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系統識別號 U0002-1506200613545400
中文論文名稱 高頻磁場電源供應器之設計
英文論文名稱 Design of High Frequency Switching Power Supply for Magnetic Generators
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 塗家銘
研究生英文姓名 Chia-Ming Tu
學號 693380098
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-06-12
論文頁數 91頁
口試委員 指導教授-黃聰亮
委員-蕭瑛東
委員-黃聰耀
委員-張世鈺
中文關鍵字 高頻  零電壓切換  脈波寬度調變  現場可程式化的閘陣列  超高規模集成電路硬體描述語言 
英文關鍵字 High-Frequency(HF)  Zero-Voltage-Switching(ZVS)  Pulse Width Modulation(PWM)  Filed Programmable Gate Array(FPGA)  VHSIC Hardware Description Language(VHDL) 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 隨著科技的發展與電氣設備的普及化,使得生活環境中電磁場的曝露範圍更加廣佈。迄今,雖尚無電磁場的相關研究報告明確指出,電磁場確實對生物體有特定的危害,但是對於磁場造成生物體影響的研究仍持續地在進行,目前大多數的研究報告都建議生物體盡量遠離電磁場源,以預防曝露於電磁場中可能造成的各種危害,但大多數僅針對於低頻交流設備;而在目前高頻設備的廣泛使用之下,生物體在高頻磁場源中的曝露次數更加頻繁,鑑此,本文研究重點著重在設計一產生高頻磁場的電源供應器,以利於相關研究可進行各種高頻電磁場的實驗。因此,本論文的主要目標在設計一個高頻磁場電源供應器,可將切換頻率提高至125KHz,對整個電源供應器而言可以提高效率和減少體積,並使用零電壓切換相移式脈波寬度調變技術,降低功率開關元件之切換損失、切換應力及電磁干擾。為了能夠調整輸出功率及切換頻率,乃藉由FPGA嵌入式晶片與VHDL硬體描述語言設計一控制晶片,來產生數位脈波訊號,達成數位式相移脈波寬度調變控制的技術,進而改變輸出電壓的工作週期和頻率的控制。最後,利用Is-Spice電子電路軟體進行實際的模擬及探討,並驗證高頻數位脈波訊號的產生及零電壓切換技術。
英文摘要 With the progressing of science and the popularization of electric equipments, exposed to electric magnetic field environment is increased. Although no reports have indicated that the specific electric magnetic field is danger to the living organism, the research of magnetic field’s influence on organism are also continued. Most research papers proposed that the organism should maintain a distance from the electric magnetic field in order to prevent various kinds of danger that may be caused from exposure. However, those reports mainly focused on exposure from low frequency alternating current equipment. At present, high-frequency equipments are widely used and the exposure to the high-frequency magnetic field of organism is more frequent. For this reason, this thesis emphasizes a high-frequency magnetic field environment to best conduct experiments of conclusive nature. The main goal of this thesis is to design a high-frequency power supply device to provide the magnetic field. The frequency of the high-frequency power supply is up to 125KHz to raise the efficiency and reduce the volume. By using the phase-shifted full-bridge zero-voltage-switched PWM technique, this design can reduce switching loss, component stress, and electromagnetic interferences of power semiconductor devices. In order to adjust the output power and switching frequency exactly, this thesis uses the digital pulse signals by FPGA embedded chip and VHDL to change the work period of the output voltage and control frequency. Finally, this study used Is-Spice electronic circuit software to conduct real simulation and discussion, and proved the production of high-frequency pulse signals and ZVS technique.
論文目次 <<目錄>>
中文摘要....................................................................................................Ⅰ
英文摘要....................................................................................................Ⅱ
目錄..........................................................................................................Ⅲ
圖目錄.......................................................................................................Ⅵ
表目錄.......................................................................................................Ⅸ

第一章、緒論..............................................................................................1
1.1 研究背景與動機......................................................................................1
1.2 研究目的...............................................................................................2
1.3 論文概述...............................................................................................3
1.4 研究步驟與方法......................................................................................5
第二章、磁場產生之基本理論與電路模型特性.................................................6
2.1 感應線圈之型式 .....................................................................................6
2.2 電磁效應 ...............................................................................................8
2.3 焦耳效應 ...............................................................................................9
2.4 磁場產生電路模型 ..................................................................................11
第三章、全橋柔性切換相移式功率轉換器........................................................15
3.1 電路規格設計 .........................................................................................15
3.2 切換損失與柔性切換................................................................................17
3.2.1 切換損失..............................................................................................18
3.2.2 柔性切換..............................................................................................22
3.3 全橋功率轉換器電路架構..........................................................................23
3.4 電路動作原理..........................................................................................25
3.4.1 等效電路分析.......................................................................................25
3.4.2 諧振分析 .............................................................................................35
第四章、電路設計考量...................................................................................37
4.1 功率開關元件 .........................................................................................37
4.2 變壓器匝比設計.......................................................................................38
4.3 磁場感應線圈與輸出諧振電容...................................................................39
4.4 數位控制電路..........................................................................................39
4.4.1 VHDL硬體描述語言...............................................................................41
4.4.2 VHDL電路設計觀念...............................................................................43
4.4.3 數位脈波控制電樂設計...........................................................................47
4.5 相移與驅動電路.......................................................................................50
4.5.1 數位脈波訊號相移設計...........................................................................50
4.5.2驅動電路設計.........................................................................................52
4.6 QuartusⅡ設計軟體 ..................................................................................53
第五章、頻率與溫度的變化分析.......................................................................57
5.1 頻率變動下的分析.....................................................................................57
5.1.1 頻率與線圈的關係..................................................................................57
5.1.2 頻率與漏電感的關係 ..............................................................................59
5.2 溫度變動下的關係.....................................................................................61
5.2.1 粒子群演算法 ........................................................................................62
5.2.2搜尋最佳諧振電容值 ...............................................................................67
5.2 模擬搜尋結果...........................................................................................71
第六章、系統模擬結果...................................................................................75
6.1 驅動訊號的輸出結果.................................................................................76
6.2 量測相移控制的結果.................................................................................78
6.3 量測柔性切換訊號.....................................................................................80
6.4 量測匹配便壓器一、二次側電壓電流...........................................................82
第七章、結論與未來研究方向..........................................................................86
7.1 結論........................................................................................................86
7.1 未來研究方向...........................................................................................87
參考文獻.......................................................................................................88


