逢 甲 大 學 自動控制工程學系專題製作

專 題 論 文

電壓放大器驅動元件 High-Voltage Power Amplifier

指導教授：黃建立 老師 學生：李建岦 王俊程 劉岳政

中 華 民 國 九 十 六 年 五 月 三 十 日

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致謝

利用這次專題實作報告的機會，很榮幸地得到各位學長、學姊的技術指導與資料

提供，了解到系統模擬軟體的工作環境，並在實體製作部分不吝於幫忙。在此特

別感謝黃建立老師願意讓我們不斷的打擾，和黃清訓學長細心地講解及指導，給

予學習空間，且參考本組同學所提及之建議。在此並感謝逢甲的每一位教授的指

導和照顧，給予我門莫大的學習機會。

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中文摘要

許多科學儀器和檢測器通常需要交流高電壓來驅動。高電壓驅動對驅動

許多應用中的電極都是有用的。面臨的挑戰是將常規運算放大器之輸出放大

到高電壓時，可用的交流高電壓放大器模組通常被限制在某一高電壓範圍。

因此在本次的專題內容中，我們希望藉由數個的電路方塊，來達到輸入為

交流電壓 110V，而輸出為直流電壓，直流電壓輸出可以線性調整，電壓的線

性調整範圍是 0-250V 等條件。

此次專題我們嘗試了三種方法，前兩次都因為材料取得不易與原理過於複

雜，以致未能達到預期目標。第三次嘗試了新的方法，將一般的家用電壓通

過自耦變壓器，自耦變壓器實質上是一種電壓可連續調節的變壓器，當調到

所需電壓後，再接至由 BR34 元件所組成的橋氏整流電路，調整為直流，經由

多次錯誤嘗試，在某種程度上來完成預期的目標。

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英文摘要

High voltage AC to DC with adjustable ability converter is very useful in modern

industry.

In this special subject ,we try to use three different ways to reach our purpose ,the

first way is to apply PA-78 chip and relative circuit to attain what we want as stated

above ,but it’s a challenge for us with some reasons below :

1. Hardly to be simulated with suitable software (For PA-78 is rare)。

2. We have no ideas to know whether the unknown circuit is successful or not?

The second way is to construct a PWM-based circuit and it can be connected to a

bridge rectifier exporting something but this way can’t increase the voltage of

adjustable range. As a matter of fact ,it’s only about 7.8-14V roughly.

Finally ,we find that Auto-Transformer can easily achieve our goal at somewhat

level.

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目錄

致謝..............................................................iii

中文摘要...........................................................iv

英文摘要............................................................v

圗目錄...........................................................viii

表目錄.............................................................ix

第一章 緒論........................................................1

1.1 高壓放大器介紹 ..............................................1

1.1.1 高壓放大器之概觀......................................1

1.1.2 何謂高壓放大器........................................1

1.2 高壓輸出放大器特性..........................................2

1.3 高壓放大器內部常見元件 ......................................3

1.3.1 運算放大器............................................3

1.3.3 作動方式與原理.......................................4

1.4 高壓放大器內部電路 ..........................................5

1.4.1 倍壓整流電路 ..........................................5

1.4.2 電路 1為例說明工作原理︰ ..............................6

第二章 電路放大器電路製作方法.......................................7

2.1 希望製作電壓放大器達到之目標................................7

2.2 製作電壓放大器之方法........................................7

2.2.1 流程圖...............................................7

2.2.2 合理作法..............................................8

2.3 整流電路 ....................................................9

2.4 TL494......................................................10

2.5 結果.......................................................12

第三章 製做電壓放大器之介紹........................................13

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3.1 電壓放大器製作電路.........................................13

