國立台灣科技大學電子工程系

102 學年度第 1學期實務專題

專題研究總報告

組 別： 102A18 組 員： 姓名： 楊復斌 學號： B10030440 指導老師： 羅有綱 教授 、 邱煌仁 教授

中華民國 103 年 06 月 16 日

電力電子專題

題目： 電力電子專題 組員姓名及學號： 楊復斌 B10030440 組別： 102A18 指導老師： 羅有綱、邱煌仁 教授

一、摘要： 此專題主要是討論電力電子領域方面，電壓轉換器中 DC/DC converter、AC/DC converter，

輸入有高電壓(或低電壓)(直流或交流)轉換低電壓(或高電壓)(交流或直流)，以及分別使用

連續導通模式功率因數修正、及臨界模式功率因數修正增加效率的電路應用。

目的：高品質的電力供需是各國所想要達到的目標，然而大量興建電廠並非解決問題的唯一

途徑，一方面提高電力供給的能量，一方面提高電器產品的功率因素(Power Factor，PF)才

能有效解決問題。

1. CCM(Continuous Conduction Mode) PFC(Power Factor Correction)：連續導通模式功率因數修正。

2. TM(Transition-Mode) PFC(Power Factor Correction)：臨界模式功率因數修正。

PF(功率因數) = real power(實功率)/apparent power(視在功率)

其中，Real power = V*I*PF (W)

Apparent power = V*I (VA)

其理想電路設計就是要使得其功率因數等於1。其餘欲設計的輸出電壓、輸出電流則愈接

近規格則愈好，這樣也才會使得效率達到100%的理想狀態。

進行的方法：為了達成其專題目的，將從最基本的電力轉換器電路開始做起：

1. Buck converter(降壓型轉換器)：DC/DC converter。

2. Boost converter(升壓型轉換器)：DC/DC converter。

3. Flyback converter(反馳式(降-升壓型)轉換器)：AC/DC converter。

4. Forward converter(順向型電源交換器)：AC/DC converter。

實現電路步驟：（使用Altium Designer軟體）

(備註：PCB洗板流程：底稿、曝光、顯像、蝕刻、清洗電路板。)

預期成果：在嚴格的功率因數要求規範內必須達到其效率(%) ≒ 95%。

Layout PCB洗板流程 鑽孔、插件 功能量測

（測試到好為止） 電路實現

二、簡介： 全球暖化現象日益嚴重，導致世界各地天氣變得異常，而溫室效應的主要元兇來自於人

為活動中排放了大量的二氧化碳，所以人們開始重視節能減碳的重要性。針對如此環境變遷，

製造潔淨、高效能的電源供應器及轉換器正是電源設計製造從業人員對「節能」的使命直接

得以實現的方式之一，所以我期望自己能夠在學習兩個學期的電力電子專題實務中，能夠對

這領域有進一步的了解及能力，在未來也期望能夠改變「電」在這世界中運作的方式，以提

升整體效能，達到節約能源之用。

在研究電路設計時不外乎要應用到電路學、電子學的電路分析、使用到磁能元件時就必

須想到電磁學的法拉第定律，以及推導工作原理時要使用到極其複雜的微積分運算，在考慮

要實際應用的零件時就必須要想到其材料製程與成本的考量，在電路佈局時要考慮到零件彼

此之間是否會有訊號干擾、相同性質的零件盡可能擺放一起以便檢查……等等都是用其理論

所學應用。

經過這一連串的電力電子專題的進行與研究，我了解到一項態度，就是不管研究或者設

計電路，都抱持著要把它做好並且努力的了解它的一切，如果無法了解電路的工作原理，就

無法針對各個電路做改善或偵錯，最終導致產品可能發生危險的狀況，所以必須要了解到淋

漓盡致，才有辦法思考解決的方法、實行所訂定的計畫。

1.Buck converter(降壓型轉換器)：

甲、 此電路的特點：小功率應用廣泛。

乙、 此電路的硬體規格：

1. Control Circuit：主要目的由 TL494 提供一可調 DUTY 脈波供應給 MOS 開關，

利用此可調 DUTY 之脈波則可改變輸出電壓。

2. Power stage circuit: 其即為 STEP-DOWM(BUCK) CONVERTER。

3. Compensated circuit:由TL494 內部的運算放大器及電阻組成，將輸出電壓拉回

經過此穩壓補償電路則可穩定輸出電壓。

丙、 設計規格：

Item Spec

輸入電壓 (Vin) 10V~ 14V

輸出電壓 (Vo) 5V

輸出電流 (Io) 0.6A~6A (CCM)

