崑 山 科 技 大 學 電 機 工 程 系

風力發電之

ＤＣ－ＤＣ轉換及儲能系統

指導老師：王永山 老師

製作學生：劉智榮 4900J045

曾昱翰 4900J061

施易男 4900J110

莊清河 4900J157

中 華 民 國 九 十 三 年 十 二 月

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目錄

一、摘要．．．．．．．．．．．2

二、專題概論．．．．．．．．．3

三、原理及電路實作．．．．．．7

四、結論．．．．．．．．．．．23

五、附錄．．．．．．．．．．．24

六、參考文獻．．．．．．．．．62

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一、 摘要

目前在日趨複雜的電子、電腦系統裝置中，切換式電源供應器

(Switching Power Supply)扮演了一個舉足輕重的角色，除應用在電

腦的電源裝置上，亦可應用於監視器、各類儀器、音響、通信與飛彈

系統等方面。且近幾年來功率半導體，控制電路與被動元件的進步快

速，使得切換式電源供應器目前正大量生產，不僅在可靠度上大幅的

提升，且價格也漸漸下降。早期一般使用線性式電源供應器(Linear

Power Supply)，雖然線性式電源供應器可靠度高、漣波小、無電磁

干擾(EMI)產生；不過卻有效率低且體積大又笨重的缺點。而切換式

電源供應器和線性式電源供應器比較下則具體有體積小、重量輕、效

率高、有較大的電壓輸入範圍等優點。本專題之目的便是將切換式電

源供應器裡的 PWM 驅動模、Boost(升壓式)之工作原理做深入探討及

了解。

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二、專題概論

前言

目前在日趨複雜的電子、電腦系統裝置中，切換式電源供應器(Switching

Power Supply)扮演了一個舉足輕重的角色，除應用在電腦的電源裝置上，亦可

應用於監視器、各類儀器、音響、通信與飛彈系統等方面。且近幾年來功率半導

體，控制電路與被動元件的進步快速，使得切換式電源供應器目前正大量生產，

不僅在可靠度上大幅的提升，且價格也漸漸下降。早期一般使用線性式電源供應

器(Linear Power Supply)，雖然線性式電源供應器可靠度高、漣波小、無電磁

干擾(EMI)產生；不過卻有效率低且體積大又笨重的缺點。而切換式電源供應器

和線性式電源供應器比較下則具體有體積小、重量輕、效率高、有較大的電壓輸

入範圍等優點。

研究方向

本專題之目本專題之目的便是將切換式電源供應器中的 PWM 驅動模組、

Boost(升壓式)之工作原理做深入探討及了解，最後實作出閉迴路控制的 DC-DC

轉換器系統。

成果

本專題完成 PWM 驅動模組、Boost(升壓式)類型切換式電源供應器及全自動

充電器。所完成之閉迴路控制系統驗證了其輸出電壓不受電壓及負載變動的影

響，達到真正穩壓的效果。

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三、原理及電路實作

PWM 驅動電路的原理

首先 PWM 是由以下幾個元件所構成的：

1. TL494：用來產生三角波放大用，其頻率計算方式為RC

f 1.1= (本專

題用 20KΩ 及陶瓷電容 102(0.001μF)，搭配出 20kHZ 之

頻率，其三角波電壓為 3V)。

2. LF351：用來將 TL494 所產生的三腳波放大用，其放大倍率為

i

fi

RRR

n+

= (本專題 iR 用 10KΩ， fR 用 20KΩ，所以倍率 n=3

倍，所以電壓為 9V)。

3. LM311：將 LM311 放大後的三角波與一外加直流相切，而產生一方

波(因為三角波的電壓為 9V，所以9

外加直流Duty = ，本專

題 Duty 為可變的，所以外加直流可任意調整)。

4. IC4081：用來將 LM311 所輸出的方波做修飾，同時本身也具有電