3.2 自耦變壓器電路製造.........................................14

3.2.1 自耦變壓器介紹.......................................14

3.2.2 自耦變壓器特性.......................................16

3.3 橋氏整流電路...............................................17

結論...............................................................18

參考文獻...........................................................19

附錄...............................................................20

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圗目錄

圖 1.1 高壓放大器內部等值電路 .......................................1

圖 1.2 741 運算放大器外型圖.........................................3

圖 1.3 741 運算放大器的電路符號及 IC包裝接腳圖......................3

圖 1.4 運算放大器的基本結構 ........................................4

圖 1.5. 放大器輸出入電壓關係圖 ......................................4

圖 1.6 倍壓整流電路 1................................................5

圖 1.7 倍壓整流電路 2................................................5

圖 1.8 倍壓整流電路 3................................................5

圖 1.9 倍壓整流電路 4................................................6

圖 1.10 倍壓整流電路 5...............................................6

圖 2.1 整流電路圖...................................................9

圖 2.2 整流器實作...................................................9

圖 2.3 PWM 控制電路圖 ..............................................10

圖 2.4 TL494 內部電路圖 ............................................11

圖 2.5 TL494 PWM 電壓控制電路圖 ....................................11

圖 2.6 為調整可變電阻至電壓 13.9V 時 PWM 控制電路波形................11

圖 3.1 自耦變壓器電路外觀 ..........................................15

圖 3.2 自耦變壓器內部電路圖 ........................................15

圖 3.3 自耦變壓器製作實體...........................................16

圖 3.4 全波橋氏整流 ................................................17

圖 3.5 橋氏整流實體圖 ..............................................17

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表目錄

表 1.1 高壓輸出放大器基本規格 .......................................2

表 2.1 流程圖 .......................................................7

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第一章 緒論

1.1 高壓放大器介紹

1.1.1 高壓放大器之概觀

今天使用最廣的放大電路可能就是高壓放大器。它容易使用，且只需利用

微小的電壓，許多科學儀器和檢測器需要交流高電壓驅動，高電壓驅動對於驅動

許多應用中的電極都是有用的。且高壓在壓電材料的驅動、光電管、光譜儀、微

機電、奈米科技工程等方面都有廣泛的應用。

1.1.2 何謂高壓放大器

高壓放大器如圖 1.1，主要是由一般的切換式直流 ±12 V 電源供應器，負

責提供後級所需的 ±12 V 的直流電壓以及所需功率。其次是高壓直流電源供應

模組，以線性的 DC-DC 轉換器驅動變壓器作第一次升壓，最後變壓器的二次側

再以倍壓電路升至所需的電壓。最後則是線性高壓放大模組，其原理是以一低壓

運算放大級驅動後級的高壓級，後級的高壓是決定整個高壓放大器的關鍵，高壓

級是由串接的 PMOS 以及 NMOS 形成一 Push-Pull 高壓輸出級，由於該級是由

功率電晶體所組成且提供極高的增益，所以是決定整個放大器的頻率響應關鍵。

圖 1.1 高壓放大器內部等值電路

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1.2 高壓輸出放大器特性

一般高壓放大器由 110 伏的交流電源提供所需的電源，可將輸入端子的電壓

放大約一百五十倍，其最大輸出直流電壓可達到正或負 950 伏; 其最大輸出

交流電壓可達到正負九百伏 (Peak-Peak)。如表 1.1

表 1.1 高壓輸出放大器基本規格

最大直流高壓輸出 ±950 V

最大交流高壓輸出 ±900 V (P-P)

