實驗一 PWM 震盪電路實驗
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1
實驗一 PWM 震盪電路實驗
設定電壓
RC 網路
實際回授電壓
controlV
重複性波形
開關控制訊號
誤差放大器 比較器
重複性波形
ontofft
sT
on
stV
stcontrol VV stcontrol VV
off
t
開關控制訊號
controlV
(a) 方塊圖
(b) 波形圖
2
三角波產生器原理
sR
2R
1R
R
C
ov'ov
1vRV
施密特觸發器 積分器
)(tvo
'ov
oV
oV
0 t
maxV
minV
)(1
21
R
RRVR
2T T
1T 2T
t
斜率RC
Vo(a) 三角波產生器
(b) 施密特觸發器輸出及積分器輸出
3
實驗二 降壓型轉換器實驗
V d
+ V L -
+
V o
-
iL iC I
+ V L -
+
V o
-
iL iC I
V d
+ V L -
+
V o
-
iL iC I
O F F
O N
S W
S W O N S W O F F
1 、工作原理
4
2 、連續導通模式Lv
Li
ont offt
t
t
sTmaxI
minI oL II
0
)( od VV
)( oV
0
DTs D' Ts
連續導通模式之電感電壓電流波形
穩態下, 電感電壓一週期的平均值為 0
0)()( ' DVDVV ood
1' DD
DV
V
d
o
5
3 、不連續導通模式 v L (t)
V d -V o
D 1 T s D 2 T s D 3 T s
-V o
0T s t
t
iL (t)
V d -V o
L
-V o
L
ipk
<i L >=I
D 1 T s D 2 T s D 3 T s
0 DT sT s
不連續導通模式之電感電壓電流波形
穩態下,電感電壓平均值為 0 ,與輸出平均電流可推導出
21
411
2
D
KV
V
d
o
sRT
LK
2其中
6
4 、輸出電壓漣波(Vd-Vo)
(-Vo)
0
vL
t
iL
Vo
t
t
2ST
2
IL
Vo
IL=Io
Q
Vo
0
0
)1(8
02
0 DLC
VTV S
LO IESRV
7
實驗三 升壓型轉換器實驗
1 、工作原理
V d
+ V L -
+
V o
-
iL iC I
O F F
O N
iD
S W
V d
+ V L -
+
V o
-
iL iC I
V d
+ V L -
iL
S W S WO N O F F
8
2 、連續導通模式 Lv
Li
ont offt
t
t
sTmaxI
minI oL II
0
0
DTs D' Ts
Vd
Vd-Vo
電感電壓與電流波形
穩態下, 電感電壓一週期的平均值為 0
0)()( ' DVVDV odd
DV
V
d
o
1
1
9
3 、不連續導通模式v L (t)
V d
D 1 T s D 2 T s D 3 T s
0T s t
t
iL (t)
V d
L
V d -V o
L
ipk
D 1 T s D 2 T s D 3 T s
0 DT sT s
V d -V o
t
iD (t)
ipk
<i D >=I
D 1 T s D 2 T s D 3 T s
0 DT sT s
V d -V o
L
穩態下,電感電壓平均值為 0,與輸出平均電流可推導出
2
411
21
K
D
V
V
d
o
sRT
LK
2其中
10
4 、輸出電壓漣波
Vo
t
Vo
Vo
0
Q ID=Io
iD
tON tOff t0
DTs (1-D)Ts
iD
二極體電流與輸出電壓漣波波形
C
DTsIo
C
QVo
C
DTs
R
Vo
DO IESRV
11
實驗四 升降壓轉換器實驗
1 、工作原理
V d
+ V L
-
-
V o
+
iDiC I
O F F
O N
iL
S W
+ V L
-
-
V o
+
iDiC I
iLV d
+ V L
-iL
S W S WO N O F F
12
2 、連續導通模式 Lv
Li
ont offt
t
t
sTmaxI
minI oL II
0
0
DTs D' Ts
Vd
-Vo
電感電壓與電流波形
穩態下, 電感電壓一週期的平均值為 0
0)()( ' DVDV od
D
D
V
V
d
o
1
13
3 、不連續導通模式v L (t)
V d
D 1 T s D 2 T s D 3 T s
0T s t
t
iL (t)
V d
L
-V o
L
ipk
D 1 T s D 2 T s D 3 T s
0 DT sT s
-V o
t
iD (t)
ipk