<<圖目錄>>
圖2.1 集中磁場效應.........................................................................................9
圖2.2 磁滯曲線...............................................................................................10
圖2.3 鐵損與工作頻率之關係............................................................................11
圖2.4 磁場產生電路模型..................................................................................14
圖3.1 功率轉換電路架構圖 ..............................................................................15
圖3.2 開關元件切換時之電壓電流圖 .................................................................18
圖3.3 開關導通瞬間,寄生電容放電圖...............................................................19
圖3.4 開關導通瞬間,二極體反向回復電流圖 .....................................................20
圖3.5 開關導通瞬間,電壓電流波形示意圖 .......................................................20
圖3.6 開關關閉瞬間,電壓電流波形示意圖 ........................................................21
圖3.7 全橋電路架構 .........................................................................................23
圖3.8 開關控制訊號及變壓器一次側電壓、電流波形圖 ........................................24
圖3.9 模式I電流路徑 ........................................................................................26
圖3.10 模式I區間等效電路圖..............................................................................27
圖3.11 模式II電流路徑.......................................................................................28
圖3.12 模式II區間等效電路圖..............................................................................28
圖3.13 模式III電流路徑......................................................................................30
圖3.14 模式III區間等效電路圖............................................................................30
圖3.15 模式IV電流路徑.....................................................................................32
圖3.16 模式IV區間等效電路圖...........................................................................33
圖3.17 模式V電流路徑 .....................................................................................33
圖3.18 模式V區間等效電路圖............................................................................34
圖4.1 Altera Quartua II 2.0 發展環境..................................................................40
圖4.2 Altera Nios 嵌入式系統發展實驗板............................................................40
圖4.3 除頻器原理圖 ..........................................................................................48
圖4.4 奇數除頻圖 .............................................................................................49
圖4.5 數位相移脈波訊號圖 ................................................................................52
圖4.6 TC427腳位示意圖.....................................................................................53
圖4.7 Altera MaxII嵌入統發展實驗板 ..................................................................54
圖4.8 VHDL程式組譯結果...................................................................................................................55
圖4.9 數位脈波訊號輸出結果 ............................................................................56
圖5.1 頻率與繞線線圈的關係長條圖...................................................................58
圖5.2 頻率與鐵心大小的關係長條圖...................................................................59
圖5.3 繞線架上一、二次側線圈截面積示意圖.......................................................60
圖5.4 頻率與漏電感的關係長條圖.......................................................................61
圖5.5 PSO執行流程圖.......................................................................................66
圖5.6 PSO最佳諧振電容值搜尋流程圖................................................................70
圖5.7 溫度一百度時,適應函數值的模擬搜尋結果................................................72
圖5.8 溫度四百度時,適應函數值的模擬搜尋結果.................................................73
圖5.9 溫度八百度時,適應函數值的模擬搜尋結果.................................................74
圖6.1 主電路模擬圖............................................................................................75
圖6.2 驅動電路....................................................................................................................76
圖6.3 實驗板上開關QA與QB的兩組PWM波形......................................................77
圖6.4 經過驅動電路後的QA與QB兩組PWM波形...................................................77
圖6.5 頻率50Khz、相移18度時,QA與QD的驅動訊號...........................................78
圖6.6 頻率100Khz、相移18度時,QA與QD的驅動訊號.........................................79
圖6.7 頻率125Khz、相移18度時,QA與QD的驅動訊號.........................................79
圖6.8 頻率125Khz,開關QA的柔性切換...............................................................80
圖6.9 頻率125Khz,開關QB的柔性切換................................................................81
圖6.10 頻率125Khz,開關QC的柔性切換..............................................................81
圖6.11 頻率125Khz,開關QD的柔性切換..............................................................82
圖6.12 改良前,變壓器一次側的電壓、電流波形...................................................83
圖6.13 改良前,變壓器二次側的電壓、電流波形...................................................83
圖6.14 改良前,最大功率輸出.............................................................................84
圖6.15 改良後,變壓器一次側的電壓、電流波形....................................................85
圖6.16 改良後,變壓器二次側的電壓、電流波形....................................................85
圖6.17 改良後,改良後,最大功率輸出.................................................................85


<<表目錄>>
表2.1 常見感應線圈特色與用途.....................................................................................................................7
表4.1 各種描述架構之優缺點比較.........................................................................46
表5.1 溫度一百度時,等效電感值與最佳諧振電容值...............................................71
表5.2 溫度四百度時,等效電感值與最佳諧振電容值...............................................72
表5.3 溫度八百度時,等效電感值與最佳諧振電容值................................................73
表6.1 等效電感值與最佳諧振電容值表...................................................................82
參考文獻 參考文獻

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