壓隨耦器的 作用(可作緩衝，具有極高的輸入阻抗，極

小的輸出阻抗)。

5. 最後IC4081輸出之方波送到主電路之開關IRF640作為驅動信號。

6. 主電路：由一+5V 之直流電壓串聯一水泥電阻 50Ω 及 IRF640 而成

(IRF640 的 S 極必須接地)。

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實際電路實作：ＤＣ－ＤＣ轉換

接著我們利用一些電子材料來將先前所談論的電路加以實現。

使用材料

Boost 主電路部份

電感 475μH ×1

IRF640 ×1

電容 470μF ×1

水泥電組 10W 150Ω ×1

31分壓感測器部分

電阻 10KΩ ×1

電阻 20KΩ ×1

μA741 ×1

回授部分

可變電阻 20KΩ ×1

微動開關 ×1

電阻 10KΩ ×6

稽納 6.8V ×1

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電容 100μF ×1

μA741 ×2

PI 控制部分

電阻 10KΩ ×1

電容 1μF ×1

電阻 50KΩ ×1

電阻 100KΩ ×2

μA741 ×2

PWM 部分

TL494 ×1

可變電阻 100KΩ ×1

電容 0.001μF ×1

LF351 ×1

電阻 10KΩ ×1

電阻 20KΩ ×1

LM311 ×1

電阻 2KΩ ×1

IC4081 ×1

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電路元件說明

Boost 主電路部份

電感 502.4µH，此電感值太小將會造成此電路進入不連續導通模

式，故我們選用市面上較易取得的電感值；IRF640，此元件在此電路

扮演開關的角，FR305，此元件為快速二極體，由於此電路通常工作

於數 KHz 以上，所以我們選用比一般二極體快的快速二極體，電容

470µF，此電容用於將輸出電壓濾波為接近直流電壓，水泥電阻10W150

Ω，此電阻為輸出電阻，其以電阻值的大小會直接影響到輸出電流的

大小。

31分壓感測器部分

此部份利用 10KΩ ×1 與 20KΩ的電阻將輸出分壓為31，之後爲了

避免負載效應我們再接一個由 OP 組成的緩衝器，在此分壓後的電壓

痛到回授部份。

回授部分

利用此可變電阻２０ＫΩ將 ccV+ 分壓再接一個微動開關，之後此

微動開關再跟一個 10KΩ電阻並聯再跟一個 10KΩ串聯，之後再並聯

一個 6.8V 的稽納二極體根一個 100µF 的電容後，我們再接到一個由

OP 組成的緩衝器，此部份我們就完成 6.8V 的參考電壓，之後我們接

到一個由 OP 組成的減法器，此減法器分別接31分壓感測器與 6.8V 的

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參考電壓，此減法器是用來比較輸出電壓的31分壓與 6.8V 的參考電

壓，而此減法器的輸出就是 6.8V 的參考電壓減去輸出電壓的31分壓。

PI 控制部分

此部份利用 10KΩ、20KΩ、1µF 跟 OP 組成一比例積分器，之後

再接一個增益=1 的反相放大器，如此便組成了 PI 控制器，此控制器

用來將先前回授部份減法器的輸出值作比例積分。

PWM 部分

此部份由一個 TL494、可變電阻 100KΩ、電容 0.001µF，產生一

個 Vm=2.88V 的三角波，其頻率可由可變電阻來調整，在此我們調至

20KHz，接著 LF351、電阻 10K 與電阻 20K 組成一個增益=3 的反相放

大器，用來將 TL494 的三角波放大三倍，LM311 則是電壓比較器，用

以將先前(PI 控制部份)PI 控制器的電壓與 LF351 的三角波比較，產

生脈波寬度調變的方波訊號，在透過 4081 的修正使得輸出為更標準

的方波訊號，接著就將此方波信號送至主電路 IRF640 的閘極。

電路圖

接著我們將先前所說明的元件繪成一張電路圖，升壓式(Boost)