<i D >=I
D 1 T s D 2 T s D 3 T s
0 DT sT s
-V o
L
穩態下,電感電壓平均值為 0,與輸出平均電流可推導出
K
D
V
V
d
o 1
sRT
LK
2其中
14
實驗五 返馳式轉換器實驗
N1 N2
V1(t) V2(t)
Vd
C R+
Vo-
D1
SW
T1
V1(t)
Vd
0)(
2
1oV
N
N
ton toff
T S
t
i1
i2
Imax
Imin
0
i1
t
t
i2
0
0
V2(t)
dVN
N
1
2
oVt
D
D
nV
V
d
o
1
1
2
1
2
1
L
L
N
Nn
15
三 實驗設計與結果展示1 、實驗設計
V d
+ V L -
+
V o
-
iL iC I
O F F
O N
S W
L 1
C 1 C 2
L 2
U C 1 5 2 4P W M IC
+
V 'o
-
Vd:10~20V
I : 0~1A
Vo=5V
降壓型轉換器
%1
O
O
V
V
16
(1) 連續導通模式 輸入電壓 Vin:10~20V 負載 R=5Ω
Vin 10V 12V 14V 16V 18V 20V
Vo 5V 5V 5V 5V 5V 5V
D( 量測值 ) 0.58 0.5 0.41 0.35 0.32 0.29
D( 理論值 ) 0.5 0.42 0.36 0.31 0.28 0.25
輸入電壓與工作周期變化關係
DV
V
d
o
17
Vin 10V 12V 14V 16V 18V 20V
Vo 5V 5V 5V 5V 5V 5V
ΔVo( 量測值 ) 0.18V 0.18V 0.2V 0.22V 0.24V 0.25V
ΔVo1( 理論值 ) 3.16 3.97 4.79 5.33 5.87 6.41(mv)
ΔVo2( 理論值 ) 0.16V 0.20V 0.23V 0.24V 0.26V 0.27V
ΔVo’( 量測值 ) 24 28 32 36 36 40(mv)
輸入電壓與輸出電壓漣波變化關係
)1(8
02
01 DLC
VTV S
LO IESRV 2
ΔVo’為第二級 LC濾波後之輸出電壓漣波
18
(2) 不連續導通模式 Vin 10V 12V 14V 16V 18V 20V
Vo 5V 5V 5V 5V 5V 5V
D( 量測值 ) 0.35 0.29 0.24 0.21 0.18 0.18
D( 理論值 ) 0.32 0.24 0.2 0.17 0.14 0.13
輸入電壓與工作周期變化關係
21
411
2
D
KV
V
d
o
sRT
LK
2
19
2 、模擬與實驗結果
1
2
2.00M 4.00M 6.00M 8.00M 10.0M
WFM.2 VAOUT vs. TIME in Secs
60.0
40.0
20.0
0
-20.0
VA
OU
T in
Vo
lts
20.0
0
-20.0
-40.0
-60.0
VF
OU
T in
Vo
lts
< 實驗 5 > PWM 震盪電路實驗
三角波與方波實驗波形 三角波與方波模擬波形
20
< 實驗一 > PWM 震盪電路實驗
1
2
2.00M 4.00M 6.00M 8.00M 10.0M
WFM.2 VOUT vs. TIME in Secs
35.0
25.0
15.0
5.00
-5.00
VO
UT
in V
olts
20.0
0
-20.0
-40.0
-60.0
VF
OU
T in
Vo
lts
三角波與輸出實驗波形 三角波與輸出模擬波形
21
< 實驗二 > 降壓型轉換器實驗
10.00M4.99<
x>
1
1.00M 3.00M 5.00M 7.00M 9.00M
WFM.1 VOUT vs. TIME in Secs
6.00
4.00
2.00
0
-2.00
VO
UT
in V
olts
輸出電壓實驗波形 (CCM) 輸出電壓模擬波形 (CCM)
22
< 實驗二 > 降壓型轉換器實驗
43.9M5.09<
x>
1
10.0M 30.0M 50.0M 70.0M 90.0M
WFM.1 VOUT vs. TIME in Secs
6.00
4.00
2.00
0
-2.00
VO
UT
in V
olts
輸出電壓實驗波形 (DCM) 輸出電壓模擬波形 (DCM)
23
< 實驗二 > 降壓型轉換器實驗
1
2
9.00M 9.01M 9.02M 9.03M 9.04M
WFM.2 IL vs. TIME in Secs
6.00
4.00
2.00
0
-2.00
IL in
Am
ps
30.0
10.00
-10.00
-30.0
-50.0
VL
in V
