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南台科技大學 電機工程系
主動箝位推挽式直流/直流轉換器
An Active-Clamp Push-Pull
DC/DC Converter
南台科技大學電力電子實驗室
P1
2016/7/12
大綱
• 摘要
• 研究動機與目的
• 零電壓零電流轉換器介紹
• 傳統推挽式轉換器簡介
• 電路操作原理
• 實驗結果
• 結論
• 參考文獻
南台科技大學電力電子實驗室
P2
2016/7/12
摘要
本文討論一種主動箝位推挽式直流/直流轉換器，電
路架構上在變壓器一次側外加一對輔助開關、諧振電感
及箝位電容，使主副開關均具有零電壓切換的優點，諧
振電路的操作原理是利用外加諧振電感與功率開關上的
寄生電容產生諧振，能有效地箝制開關上的電壓突波，
減少切換損失，提升轉換效率，並可消除傳統推挽式轉
換器潛在磁通不平衡的問題。
關鍵字:主動箝位、推挽式、零電壓切換
南台科技大學電力電子實驗室
P3
2016/7/12
研究動機與目的
在低電壓轉高電壓的使用場合中，為了使昇壓型轉換
器能有較高的昇壓比及較大的輸出功率，ㄧ般以推挽式轉
換器(Push-Pull Converter)較為適合，但其開關切換方式屬
於硬切(Hard Switching)，電路操作在高頻時，會有很大的
切換損失、雜訊等問題，為了提升效率及降低切換損失，
具有柔性切換技術的推挽式轉換器在文獻中相繼被提出
[1-5]。
南台科技大學電力電子實驗室
P4
2016/7/12
零電壓零電流轉換器介紹(1/4)
傳統式PWM轉換器:
利用PWM技術來控制功率晶體之導通與
截止時間。
優點:
1. 經由切換頻率的提高，使得儲能元
件的體積大幅縮減。
缺點:
1. 功率晶體切換時，因存在寄生電
容，功率晶體之端電壓或電流並
非瞬間為零，造成切換損失。
2. 隨著切換頻率的提高，寄生元件
造成的切換損失越嚴重。
3. 功率晶體高頻切換會產生 dv / dt
與 di / dt 之電磁干擾。
南台科技大學電力電子實驗室
P5
傳統式PWM
2016/7/12
零電壓零電流轉換器介紹(2/4)
零電壓PWM轉換器:
將共振元件放置在非主要能量的傳輸路徑
上，減少傳導損失，並在主開關turn on前，先
將輔助開關turn on 形成共振迴路，產生瞬態
共振，主開關上的電壓或電流共振至零，再進
行切換。
優點:
1. 主開關只在切換瞬間產生瞬態共振，
可減少高電壓大電流造成的元件應力
和傳導損失。
缺點:
1. 僅在主開關turn on時達到零電壓，或
主開關turn off時達到零電流，非兩者
兼具。
南台科技大學電力電子實驗室
P6
零電壓PWM
2016/7/12
零電壓零電流轉換器介紹(3/4)
零電壓-零電流PWM轉換器:
在主開關導通(off→on)的前瞬態與截止
(on →off)的後瞬態，輔助開關先turn on形成
共振迴路，讓主開關上的電壓及電流共振至
零，達到零電壓-零電流，減少切換損失，在
切換週期內，產生兩次瞬態共振。
優點:
1. 能降低元件應力與傳導損失，提高
切換效率，並可定頻控制。
缺點:
1. 輔助開關在一個切換週期內必須產
生兩次瞬態共振，驅動電路較複雜
。
南台科技大學電力電子實驗室
P7
零電壓-零電流PWM
2016/7/12
零電壓零電流轉換器介紹(4/4)
共振式轉換器:
利用電感和開關串聯，電容和開關並聯，
以形成L-C共振迴路。當開關切換時，即發生
共振現象，使得開關上的電壓或電流呈現弦波
形式，減少電壓與電流波形的重疊面積，以降
低切換損失。
優點:
