A Novel Single-Switch Class-E Parallel Loaded Resonant Converter

1

A Novel Single-Switch Class-E Parallel Loaded Resonant Converter

新型單開關 E 類並聯負載共振式轉換器

指導教授 : 莊英俊 教授 報告者 : 白裕全

崑山科技大學　電機工程系研究所

Department of Electrical Engineering Kun Shan UniversityTainan, Taiwan, R.O.C.

2

內容大綱

研究動機 共振式轉換器 E 類共振式換流器 新型單開關 E 類並聯負載共振式轉換器電路

架構與工作模式分析 電路模擬與實作 實測與模擬結果波形圖 結論與未來研究方向

3

研究動機

市場需求- 常被應用在充電器的充放電系統、電源電壓控制、電子類產品

降低損失- 使用 E 類共振式電路、降低開關損失

提高效率- 使輸入的電壓更有效率的轉換

4

共振式轉換器

高的工作頻率 電路體積小 零電壓切換 (ZVS) 或零電流切換 (ZCS) 轉換效率高 穩定性高

5

E 類共振式換流器

元件數目少 無隔離問題 零電壓切換 (ZVS) 、零電流切換導通 效率可達到 95 ％

6

dcV

Rri

sCL sL

C

dci

Qi Ci

cVQ

fC

E 類共振式換流器電路架構

E 類共振式換流器電路

轉換器系統方塊圖

輸入電源

儲能電感

切換開關

共振槽

分流電容

直流電流源

負載

7

1D 3D

4D

R

SL

SC OCCQ

L

dcV

2D

oL

Sv

Cv

Ci

dci ri

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

Qi

OI

bi

SCi

SLv

Lv

DR1i DR3i

DR4iDR2i

Ov

OCI

OLv

新型單開關 E 類並聯負載共振式轉換器電路架構

E 類並聯負載共振式轉換器電路

轉換器系統方塊圖

輸入電源

儲能電感

切換開關

共振槽

分流電容

橋式整流

低通濾波器

負載

直流電流源

8

新型單開關 E 類並聯負載共振式轉換器工作模式與分析

9

工作模式一 10 ttt

工作模式二 21 ttt

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

L

1D 3D

2D 4D

R

SL

SC OCCQ

L

dcV

o

Cv

Ci

ri

Sv

dci

SCi

OI

Qi

bI

5t 7t

3D2D v,v

4D1D v,v3D2D i,i

4D1D i,i

t

t

t2t

1t0t

3t4t 6t 8t

29t 10t

t

GSV

Cv

rdc ii

Qi

Ci

ri

sv

SCi

t

t

t

t

t

t

t

t

tbi

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

L

1D 3D

2D 4D

R

SL

SC OCCQ

L

dcV

o

Cv

Ci

ri

Sv

dci

SCi

OI

Qi

bI

10

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

L

1D 3D

2D 4D

R

SL

SC OCCQ

L

dcV

o

Cv

Ci

ri

Sv

dci

SCi

OI

Qi

bI

工作模式三 32 ttt

工作模式四 43 ttt

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

L

1D 3D

2D 4D

R

SL

SC OCCQ

L

dcV

o

Cv

Ci

ri

Sv

dci

SCi

OI

Qi

bI

5t 7t

3D2D v,v

4D1D v,v3D2D i,i

4D1D i,i

t

t

t2t

1t0t

3t4t 6t 8t

29t 10t

t

GSV

Cv

rdc ii

Qi

Ci

ri

sv

SCi

t

t

t

t

t

t

t

t

tbi

11

L

1D 3D

2D 4D

R

SL

SC OCCQ

L

o

dcV

dci

Ci

Cv

Sv

ri

SCi

Qi

OI

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

bI

V

1D 3D

2D 4D

R

SL

SC OCCQ

L

oL

dc

Ci

Sv

Cv

dci ri

SCi

Qi

OI

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

bI

工作模式五 54 ttt

工作模式六 65 ttt

5t 7t

3D2D v,v

4D1D v,v3D2D i,i

4D1D i,i

t

t

t2t

1t0t

3t4t 6t 8t

29t 10t

t

GSV

Cv

rdc ii

Qi

Ci

ri

sv

SCi

t

t

t

t

t

t

t

t

tbi

12

V

1D 3D

2D 4D

R

SL

SC OCCQ

L

oL

dc

Ci

Sv

Cv

dci ri

SCi

Qi

OI

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

bI

工作模式七 76 ttt

工作模式八 87 ttt

V

1D 3D

2D 4D

R

SL

SC OCCQ

L

oL

dc

Ci

Sv

Cv

dci ri

SCi

Qi

OI

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

bI

5t 7t

3D2D v,v

4D1D v,v3D2D i,i

4D1D i,i

t

t

t2t

1t0t

3t4t 6t 8t

29t 10t

t

GSV

Cv

rdc ii

Qi

Ci

ri

sv

SCi

t

t

t

t

t

t

t

t

tbi

13

1D 3D

2D 4D

R

SL

SC OCCQ

L

dcV

oL

Sv

dci

Ci

ri

Cv

SCi

Qi

bI

OI

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

工作模式九 98 ttt

工作模式十 109 ttt

5t 7t

3D2D v,v

4D1D v,v3D2D i,i

4D1D i,i

t

t

t2t

1t0t

3t4t 6t 8t

29t 10t

t

GSV

Cv

rdc ii

Qi

Ci

ri

sv

SCi

t

t

t

t

t

t

t

t

tbi

V

1D 3D

2D 4D

R

SL

SC OCCQ

L