olts
電感電壓與電流實驗波形(CCM)
電感電壓與電流模擬波形 (CCM)
24
< 實驗二 > 降壓型轉換器實驗
2
1
27.5M 27.6M 27.6M 27.7M 27.7M
WFM.1 VL vs. TIME in Secs
10.00
0
-10.00
-20.0
-30.0
VL
in V
olts
6.00
4.00
2.00
0
-2.00
IL in
Am
ps
電感電壓與電流實驗波形 (DCM) 電感電壓與電流模擬波形(DCM)
25
< 實驗三 > 升壓型轉換器實驗
60.0M17.9<
x>
1
10.0M 30.0M 50.0M 70.0M 90.0M
WFM.1 VOUT vs. TIME in Secs
30.0
20.0
10.00
0
-10.00
VO
UT
in V
olts
輸出電壓實驗波形 (CCM) 輸出電壓模擬波形 (CCM)
26
< 實驗三 > 升壓型轉換器實驗
150M17.9<
x>
1
20.0M 60.0M 100M 140M 180M
WFM.1 VOUT vs. TIME in Secs
30.0
20.0
10.00
0
-10.00
VO
UT
in V
olts
輸出電壓實驗波形 (DCM) 輸出電壓模擬波形 (DCM)
27
< 實驗三 > 升壓型轉換器實驗
3
2
55.2M 55.2M 55.3M 55.3M 55.3M
WFM.2 VL vs. TIME in Secs
15.0
5.00
-5.00
-15.0
-25.0
VL
in V
olts
2.25
1.75
1.25
750M
250M
IL in
Am
ps
電感電壓與電流實驗波形 (CCM) 電感電壓與電流模擬波形 (CCM)
28
< 實驗三 > 升壓型轉換器實驗
3
2
110M 110M 110M 110M 110M
WFM.2 VL vs. TIME in Secs
20.0
10.00
0
-10.00
-20.0
VL
in V
olts
800M
600M
400M
200M
0
IL in
Am
ps
電感電壓與電流實驗波形 (DCM) 電感電壓與電流模擬波形 (DCM)
29
< 實驗三 > 升壓型轉換器實驗
V in 10 V
11V 12V 13V 14V 15V
V o 18V 18V 18V 18V 18V 18VD( 量測值 ) 0.64 0.52 0.44 0.41 0.32 0.29D( 理論值 ) 0.444 0.388 0.333 0.275 0.218 0.166
△ Vo( 量測值 ) 0.12 0.12 0.11 0.11 0.08 0.08V△ Vo1( 理論值 ) 7.5m 6.1m 5.1m 4.77m 3.75m 3.4mV△ Vo2( 理論值 ) 0.152 0.141 0.13 0.13 0.13 0.108V
輸入電壓 Vin:10~15V 負載 R=62Ω (CCM)
RC
DTsVoVO
1
DO IESRV 2
DV
V
d
o
1
1
30
< 實驗三 > 升壓型轉換器實驗
V in 10 V
11V 12V 13V 14V 15V
V o 18V 18V 18V 18V 18V 18V
D( 量測值 ) 0.375 0.3125 0.281 0.25 0.1875 0.1875
D( 理論值 ) 0.71 0.607 0.51 0.434 0.36 0.29
△ Vo( 量測值 )
0.06 0.04 0.03 0.03 0.02 0.04
△ Vo( 理論值 )
0.09 0.08 0.07 0.07 0.06 0.06
輸入電壓 Vin:10~15V 負載 R=1KΩ (DCM)
DO IESRV 22
411
21
K
D
V
V
d
o
sRT
LK
2;
31
< 實驗四 > 升降壓型轉換器實驗
40.0M-12.0<
x>
1
5.00M 15.0M 25.0M 35.0M 45.0M
WFM.1 VOUT vs. TIME in Secs
15.0
5.00
-5.00
-15.0
-25.0
VO
UT
in V
olts
輸出電壓實驗波形 (CCM) 輸出電壓模擬波形 (CCM)
32
< 實驗四 > 升降壓型轉換器實驗
1
2
120M 120M 120M 120M 120M
WFM.2 VL vs. TIME in Secs
10.00
0
-10.00
-20.0
-30.0
VL
in V
olts
1.41
1.01
607M
207M
-193M
IL in
Am
ps
電感電壓與電流實驗波形 (DCM) 電感電壓與電流模擬波形 (DCM)