1. 切換時開關上無電壓降或電流，可降
低切換損失，且 dv / dt 及 di / dt
較小，能有效抑制電磁干擾的影響。
缺點:
1. 共振所產生之高電壓或大電流，會額
外增加元件應力。
2. 共振的時間為固定，如果要達到定電
壓輸出，只能改變開關的切換頻率。
南台科技大學電力電子實驗室
P8
共振式
2016/7/12
傳統推挽式轉換器簡介
傳統推挽式轉換器
S1
D1
L1
+
N s1
N p2
Ns2
CO
VO
-
Vin +
N p1
-
D2
S2
優點:
1.變壓器鐵心利用率高。
2.不需隔離電路。
3.開關驅動容易。
缺點:
1.開關元件所承受之電壓應力為輸入電源的兩倍。
2.在大電流負載情況下，輸出側導通損失較大的問題。
南台科技大學電力電子實驗室
P9
2016/7/12
傳統推挽式轉換器操作原理(1/4)
S1
D1
L1
+
N s1
N p2
Ns2
CO
VO
-
Vin +
Lm1 N p1
-
D2
S2
模式一
南台科技大學電力電子實驗室
P10
2016/7/12
傳統推挽式轉換器操作原理(2/4)
S1
D1
L1
+
N s1
N p2
Ns2
CO
VO
-
Vin +
Lm1 N p1
-
D2
S2
模式二
南台科技大學電力電子實驗室
P11
2016/7/12
傳統推挽式轉換器操作原理(3/4)
S1
D1
L1
+
N s1
Lm 2 N p 2
Ns2
CO
VO
-
Vin +
N p1
-
D2
S2
模式三
南台科技大學電力電子實驗室
P12
2016/7/12
傳統推挽式轉換器操作原理(4/4)
S1
D1
L1
+
N s1
Lm 2 N p 2
Ns2
CO
VO
-
Vin +
N p1
-
D2
S2
模式四
南台科技大學電力電子實驗室
P13
2016/7/12
主動箝位推挽式直流/直流轉換器
Cr1
D1
Lk1
Lo
Q1
Q3
Np1
Cr3 D3
VI
D5
D6
Cclamp1
Co
Ns
Vo
Ro
Cclamp2
Np2
Cr4 D4
D7
Q2
D2
D8
Q4
Lk2
Cr2
主動箝位推挽式直流/直流轉換器電路架構
南台科技大學電力電子實驗室
P14
2016/7/12
主動箝位推挽式直流/直流轉換器
優點:
1. 主開關及輔助開關均具有零電壓導通的機制。
2. 可降低開關截止時所產生的電壓突波。
3. 可自動消除推挽式轉換器令變壓器磁通不平衡的現象。
4. 可回收儲存於變壓器漏感的能量，進而提升效率。
南台科技大學電力電子實驗室
P15
2016/7/12
主動箝位推挽式直流/直流轉換器
缺點:
1. 電路元件較多。
(多了一組輔助開關、諧振電感及箝位電容)
2. 驅動電路設計較為複雜，需要隔離電路。
南台科技大學電力電子實驗室
P16
2016/7/12
主動箝位推挽式直流/直流轉換器操作原理(1/7)
Cr1
Lk1
Lo
Np1
Cr3
D5
D6
VI
Cclamp1
Co
Vo
Ns
Cclamp2
Np2
D4
D7
D8
Q2
D2
Lk2
Cr2
模式一
南台科技大學電力電子實驗室
P17
2016/7/12
Ro
主動箝位推挽式直流/直流轉換器操作原理(2/7)
D1
Lk1
Lo
D5
Np1
D6
VI
Co
Vo
Ns
Ro
Cclamp2
Np2
Cr4 D4
D7
D8
Q2
D2
Lk2
Cr2
模式二
南台科技大學電力電子實驗室
P18
2016/7/12
主動箝位推挽式直流/直流轉換器操作原理(3/7)
Lk1
Lo
Q1
Np1
D5
D6
VI
Co
Vo
Ns
Cclamp2
Np2
D7
Q2
D2
D8
Q4
Lk2
