A 8.89 2L

DT

RD)-(1

V 48

A 8.89s)2(30

s))(20(20)(0.583

(23)0.583)-(1

20

2L

DTV

RD)-(1

VV 48

SW

) (Diode )SW ( (5)

μF 100 μF 50.7 k 500.0123

0.583

Δ(

(4)

μH 33.16 μH 23.3 k 502

230.583)-0.583(1

2

)-D(1

(3)

0.583 48

201 1 (2)

23 04.23 100

48 (1)

2(max)

2S

2S

(max)

22

min

22

SSL

O

L

O

O

O

O

S

O

VVi

-V-

i

V

)fV

VR

DC

f

RDL

V

V-D

P

VR

耐流

耐壓二極體

耐流

耐壓

耐流 耐壓

二極體開關

選擇

電容值確保連波範圍，求最小

選擇 電感值

求最小電感值 CCM， 確保

導通比

選擇電阻值

實做電路圖

+

-

+

-

SV

L

C R OVLi Ci Ri

LV+ - D

SW

LM 311

LF 356

TL 49412 11 8

6 7

2

3

7

4

62

3

8

1

7

-12 V-12 V

+12 V

+12 V

+12 V

+12 V

k 100μ 01.0

k 100

k 20 k 01

k 2

5

TC4050

DRIVER

PWM

LF 356

2

3

7

4

6

-12 V

+12 V

LF 356

2

3

7

4

6

-12 V

+12 V

LF 356

2

3

7

4

6

-12 V

+12 V

LF 356

2

3

7

4

6

-12 V

+12 V

LF 356

2

3

7

4

6

-12 V

+12 V

2

k 01

k 01

k 01

k 01

k 01

k 5

k 1

k 01

56

k 2.4

pF 1

μF 0.05

控制器

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

--

-

V 6.2

11

Type II PWM

6

1

d G(s) oVrefV

-

1R

2R

1C

2C

Type2 控制器電路圖

系統流程圖

72

7

102.477730

104.959 + s 2829

:function Transfer

ss

控制器設計

:

35670A Agilent

測得實際電路之波德圖做閉迴路動態信號分析利用步驟一：

391.83 1570 50 6.

k 50 zx 5.

9471020

18 log20 18 Y dB 4.

1570 2π

250 3.

0.6 2.

2 .1

2

0.9

22

為，可解得及現在已知

，本實作假設軸何時下降設看

軸為得為零，由波德圖得知令轉移函數為

因此本實作設越大，，與實際比較越晚下降看下降的點來猜

越小，本實作設，越凸看凹和凸程度來猜測

轉移涵數為

kx

nω

zk，ωkz

z

.xxs

ωfω

f ωω

ωsζωs

kzks

n

nnn

nnn

nn

求閉迴路轉移函數步驟二 :

nn

nn

ωkzf

ωsωs

kzks

、、 II.

2 I.

22

及並解求出假設

轉移函數為

Fitting Curve 11.

102.477730

104.959 + s 2829

2 10.

310 750 9.

8.

2

1570 0.640 83913 7.

72

7

22

22

之波德圖比較實際測量與

求得轉移函數

提高至提高為因此將

點較為早的假設太小因為實作下降

凹假設太小因為實作比較去求波德圖時可以發現利用求出的轉移函數下

求出轉移函數為全部都算出來後就可以，

ss

nωs

nωζs

kzks

f、.

f

nωs

nωζs

kzksn

ωk，z，. k

n

n

電路轉移函數

控制器實現

17

控制器實現 :

之間 的 交越頻率在 (c)

) P.M ( 相位餘裕 (b)

穩態誤差為零 (a)

:列規格控制器設計需使滿足下

%~ % f sw 10 5

45

到我們設計需求。秒就能達到穩壓，皆達 然後 kHz 且交越頻率 deg PM差為零、 為設計出的控制器穩態誤

140000

984559

.

..

系統響應圖達到我們設計需求。並秒就能達到穩壓， 140000.

P)(

Z)(K

)CCR

CC(

CR

1

CR

1)C(

212

21

22

11

ss

s

ss

s

s

：控制轉移函數為 Type2此

1R

2R

1C

2C

Type2 控制器電路圖

k 42R 2-2 C C.

F 050 C-CC

C

CC 3-2 2-2 B.

56 R 1-2 pF 1 C A.

:

3-2 1014163 CCR

CC

2-2 38617 CR

1

1-2 1076141CR

1

22

112

1

21

11

8

212

21

22

10

11

.

.Z

P

PZ

.P

.Z

.K

可得代入將

經聯立方程式可得

可得到代入將

可得代入假設

接下來分為三部份

：之條件由轉移函數可得到下列

1R

2R

1C

2C

Type2 控制器電路圖

實作成果

23

輸入電壓變動 :

24

Vi

25 V

20 V

25 V

20 V

Vo

V 52 ~ V 02 :輸入電壓範圍

V 52 V 02 V 02 V 52

負載變動 :

25

Ω 50 ~ Ω 25 :負載變動範圍

2 A

1 A 1 A

2 A

Vo

oi

50 52 25 05

效率曲線圖

84.56 82.3 83.7 82.9 83.17 83.14 84.0780.8

50

60

70

80

90

100

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

瓦特數

效率

1數列

效率

功率 (W) 30 40 50 60 70 80 90 100

效率 (%) 80.8 84.56 82.3 83.7 82.9 83.17 83.14 84.07

功率級

27

信號級

完整電路

心得1. 在接信號級電路時發現麵包版內部有問題，改善方法為使用全新的麵包版

。2. 主電路電容大小影響控制器設計

F100

100

101

102

103

104

105

106

-80

-60

-40

-20

0

20Bode Plot

Mag

nitu

de (d

B)

100

101

102

103

104

105

106

-200

-100

0

100

200

Frequency (rad/sec)

Pha

se (d

eg)

100

101

102

103

104

105

106

-80

-60

-40

-20

0

20Bode Plot

Mag

nitu

de (d

B)

100

101

102

103

104

105

106

-200

-100

0

100

200

Frequency (rad/sec)

Phas

e (d

eg)

F150

E N D