33
< 實驗四 > 升降壓型轉換器實驗
1
2
110M 110M 110M 110M 110M
WFM.2 VL vs. TIME in Secs
10.00
0
-10.00
-20.0
-30.0
VL
in V
olts
1.80
1.40
1.00
600M
200M
IL in
Am
ps
電感電壓與電流實驗波形 (CCM) 電感電壓與電流模擬波形 (CCM)
34
< 實驗四 > 升降壓型轉換器實驗
1
2
120M 120M 120M 120M 120M
WFM.2 VL vs. TIME in Secs
10.00
0
-10.00
-20.0
-30.0
VL
in V
olts
1.41
1.01
607M
207M
-193M
IL in
Am
ps
電感電壓與電流實驗波形 (DCM) 電感電壓與電流模擬波形 (DCM)
35
< 實驗四 > 升降壓型轉換器實驗
Vin 10V 12V 14V 16V 18V 20V
Vo -12 -12 -12 -12 -12 -12
D ( 量測值 ) 0.64 0.58 0.5 0.47 0.44 0.41
D ( 理論值 ) 0.54 0.5 0.46 0.42 0.4 0.37
△ Vo( 量測值 ) 0.22 0.21 0.2 0.2 0.19 0.18V
△ Vo1( 理論值 ) 9.6m 8.3m 7.4m 7m 6.5m 6.1mV
△ Vo2( 理論值 ) 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 0.16V
輸入電壓 Vin:10~20V 負載 R=62Ω (CCM)
D
D
V
V
d
o
1RC
DTsVoVO
1
DO IESRV 2
36
< 實驗四 > 升降壓型轉換器實驗
輸入電壓 Vin:10~20V 負載 R=1KΩ (DCM)
Vin 10V 12V 14V 16V 18V 20V
Vo -12 -12 -12 -12 -12 -12
D( 量測值 ) 0.29 0.29 0.23 0.20 0.17 0.14
D( 理論值 ) 0.50 0.42 0.36 0.31 0.28 0.25
△ Vo( 量測值 )
0.07 0.07 0.08 0.08 0.08 0.08V
△ Vo1( 理論值 )
0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 0.16V
K
D
V
V
d
o 1sRT
LK
2;
DO IESRV
37
< 實驗五 > 返馳式轉換器實驗
輸出電壓實驗波形 (CCM) 輸出電壓模擬波形 (CCM)
95.0M12.1<
x>
1
95.0M 95.0M 95.0M 95.0M 95.0M
WFM.1 VOUT vs. TIME in Secs
20.0
10.00
0
-10.00
-20.0
VO
UT
in V
olts
38
< 實驗五 > 返馳式轉換器實驗
開關控制訊號與 i1實驗波形
開關控制訊號與 i1模擬波形
1
2
95.0M 95.0M 95.0M 95.0M 95.0M
WFM.2 IR6 vs. TIME in Secs
4.00
3.00
2.00
1.00
0
IR6
in A
mp
s
30.0
10.00
-10.00
-30.0
-50.0
VG
S in
Vo
lts
39
< 實驗四 > 返馳式轉換器實驗
開關控制訊號與 V2實驗波形 開關控制訊號與 V2模擬波形
2
1
95.0M 95.0M 95.0M 95.0M 95.0M
WFM.1 VGS vs. TIME in Secs
35.0
15.0
-5.00
-25.0
-45.0
VG
S in
Vo
lts
120
80.0
40.0
0
-40.0
VS
EC
in V
olts
40
參考資料
1. Robert W. Erickson, Fundamentals of Power Electronics, Kluwer Academic Publishers, Massachusetts, 1999
2. Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins, Power Electronics : Converter, Application, and Design, John Wiley & Sons , Inc., New York, 1995
3. 鄭培璿,電子電子分析與模擬,全華圖書 ,台北, 2002
4. 江炫樟編譯,電子電子學,全華圖書 ,台北, 2003