放大倍數 約 150 倍

增益頻寬 約 10 KHz

負載 ≥ 1 MΩ

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1.3 高壓放大器內部常見元件

1.3.1 運算放大器

741 放大器為運算放大器中最常被使用的一種，擁有反相與非反相兩輸入

端，由輸入端輸入欲被放大的電流或電壓訊號，經放大後由輸出端輸出。放大器

作動時的最大特點為需要一對同樣大小的正負電源，其值由±12Vdc 至±18Vdc 不

等，而一般使用±15Vdc的電壓。741 運算放大器的外型與接腳配置分別如圖 1.2、

1.3 所示。

圖 1.2 741 運算放大器外型圖

圖 1.3 741 運算放大器的電路符號及 IC 包裝接腳圖

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1.3.2 OP 運算放大器的基本結構

圖 1.4 運算放大器的基本結構

1.3.3 作動方式與原理

運算放大器使用時需於 7、4腳位供應一對同等大小的正負電源電壓＋Vdc與

－Vdc，一旦於 2、3腳位即兩輸入端間有電壓差存在，壓差即會被放大於輸出端，

唯 Op放大器具有一特色，其輸出電壓值決不會大於正電源電壓＋Vdc或小於負電

源電壓－Vdc，輸入電壓差經放大後若大於外接電源電壓＋Vdc 至－Vdc 之範圍，其

值會等於＋Vdc或－Vdc，故一般運算放大器輸出電壓均具有如圖 1.5 之特性曲線，

輸出電壓於到達＋Vdc和－Vdc後會呈現飽和現象。

Vout

Vdc＋＝15Vdc

Vdc－＝－15Vdc

V2－V1

圖 1.5. 放大器輸出入電壓關係圖

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1.4 高壓放大器內部電路

1.4.1 倍壓整流電路

倍壓整流電路的實質是電荷幫浦。最初因為核技術發展需要更高的電壓來類比

人工核回應，倍壓整流電路有多種架構，各有優缺點。常見電路如圖 1.6 1.7 1.8：

圖 1.6 倍壓整流電路 1

圖 1.7 倍壓整流電路 2

圖 1.8 倍壓整流電路 3

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1.4.2 電路 1 為例說明工作原理︰

圖 1.9 倍壓整流電路 4 當變壓器次級輸出為上正下負時，電流流向如圖 1.9 所示。變壓器向上臂三個電

容充電儲能。

圖 1.10 倍壓整流電路 5 當變壓器次級輸出為上負下正時，電流流向如圖 1.10 所示。上臂電容透過變壓

器次級向下臂充電。

如果不帶負載，穩態時，除了最左邊的那個電容，其它每個電容上的電壓為 2U，

所以總輸出電壓為 6U。事實上，由於高階倍壓整流電路負載能力很差，輸出很

小的功率就會導致輸出電壓的大幅度跌落。假設輸出電流為 I，每個電容的容量

相同為 C，交流電源頻率為 f，則電壓跌落為︰

ΔU=

I6fC （4N3+3N2+2N）

輸出電壓紋波為：

(N+1)N I4 fC

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第二章 電路放大器電路製作方法

2.1 希望製作電壓放大器達到之目標

1.輸入-輸出電壓(輸出端電壓)需放大至 300-350V。

2.元件頻率響應須達到 10-100KHz。

3.驅動電流須至 100mA( 100nA ) 。

4.主電源間必須隔離( 光耦合隔離 ) 。

5.輸入-輸出兩邊可以線性調整( PWM 控制 )。

2.2 製作電壓放大器之方法

2.2.1 流程圖

表 2.1 流程圖

整流電路-交流 轉換 直流

IGBT(閘極複合性電晶體 )電路

放大電壓範圍至 300V

TL494 PWM 電壓線性控制電路

光耦合器將高壓電源部份隔離

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2.2.2 合理作法

1. 設計一家用插頭連接市電(110V) 。

2. 橋式整流電路將電流從交流轉換成直流。

3. IGBT (閘極雙極性電晶體 )電路把電壓放大。

4. 運用 TL494 電壓控制電路對輸入和輸出電壓作線性調整。

5. 使用光耦合器把高壓電源部分隔離掉。

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2.3 整流電路

1.基本電路原理為變壓器將 110 伏特，降為 X 伏特(視該變壓器輸出端而定)。

2.經過整流器變為直流電壓。

3.電解電容為調整濾波用途。

4.IC 7805 的內部線路將輸入的電壓調整為 12V 的輸出電壓。

圖 2.1 整流電路圖

圖 2.2 整流器實作

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2.4 TL494

TL494（詳見附錄一）的內部電路由基準電壓產生電路、振盪電路、間歇期調

整電路、兩個誤差放大器、脈寬調製比較器以及輸出電路等組成。用 TL494 為主

要元件實現的閉環單回路控制器具有構思新穎、電路簡單、成本低廉以及控制過

程穩定等特點，在很多工業控制場合可獲得廣泛的應用。TL494 有一支接腳叫做

"DeadTime Control" Pin4, 由此接腳可以控制 Duty 由最大 0% - 50%，

FeedBack 部份可由輸出端經兩個電阻分壓後接到 Pin1 或 Pin16, 相對的假如

用Pin1做回授時, 參考電壓則接在Pin2, 以 Pin16做回授則是接在Pin15, 而

回授補償則全接在 Pin3。

圖 2.3 PWM 控制電路圖

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圖 2.4 TL494 內部電路圖

圖 2.5 TL494 PWM 電壓控制電路圖

圖 2.6 為調整可變電阻至電壓 13.9V 時 PWM 控制電路波形