輸出最大連波電流 (ΔIL) 1.2A (=6A×20%)

切換頻率 (fs) 100kHz

最大正功率週期 (Dmax) 50﹪

2.Boost converter(升壓型轉換器)：

甲、 此電路的特點：小功率應用廣泛。

乙、 此電路的硬體規格：

1. Control Circuit：此控制電路主要目的為由 TL494 提供一可調 DUTY 脈波供應

給MOS開關，利用此可調 DUTY 之脈波則可改變輸出電壓。

2. Power stage circuit: 其即為 STEP-UP(BOOST) CONVERTER。

3. Compensated circuit: 此穩壓補償電路由TL494內部的運算放大器及電阻組成，

將輸出電壓拉回經過此穩壓補償電路則可穩定輸出電壓。

丙、 設計規格：

Item Spec

輸入電壓 (Vin) 10V~ 14V

輸出電壓 (Vo) 25V

輸出電流 (Io) 0.4A~2A (CCM)

切換頻率 (fs) 50kHz

功率週期 (Dmax) 44~60﹪

3.Flyback converter(反馳式（降-升壓型）轉換器)：

甲、此電路的特點：在基本的變換器中插入變壓器來實現輸入到輸出的隔離，不同

的變換器插入變壓隔離器後仍然具有本身的本質特徵，此電路就是在

Buck-Boost變換器的開關之後插入變壓隔離器，它具有升壓、降壓及反極性等

特性。

乙、此電路的硬體規格：

1.Control Circuit：此控制電路主要目的為由UC3842 提供一可調DUTY脈波供應

給MOS開關，利用此可調DUTY之脈波則可改變輸出電壓。

2.Power stage circuit: 即為 FLYBACK CONVERTER。

3.Loop circuit: 利用 TL431 及 PC817 來達成迴授及隔離目的，TL431有內部

參考電壓2.5V，當輸出超過24V時，利用電阻分壓，TL431ON，使其穩壓於2.5V，

再經由PC817達成隔離目的。

丙、設計規格：

Item Spec

輸入電壓 (Vin) 150~380V

輸出電壓 (Vo) 19V

切換頻率 (fs) 40kHz

4.Forward converter(順向型電源交換器)：

甲、 此電路的特點：能量只通過變壓器，所以使用較小型之變壓器即可。低輸出電壓、

高輸出電流。

乙、 此電路的硬體規格：

1. Control Circuit：此控制電路主要目的為由TL494 提供一可調DUTY脈波供應給

MOS開關，利用此可調DUTY之脈波則可改變輸出電壓。

2. Power stage circuit: 其即為Forward converter。

3. Compensated circuit: 此穩壓補償電路由TL494內部的運算放大器及電阻組成，

將輸出電壓拉回經過此穩壓補償電路則可穩定輸出電壓。

丙、 設計規格：

Item Spec

輸入電壓 (Vin) 160~200V

輸出電壓 (Vo) 12V

最大輸出功率(Po) 24~196W

切換頻率 (fs) 50kHz

5.CCM PFC(連續導通模式功率因數修正)：

甲、 本專題的特點：PFC的主要作用是讓電壓和電流的相位相同且使負載近似於電阻

性，分為被動式PFC和主動式PFC，被動式PFC體積都相當大且笨重，PF最好狀況

也只能達到70%而已，在嚴格的PF要求規範下並不適用。主動式功率因數修正器

(active power factor correction)主要是利用電流的響應隨著電壓的變化而跟

著增大與減小的方式來完成功能。本實驗採用主動式功率因數修正器。

乙、 本專題的硬體規格：

1.Control Circuit：此控制電路主要目的為由UC3854AN以平均電流模式控制法

實現的。Active PFC必須同時控制輸入電流與輸出電壓，而使電流控制迴路

的命令是由整流後的線電壓所決定，因此可以使Converter的輸入阻抗呈現電

阻性。而輸出電壓的控制是藉由改變電流命令的平均值大小來完成。類比的乘

法器將整流後的線電壓乘以電壓誤差放大器的輸出後產生一個電流控制命令，

因此電流的控制命令與輸入電壓的形狀相同。