Cr2
模式三
南台科技大學電力電子實驗室
P19
2016/7/12
Ro
主動箝位推挽式直流/直流轉換器操作原理(4/7)
Lk1
Lo
Q1
D5
Np1
VI
Co
Vo
Ns
Ro
Cclamp2
Np2
D8
Q2
D2
Q4
Lk2
Cr2
模式四
南台科技大學電力電子實驗室
P20
2016/7/12
主動箝位推挽式直流/直流轉換器操作原理(5/7)
Cr1
Lk1
Lo
Np1
Cr3
D5
VI
Cclamp1
Co
Vo
Ns
Cclamp2
Np2
Q4
D8
Q2
D2
Lk2
Cr2
模式五
南台科技大學電力電子實驗室
P21
2016/7/12
Ro
主動箝位推挽式直流/直流轉換器操作原理(6/7)
Cr1
D1
Lk1
Lo
Q1
Np1
D3
D5
VI
Cclamp1
Co
Vo
Ns
Cclamp2
Np2
D8
Q2
D2
Q4
Lk2
Cr2
模式六
南台科技大學電力電子實驗室
P22
2016/7/12
Ro
實驗結果(1/6)
Cr1
D1
Lk1
Lo
Q1
Q3
Np1
Cr3 D3
VI
D5
D6
Cclamp1
Co
Ns
Vo
Ro
Cclamp2
Np2
Cr4 D4
D7
D8
Q4
Q2
D2
Lk2
Cr2
主動箝位推挽式直流/直流轉換器
南台科技大學電力電子實驗室
P23
2016/7/12
實驗結果(4/6)
CH1 IDS1
10mV/1A
CH2 VDS1
20V/div
南台科技大學電力電子實驗室
P24
2016/7/12
實驗結果(5/6)
CH1 IDS1
南台科技大學電力電子實驗室
10mV/1A
P25
2016/7/12
結論
高頻切換技術可以有效降低磁性元件與濾波電容的體
積，使得電力轉換器的單位功率密度提高，隨著切換頻率
的提升，功率開關的切換損失將相對增加。轉換器要達到
高頻高效率之要求，首先要克服非理想功率開關的切換損
失及輸出整流二極體的導通損耗，零電壓、零電流切換
(ZVS-ZCS)柔切技術與同步整流技術是克服上述問題最有
效的方式。
南台科技大學電力電子實驗室
P26
2016/7/12
參考文獻
1.
Wei. Chen, Zhengyu Lu, “A Novel ZVS Push-Pull Type LLC Series Resonant DC/DC Converter
for Hybrid Fuel Cell Power Systems,” IEEE APEC. Seventeenth Annual. Vol. 2,pp. 1651 – 1656,
March 2008.2
2.
Yisheng Yuan, Liuchen Chang, “A New LCL-Resonant Push-Pull DC/DC Converter for
Inverter Applications,” IEEE Power Electronics. Vol. 17,pp. 261 – 264, Jan 2007.
3.
賴建志， “具有同步整流技術之零電流零電壓柔切轉移順向式DC/DC電力轉換器之研製, ”
國立成功大學電機工程學系碩士論文，2004年。
4.
李致翔， “電流饋入型零電壓零電流切換之推挽式直流轉換器分析與設計,”私立南台科技
大學電機工程學系碩士論文，2008年。
5.
朱慶隆，李致翔，詹忠穎， “電流原CL共振式零電流推挽式直流/直流轉換器,” 第六屆-台
灣電力電子研討會pp.1-6, September 2007.
南台科技大學電力電子實驗室
P27
2016/7/12
報告結束
謝謝指教
南台科技大學電力電子實驗室
P28
2016/7/12