轉換器閉迴路控制電路如圖 1 所示，閉迴路控制電路元件說明圖如圖

2 所示。

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實作與波形照片

我們將實作後的成品拍照下來，並且測量實作成品的重要波形如

下所示，圖 3 為麵包板實作成品，圖 4 為實際焊接後的成品，圖 5 為

TL494 的輸出波形，圖 6 為 LF351 的輸出波形，圖 7 為 LM311 的輸出

波形，圖 8 為 4081 的輸出波形。

圖 3 麵包板實作成品

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圖 4 實際焊接後的成品

圖 5 TL494 的輸出波形(T=50μs ；5V/div)

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圖 6 LF351 的輸出波形(T=50μs ；5V/div)

圖 7 LM311 的輸出波形(T=50μs ；5V/div)

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圖 8 4081 的輸出波形(T=50μs ；5V/div)

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原理&實際電路實作：全自動充電器

由於國民生活水準的提高，國人出門多以車代步，因此機車幾乎

成為家家戶戶必備之交通工具。但是機車內之蓄電池（亦稱為電瓶）

在使用一段時日後，除了必須補充蒸餾水外，亦需加以充電，否則會

產生燈光昏暗、不易發動等弊病，本製作即為６Ｖ蓄電池之充電而設

計，在蓄電池充電完畢時自動斷電，以避免過度充電而損毀蓄電池。

除了機車上的６Ｖ蓄電池外，任何作為其他用途之６Ｖ鉛酸蓄電

池（例如：閃光燈、手提充電燈等之６Ｖ蓄電池）均可利用本沖電氣

作全自動充電。

電路簡介

充電器有兩種型式，一種為恆壓充電，一種為恆流充電。

恆壓充電器之簡圖如圖１所示。由於剛開始時ＥＢ較小，因此充

電電流過大，蓄電池的電極板易因過熱而受損。在充電末期，由於Ｅ

Ｂ升高，充電電流減小，因此充電速度降低，延長充電時間。恆壓充

電法的最大優點就是電路簡單，充電器的價格低廉。但是充電初期的

過熱會所短蓄電池的壽命。

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一些汽、機車修護廠為了消除恆壓充電法之缺點，因此改用圖２

之電路作恆流充電，這個電路與圖１不同之處在於電路中使用了可變

電阻器，並且串聯一個電流表以監視充電電流。在剛開始充電時ＥＢ

較小，所以Ｒ轉至較大處，以避免充電電流過大，充電期間每隔一段

時間師傅必須查看電流表一次，若電流因ＥＢ之上升而降低，就趕快

轉動可變電阻器使電阻值Ｒ減小，以保持充電電流之恆定。這種恆流

充電法雖然能夠延長蓄電池的壽命，但卻需有人在旁照顧，因此較為

費事。

圖１ 恆壓充電

圖２ 恆流充電

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本製作之電路如圖３所示，此電路既有恆流充電之功效，而且完

全不需有人在旁照料，只要把欲充電之蓄電池接上，並把充電器之電

源接上，既能開始恆流充電，蓄電池充飽就自動斷電，既省時又省事。

圖３中之恆流源遊ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３及Ｒ１、Ｒ２所組成，如

圖４所示。電晶體ＴＲ３有維持ＶＢＥ＝０．６伏特之功用。當蓄電池

的充電電流Ｉ１有超過2

60R⋅之趨勢時，ＴＲ３的導電量即增大，令Ｉ２

增大，ＩＢ減小，把Ｉ１壓抑下來；在充電電流 I１有小於2

60R⋅的趨勢時，

因為Ｒ２兩端的電壓減小，ＴＲ３的導電量降低，因此Ｉ２減小，ＩＢ

增大，阻止充電電流的降低。

圖３ 全自動充電器

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由於ＴＲ３的自動控制作用，使充電電流恆維持在2

60R⋅安培，因

此只要採用適當的Ｒ２值即能使恆流源合乎我們的需求。依據經驗，

一般６Ｖ蓄電池之容量（ＡＨ；安培小時）不大，因此其充電電流不

宜大於１安培，換句話說，Ｒ２不得小於AV

160 ⋅

＝0.6 歐姆。

圖４中之電源Ｅ在圖３中係利用電源變壓器ＰＴ－１２把ＡＣ

１１０Ｖ之家庭用電降至ＡＣ１２Ｖ，經Ｄ１～Ｄ４整流後再經Ｃ１濾

波而得。

圖４

圖５ 蓄電池剛充飽之狀態

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那麼，當蓄電池充電完畢時，如何自動斷電，以免因充電過度而