2.Power stage circuit: boost converter。

3.Compensated circuit: 此穩壓補償電路由UC3854AN內部電流、電壓誤差放大

器、乘法器及正反器組成，將前饋迴路及回饋迴路拉至經過此穩壓補償電路

則可穩定輸出電壓。

丙、 設計規格：

最大輸出功率： 250W

輸入電壓範圍： AC 80~270V

輸出電壓： DC 400V

切換頻率： 100KHz

6.TM PFC(臨界模式功率因數修正)：

甲、 本專題的特點：

傳統的轉換器為獲得較小的漣波的電壓，通常於橋式全波整流完後加入一

個大電容；但大電容意味著在大部分的時間裡，線電壓都是低於電容電壓，也

就是整流二極體的導通時間減小，導通時電流增大，進而造成線電壓的失真。

現今則於整流器與輸出間插入一級功率因數修正器電路，以使輸入電流近

似sine波形，同時保持與電壓同相位（In Phase）。理論上任何的拓樸結構都

可以達到高功率因數的要求，實際上則使用升壓型結構來實現，其理由如下：

1.使用較少的零件，可以降低成本。2. Boost電感的 ⁄ 較小，雜訊的產生較

小，EMI濾波器可以較小。3.開關晶體因為為共源級，所以較易驅動。

乙、 本專題的硬體規格：

1. Control Circuit：此控制電路主要目的為由L6561以操作在暫態模式(即邊界

導通模式) 來達到使輸入電流為Sin波形、及電流與電壓同相位的目的。

2. Power stage circuit: boost converter。

3. Compensated circuit: 此穩壓補償電路由UC3854AN內部電流、電壓誤差放大

器、乘法器及正反器組成，將前饋迴路及回饋迴路拉至經過此穩壓補償電路

則可穩定輸出電壓。

丙、 設計規格：

最大輸出功率 80W

輸入電壓範圍 AC 80~260V

輸出電壓 DC 400V

切換頻率 35KHz

7.Quasi-Resonant Flyback Converter (準諧振返馳式轉換器)：

甲、 本專題的特點：

改良基本返馳式轉換器（Flyback Converter），基本返馳式轉換器的缺點

有DS端電壓突波、電壓切換損失等。因此把準諧振（Quasi-Resonant）之技術

置於基本返馳式轉換器中，以達成其功率開關具有柔性切換的特性，並能減少

切換損失及導通損失（Turn On Loss）。

乙、 本專題的硬體規格：

1. Control Circuit：控制器開關訊號截止時，下一個導通訊號取決於ZCD腳位

的電壓為準。L6561之ZCD 腳位電壓 ＞ = 5.7V時，GD腳位輸

出開關訊號為Low（0V）；ZCD腳位電壓 ＜ = 0.7V時，GD腳

位輸出開關訊號為High（15V），配合此腳位功能所實現準諧振的控制電路。

2. Power stage circuit: 準諧振控制技術主要利用利用返馳式變壓器的初級線

圈電感Lp及初級端主要MOSFET開關兩端的總等效電容Coss進行諧振，讓返馳

轉換器在零電壓切換（ZVS）或谷值電壓切換（VVS）的臨界導通模式操作，以

減少切換及導通損失。

丙、 設計規格：

輸入電壓範圍 127~380V

輸出電壓 19V

Duty max 0.45

切換頻率 30KHz

三、變壓器設計方法（以 Flyback 為例）：

(1)輸入交流電壓 150~380Vdc (2)切換頻率 40kHz (3)輸出電壓 19V,65W (4)責任週期 D=40%

STEP1:計算一次側峰值初級電流

STEP2:計算變壓器初級電感值

由 1式

STEP3:選擇鐵心及 Bobbin

選用 PQ2620鐵心及 Bobbin

STEP5:計算變壓器初級圈數

AI

VV

V

PI

fILP

fILV

dt

diLV

pp

in

in

outpp

pppout

ppp

in

5

150,4.0設

2式21

2

1

min,max

maxmin,

2

21

max

min,

uHL

fI

vL

p

pp

in

p

496

maxmin,

圈43

10)(

max