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2.5 結果

在上述的方法中，因為遇到

1.IGBT(閘極複合性電晶體)電路過於複雜，無法完成。

2.光耦合器原理與材料取得不易…等問題。

以上原因使得這個方法僅能把電壓在 7.8~13.9V 時作線性調整，藉以完成部份功

能。將電壓放大時，即產生失真。所以此方法中，我們只能將電壓做小幅度的放

大，無法放大到我們預期的目標。因此最後我們放棄此種方法，另外採行別的方

法。

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第三章 製作電壓放大器之介紹

3.1 電壓放大器製作電路

在第三種方法裡，將一般的家用電壓通過自耦變壓器，自耦變壓器實質上

是一種電壓可連續調節的變壓器，當調到所需電壓後，再接至由 BR34 元件（詳

見附錄二）所組成的橋氏整流電路，而後調整為直流，經由多次錯誤嘗試，

在某種程度上來完成預期的目標。

希望達成的目標

‧ 輸入為交流電壓 110V，而輸出為直流電壓。

‧ 直流電壓輸出可以線性調整。

‧ 電壓的線性調整範圍是 0-250V 。

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3.2 自耦變壓器電路製造

3.2.1 自耦變壓器介紹

1.自耦變壓器如圖 3.1，實質上是一種電壓可連續調節的變壓器。其鐵心有

環式與柱式兩種。柱式鐵心與一般變壓器相似﹐用矽鋼片疊成﹔環式鐵心則用矽

鋼帶捲成。20kVA 及以下的小容量自耦調壓器﹐多選用環式鐵心﹔容量超過

20kVA 者多採用柱式鐵心。在環式自耦調壓器的結構中﹐繞組用絕緣銅線單層繞

在環式鐵心上。線圈部分表面磨去絕緣層而成光滑平面﹐用電化石墨做成的電刷

與它相接觸。電刷可藉手輪在導線表面旋轉滑動，從而改變輸出電壓。電流容量

大於 10A 者﹐有用兩個或多個電刷並聯的。

2.一般的變壓器屬隔離變壓器，它有分一次側線圈及二次側線圈，兩線圈是

分開獨立的。而依照兩線圈匝數比率的不同，感應出二次側電壓供其使用。

3.自耦變壓器的一次側與二次側在同一個線圈上，可以說二次側是從一次側

中間抽出來的，所以體積比較小。經由外部控制二次側線圈的長度，可以自由調

整所需的二次側電壓，通常使用在須調壓的場所。

4.自耦式變壓器是一種帶有單相有載分接開關的調壓變壓器。

5.最後考慮到運行範圍的大小和控制精度要求，控制電壓線圈也設定不同檔

位來校正不同變化範圍的輸出偏差。

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圖 3.1 自耦變壓器電路外觀

圖 3.2 自耦變壓器內部電路圖

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3.2.2 自耦變壓器特性

1.由於自耦變壓器只有單一線圈，所以能承受的容量就會比較小，所以在大容量

的場合比較見不到自耦變壓器存在。

2.一般變壓器一次側與二次側的地相接時，有兩種情形

(1)形成減極性變壓器，一次側的電壓減去二次側電壓，等於實際輸出電壓

(2)形成加極性變壓器，一次側的電壓加二次側的電壓，等於實際輸出電壓

3.除非使用自耦變壓器，因為自耦變壓器的 0V 本來就是共用的。

3.2.3 自耦變壓器製作實體

圖 3.3 自耦變壓器製作實體

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3.3 橋氏整流電路

橋氏整流如圖 3.4 或倍壓整流電路，先將市電所供應的交流電源

轉換成後級電路所需的直流電壓；整流電路隨後又跨接一個大電容(BR34)如圖

3.5，做為直流電壓端儲能及初步的濾波。這樣的電路結構從交流電源汲取脈衝

形式的失真電流，間接導致相當低的功率因數，相當高的諧波含量。110V 直流

電透過輔助電源開關管成為脈衝電流，透過輔助電源變壓器輸出二組交流電壓，

一路經整流、三端穩壓器穩壓，輸出+5VSB，加到主板上作為待機電壓；另一路

經過整流濾波，輸出輔助 20V 電源，供給 PWM 等晶片工作。

圖 3.4 全波橋氏整流

圖 3.5 橋氏整流實體圖

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結論

許多科學儀器和檢測器需要直流高電壓驅動。高電壓驅動對於驅動許多應用

中的電極都是有用的。本專題利用壓電元件做設計，達到輸出 250V 來驅動壓電

致動器。此次專題我們嘗試了二種方法，前兩次都因為材料取得不易與原理過於

複雜，以致未能達到預期目標。第三次嘗試了利用自耦變壓器和橋式整流器的結

合，經由多次錯誤嘗試，在某種程度上完成了可調整的電壓和放大的預定目標。

在本專題中，還有許多的方向可以去發展。市面上已有很多的高壓放大器，

但價格昂貴。我們利用便宜的零件來組成類似的功能，但還有許多的問題等待解

決，例如接上負載後會發生的情況，也許還有不同的方法來達成此目標，都是我

們未來可以探討的目標。

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參考文獻

書名：高低頻變壓器設計，作者：謝沐田

出版書局：全華圖書公司

書名：放大器電路設計指南，作者：高海濱，

出版書局：金華科技圖書股份有限公司

書名：電子變壓器及電路，作者：趙世文、王志浩、黃文

出版書局：全華圖書公司

書名：專題製作，作者：林豐隆

出版書局：全華圖書公司

書名：DC/DC 模組化實用電路，作者：溫榮弘

出版書局：全華圖書公司

書名：電子電路－控制與應用，作者：葉振明

出版書局：全華圖書公司

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附錄

附錄一

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附錄二

BR34 特性

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