縮短蓄電池之壽命呢？蓄電池剛充飽時狀態如圖５所示，茲說明如

下：

（１） 在蓄電池恰好充飽時，兩端的電壓會高達７伏特。

（２） 此７伏特之電壓經過Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５分壓後，在Ｒ５兩端之電

壓洽好足以觸發ＳＣＲ。

（３） ＳＣＲ受觸發後，其ＡＫ間會進入導電狀態。ＳＣＲ導通後，

ＶＡＫ≒０．７伏特，此時ＴＲ１即ＴＲ２的Ｂ－Ｅ極間為逆向偏

壓，因此兩個電晶體均進入截止狀態而令充電電流消失（Ｉ１

＝０）自動停止充電。

（４） 在ＳＣＲ導通後，二極體Ｄ５順向邊壓而導通，本來遊Ｒ６供

應至ＬＥＤ之電流Ｉ６全部流經Ｄ５及ＳＣＲ而不再通過ＬＥ

Ｄ，因此充電只是燈ＬＥＤ熄滅，表示蓄電池已經充電完畢自

動停止充電。

（５） 電容器Ｃ２及Ｃ３是為了避免雜波觸發ＳＣＲ產生誤動作而

設。

（６） 在充電時，蓄電池會不斷的冒氣泡，但自動停止充電後，氣

泡即慢慢的消失，蓄電池的端電壓也會降至只剩 6.6 伏特左

右。雖然此時Ｒ５兩端的電壓已不足以繼續觸發ＳＣＲ，但是Ｓ

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ＣＲ在被觸發後會自己保持導通之狀態，如圖５所示之狀態會

一直維持下去，直至電源插頭被拔掉為止。

實作照片

我們將實作後的成品拍照下來，圖為實際焊接後的成品。

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四、結論

直流電源轉換器之主要目的是把一個電壓(AC 或 DC)轉成穩定的

直流電壓比，且此直流電壓不會受到線電壓、負載及周圍溫度變化的

影響。雖然線性式電源供應器可靠度高、漣波小、無電磁干擾(EMI)

產生；不過卻有效率低且體積大又笨重的缺點。相較之下，切換式電

源供應器則具有體積小、重量輕、效率高、且可容許較大範圍的電壓

輸入等優點。

在實作部分，我們的 PWM 是利用 TL494 加上電阻與電容來產生所

需要的三角波，在利用 LF351 來將 TL494 之三角放大三倍，LM311 則

是將回授的直流與 LF351 輸出之三角波相切，而產生一方波，最後用

IC4081 本身也具有電壓隨耦器的作用(可作緩衝，具有極高的輸入阻

抗，極小的輸出阻抗)，最後 IC408 輸出的方波再去推動 IRF640 這顆

MOSFET，而完成 PWM 的驅動功能。至於回授部分的減法器、積分器、

反相器皆是用μA741 所構成的，然而這些 op 的運用都是在電子實習

中習得的。

本專題完成 PWM 驅動模組、Boost(升壓式)類型切換式電源供應

器及全自動充電器。所完成之閉迴路控制系統驗證了其輸出電壓不受

電壓及負載變動的影響，達到真正穩壓的效果。

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五、附錄

●IRF640 接腳圖、原件規格及內部構造

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●LF351 接腳圖、原件規格及內部構造

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●LM311 接腳圖、原件規格及內部構造

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●TL494 接腳圖、原件規格及內部構造

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●μA741 接腳圖、原件規格及內部構造

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六、參考文獻

書 名 作 者 出板社

常用線性 IC 資

料手冊

孫宗瀛、黃金定 全華

常用線性 IC 資

料手冊

詹儀正 全華

電力電子學 張天錫 譯 東華

電子設計資訊

網

http://www.eedesign.com.tw/html2/default.asp

指導老師簽名：