8

p

e

ppp

p

N

BA

ILN

STEP6:計算變壓器次級圈數

※ P.S.

若開關上電壓太大，藉由外加 RC-Snabber來消除 Spike voltage，位置加再

開關 D-S腳位上或者變壓器一次側兩端皆可。

計算公式：

sf 為開關切換頻率、 lf 阻尼震盪頻率，我們藉由選定容值，來決定電阻值(範

圍一般在幾百~數 K歐姆)且需要符合其所能承受之功率大小。

※P.S.

開關的選取，需有足夠的耐壓，當開關斷開時，開關上除了承受輸入電壓 Vd

外，還有透過變壓器二次側所回傳的反激電壓，所以開關斷開時所承受的電壓

值為

N為變壓器二次側與一次側圈數之比值。

圈10

24.0

1

1

Ns

nNp

Ns

D

D

nVi

Vo

21

2

1

2

s

l

W CV f

fRC

V Vd nVo

四、實驗：

1.Buck converter(降壓型轉換器)：

Vin(V) Iin(A) Vo(V) Io(A) Efficiency(%)

10 0.63 5.0125 1.2 95.48%

10 1.59 4.9531 3 93.45%

10 3.29 4.8906 6 89.19%

12 0.54 5.0153 1.2 92.88%

12 1.35 4.9687 3 92.01%

12 2.82 4.9062 6 86.99%

14 0.44 5.0000 1.2 97.40%

14 1.13 4.9687 3 94.22%

14 2.34 4.9218 6 90.14%

2.Boost converter(升壓型轉換器)：

Vin(V) Iin(A) Vo(V) Io(A) Efficiency(%)

10 1.06 25.049 0.4087 96.58

10 2.66 24.937 1.0056 94.27

10 5.47 24.713 2.002 90.45

14 0.82 25.421 0.405 89.68

14 2.07 25.296 1.085 94.71

14 4.13 25.109 2.006 87.11

3.Flyback converter(反馳式（降-升壓型）轉換器)：

Vin(V) Iin(A) Vo(V) Io(A) Efficiency(%)

127 0.32 19.020 2.0081 93.98

127 0.54 18.810 3.4012 93.29

380 0.10 18.865 2.0081 99.69

380 0.17 18.642 3.4087 98.37

4.Forward converter(順向型電源交換器)：

Vin(V) Iin(A) Vo(V) Io(A) Efficiency(%)

160 0.16 12.062 2.0062 94.53

160 0.33 11.777 4.0012 89.25

160 0.70 11.43 8.0137 81.78

200 0.13 12.250 2.0062 94.52

200 0.27 12.102 4.0013 89.67

200 0.56 11.760 8.0150 84.16

5.CCM PFC(連續導通模式功率因數修正)：

Vin(V) Vo(V) Io(A) PF Efficiency(%)

85 400.9 0.31 0.998 94.53

85 396.5 0.630 0.997 90.88

270 399.8 0.3 0.942 95.59

270 397.5 0.628 0.979 96.67

6.TM PFC(臨界模式功率因數修正)：

Vin(V) Vo(V) Io(A) PF Efficiency(%)

85 399.2 0.1 0.994 93.89

85 399.3 0.2 0.991 94.89

260 399.3 0.1 0.822 93.75

260 399.2 0.2 0.879 94.56

7.Quasi-Resonant Flyback Converter (準諧振返馳式轉換器)：

Vin(V) Iin(A) Vo(V) Io(A) Efficiency(%)