oL

dc

Ci

Sv

Cv

dci ri

SCi

Qi

OI

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

bI

14

新型單開關 E 類並聯負載共振式轉換器電路模擬與實作

15

新型單開關 E 類並聯負載共振式轉換器模擬電路

新型單開關 E 類並聯負載共振式轉換器模擬電路

1D 3D

4D

R

SL

SC OCCQ

L

dcV

2D

oL

Sv

Cv

Ci

dci ri

1Dv

3Dv

4Dv

2Dv

Qi

OI

bi

SCi

SLv

Lv

DR1i DR3i

DR4iDR2i

Ov

OCI

OLv

16

電路模擬與實際測量參數

電源側 輸入電源 ( )

30V

切換頻率 ( ) 42kHz

儲能電感 ( ) 33mH

分流電容 ( ) 0.1 F

共振槽 共振電感 ( ) 共振電容 ( ) 共振頻率 ( )

184 H 0.1 F 37kHz

負載側 濾波電感 ( ) 濾波電容 ( ) 負載

2.5mH 470 F 50

sf

L

C

SL SC Of

oL oC

SV

17

新型單開關 E 類並聯負載共振式轉換器實測與模擬波形圖

18

驅動電壓與開關電壓實測模擬波形圖

1CH

2CH

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/div

2CH

1CH

GSV

Cv

GSV

Cv

19

開關電壓與開關電流實測模擬波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

2A/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

2A/div

1CH

2CH

Cv

Qi

1CH

2CH

Cv

Qi

20

分流電容電壓與分流電容電流實測模擬波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

2A/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

2A/div

1CH

2CH

Cv

Ci

1CH

2CH

Cv

Ci

21

共振電壓與共振電流實測模擬波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

2A/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

2A/div

1CH

2CH

Sv

ri

1CH

2CH

Sv

ri

22

共振電感電壓與共振電感電流實測波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

2A/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

2A/div

1CH

2CH

SLv

ri

1CH

2CH

SLv

ri

23

共振電容電壓與共振電容電流實測模擬波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

2A/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

2A/div

1CH

2CH

Sv

SCi

1CH

2CH

Sv

SCi

24

輸入共振槽電壓與輸出共振槽電壓實測模擬波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/div

1CH

2CH

av

bv

1CH

2CH

av

bv

25

共振槽輸出電壓與共振槽輸出電流實測模擬波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

1A/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

1A/div

1CH

2CH

bv

bi

1CH

2CH

bv

bi

26

整流二極體 D2,D3 電壓與電流實測模擬波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

1A/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

1A/div

1CH

2CH

3D2D v,v

32 DD i,i

1CH

2CH

3D2D v,v

32 DD i,i

27

整流二極體 D1,D4 電壓與電流實測模擬波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

1A/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

1A/div

1CH

2CH

4DD v,v1

41 DD i,i

1CH

2CH

4DD v,v1

41 DD i,i

28

濾波電感電壓與濾波電感電流實測模擬波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

1A/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

1A/div

1CH

2CH

OLv

OLi

1CH

2CH

OLv

OLi

29

濾波電容電壓與濾波電容電流實測模擬波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/div

CH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 500mA/div

1CH

2CH

1CH

2CH

OCv

OCi

OCv

OCi

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/div

CH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 500mA/div

30

輸出電壓與輸出電流實測模擬波形圖

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

1A/div

CH1 ： X 軸： 5μs/div Y 軸： 50V/divCH2 ： X 軸： 5μs/div Y 軸：

1A/div

1CH

2CH

Ov

Oi

1CH

2CH

Ov

Oi

31

結論與未來研究方向

32

結論

元件數目減少 電路體積小、及低成本 達到零電壓切換，降低切換損失 轉換器之轉換效率 91.57 %

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未來研究方向

結合太陽能風力發電 - 以提高綠色能源的轉換效率

輸入電源之提升 - 使用 110V 的交流市電，提高輸入功率

改變負載為蓄電池或其他充電電池 - 提高對電池的充電效率

34

謝謝您的參與敬請指教