非接觸電能傳輸系統研製｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	莊秉豫 Chuang, Ping-Yu
論文名稱：	非接觸電能傳輸系統研製 Design and Implementation of Contactless Power Supply Systems
指導教授：	吳財福 Wu, Tsai-Fu
口試委員:	余國瑞 Yu, Gwo-Ruey 林長華 Lin, Chang-Hua 廖益弘 Liao, Yi-Hung
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 電機工程學系 Department of Electrical Engineering
論文出版年：	2023
畢業學年度：	111
語文別：	中文
論文頁數：	94
中文關鍵詞：	DC/DC降壓型轉換器、DC/DC升壓型轉換器、非接觸電能傳輸系統、LLC諧振轉換器、軟切換
外文關鍵詞：	DC/DC buck converter, DC/DC boost converter, contactless power transmission system, LLC resonant converter, soft switching
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本研究旨在研製一套適用於工業製造與半導體製程上物料傳輸之無線電能傳輸系統，其原理為透過電磁感應實現無線傳輸。此套系統主要由電力級與控制級兩個部分所組成，電力級部分由前級之降壓型轉換器、中間級LLC諧振轉換器及後級升壓型轉換器所組成。前級負責將可能變動之輸入電壓進行降壓與穩壓；中間級先是透過諧振電路使功率開關達到軟切換之特性，以減小開關損失，再透過變壓器之電磁感應原理進行電能傳輸與實現電器隔離之功能；後級則負責將傳輸且經全波整流後之直流電壓升壓至負載所需之電壓。變壓器部分由於受二次側導線長短所影響之漏電感可能影響增益，因此本研究將於二次側電路輸入端串上電容器，使其達到漏電感補償之功效。控制級部分使用由Renesas公司生產之RX62T微控制器做為控制核心，透過電壓與電流回授電路所接收到之訊號進行運算，以調整開關責任比率控制功率開關之導通與截止。
本研究將依序介紹研究背景與動機、LLC諧振轉換器架構分析與設計、硬體周邊電路、韌體程式設計與規劃及實務考量，最後實際製作出電能傳輸系統。
本研究之主要貢獻為：(1) 研製出一部輸入電壓為280 V，輸出電壓為310 V，諧振槽切換頻率為20 kHz，最大額定功率為1 kW的電能傳輸系統。(2) 採用三級架構，前級為降壓型轉換器、中級為全橋型諧振轉換器及後級為升壓型轉換器。

This research aims to develop a wireless power transmission system suitable for material transfer in industrial and semiconductor manufacturing production lines. The system operates based on electromagnetic induction. It consists of two main components: the power stage and the control stage. The power stage includes a step-down converter as the front-end, an intermediate LLC resonant converter, and a boost converter as the back-end. The front-end is responsible for stepping down and stabilizing the variable input voltage. The intermediate stage achieves soft switching characteristics through a resonant circuit to minimize switch losses and enables power transmission and electrical isolation through the electromagnetic induction principle of the transformer. The back-end is responsible for boosting the rectified DC voltage, which is transmitted, to the required voltage for the load. To compensate for the leakage inductance, which may affect the gain due to variations in the secondary-side wire length, capacitors are connected in series at the input of the secondary circuit in this study.
The control stage utilizes the RX62T microcontroller from Renesas as the control core. It processes signals received from voltage and current feedback circuits to adjust the duty cycle and control the switching of power switches.
This research will sequentially introduce the research background and motivation, analysis and design of the LLC resonant converter, hardware peripheral circuits, firmware programming and planning, as well as practical considerations. Finally, an actual implementation of the wireless power transmission system will be presented.
The main contributions of this study are as follows: (1) development of a 1 kW power transmission system with an input voltage of 280 V, output voltage of 310 V, resonant tank switching frequency of 20 kHz. (2) adoption of a three-stage architecture consisting of a step-down converter in the front-end, a full-bridge resonant converter in the intermediate stage, and a boost converter in the back-end.

摘要    i
Abstract    ii
致謝    iv
目錄    iv
圖目錄    ix
表目錄    xiii
第一章 緒論    1
1 研究背景與動機    1
2 諧振轉換器    2
2.1 硬切換與軟切換特性    3
2.2 諧振轉換器特性    4
2.3 拓撲架構分析    6
2.3.1 全橋型全波整流電路    6
2.3.2 中心抽頭型全波整流電路    7
2.3.3 拓譜架構比較    8
3 論文綱要    9
第二章 系統轉換器介紹與設計    10
1 降壓型轉換器    10
1.1 電路架構    10
1.2 動作原理    11
1.3 數位控制    14
2 升壓型轉換器    15
2.1 電路架構    16
2.2 動作原理    16
2.3 數位控制    19
3 方波產生器    20
4 諧振槽設計    22
4.1 LLC諧振電路轉移函數之分析    23
4.2 動作原理    26
4.3 參數設計    31
5 變壓器等效模型參數量測    34
5.1 高耦合係數    34
5.2 低耦合係數    35
第三章 系統周邊電路設計    37
1 輔助電源    37
1.1 返馳式轉換器    37
1.2 開關驅動電路隔離電源    39
1.3 控制IC UC3843    39
2 電壓/電流回授電路    41
2.1 隔離型電壓回授電路    41
2.2 電流回授電路    43
3 驅動電路架構    45
3.1 驅動IC 1EDI60N12AF    45
3.2 隔離型開關驅動電路    46
第四章 韌體規劃與控制流程    48
1 系統架構    48
2 微控制器RX62T簡介    50
3 控制流程    54
3.1 主程式    54
3.2 保護副程式    55
3.2.1 輸入電壓    55
3.2.2 輸出電壓    56
3.2.3 電感電流    57
3.3 A/D中斷副程式    57
3.3.1 備態模式    58
3.3.2 穩壓模式    59
第五章 電路製作與實測驗證    62
1 電器規格與元件選擇    62
2 實務考量    64
2.1 降壓型轉換器電感與電容選擇    64
2.2 諧振槽鐵芯選擇    65
2.3 諧振槽電容選擇    66
2.4 升壓型轉換器電感與電容選擇    68
2.5 漏電感補償    68
3 實驗結果    70
3.1 降壓型轉換器    70
3.2 升壓型轉換器    72
3.3 非接觸電能傳輸系統    75
4 損耗分析    82
4.1 降壓型轉換器功率開關    82
4.2 降壓型轉換器電感    83
4.3 全橋型方波產生器功率開關    84
4.4 變壓器    85
4.5 升壓型轉換器功率開關    86
4.6 升壓型轉換器電感    87
5 實體電路    89
第六章 結論與未來方向    91
1 結論    91
2 未來研究    92
參考文獻    93

                                

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