127 0.135 19.08 0.815 90.70

127 0.269 19.01 1.715 95.43

127 0.401 18.99 2.509 93.56

127 0.559 18.91 3.433 91.44

380 0.059 19.06 0.995 84.59

380 0.095 19.00 1.695 89.21

380 0.139 18.89 2.495 89.23

380 0.19 18.86 3.359 87.74

五、結論：

在完成電力電子專題的過程中，並沒有想像中的簡單，每塊電路板都修改了許多LAYOUT

與佈局，甚至是重新洗電路板，最後也找到幾項檢查問題的思路與解決問題的方法，其中之

一就是該檢查功率級的地與信號線的地，是否混雜再一起，雖然表面上是共地的狀態，但是

實測上卻無法使DUTY 正常動作，而在進入電力電子實驗室前，我從未玩過高頻電路，不知高

頻對電路的影響是如此大，比如頻率高時，連電源供應器也變的相當不穩定，還必須仰賴電

感來隔離高頻，探棒也得使用隔離形式的探棒，不然訊號很容易被影響，基本上只要佈局正

確，以及元件規格不會拿錯，電路基本上就不會出現問題……等等。

所以當看到一項專案時，從理解的第一步開始，至電路測試成功的這段長遠過程中，每

一項步驟都必須謹慎設計規畫，例如：

理解電路中每一個零件的用途與目的、

理解IC的運作方式、

注意自己畫的SCH圖有沒有原本是連接點到最後卻變成跨線、

注意自己設計的PCB圖中的零件腳位是否與實際零件腳位相符合、

注意變壓器漏感是否是可以接受的範圍、注意變壓器腳位是否正確、

注意焊點有無稍微跨接到別條電路了、

注意零件的耐壓大小是否符合電路實際情況、

注意示波器與碳棒的係數倍數相乘是否為1、

注意零件是否真正能正常動作……等等，

如此才能夠造就一項專案可以如預期地成功完成。

說了如此多的重點，但以上都只是結果與收穫，真正該要有的態度「主動、積極、熱情」

是從一開始學習就要擁有的，在進入電力電子實驗室後，經常遇到不知如何解決的問題時，

或者有更多想知道的專業知識時，總會詢問每位學長姐，可能有些學長姐被問倒了，但卻都

會跟我一起再去詢問更懂、更專業的學長姐，而這就是一項最重要的「學習歷程」，可以在

學長姐身上學到不只專業上的實務與知識，也能在學長姐身上學到身為研究員該有的態度，

這真的是進入實驗室最大的收穫了！

六、參考資料： [1] 梁適安，交換式電源供給器之理論與實務設計，全華圖書。(2008)

[2] 江炫樟，電力電子學第三版，全華圖書。(2012)

[3] CIRCUITS DEVICES AND APPLICATIONS, THIRD EDITION MUHAMMAD H.RASHID, Upper

Saddle River, N.J.: Pearson/Prentice Hall (2004)

[4] TL494, DATASHEET

七、附錄：

附錄一、預定進度甘特圖：

月

工作

項目

第

1

月

(9)

第

2

月

(10)

第

3

月

(11)

第

4

月

(12)

第

5

月

(1)

第

6

月

(2)

第

7

月

(3)

第

8

月

(4)

第

9

月

(5)

第

10

月

(6)

第

11

月

第

12

月

備

註

Altium

Designer

軟體練習

Buck

Boost

Flyback

Forward

期中

報告

CCM PFC

TM PFC

進階

電路

期末

報告

預定進度

累計百分

比

15% 22% 30% 40% 50% 70% 85% 90% 95% 100%

附錄二、專題研究使用儀器預估表：

儀器名稱 數量 儀器名稱 數量

示波器 1 顯像劑 1

直流電源供應器 1 曝光機 1

自動零件分析儀 1 蝕刻機 1

LCR錶(含 SMD測試棒) 1

三用電表 1

環保蝕刻劑 1

附錄三、專題研究使用材料預估表：

材料名

稱

數量 單價 總價 材料名稱 數量 單價 總價

電阻 NC TL431 NC

電容 NC PC817 NC

二極體 NC TL494 NC

電感 NC UC3842 NC

變壓器 NC UC3854 NC

電晶體 NC L6561 NC