溫度對轉換器影響

電源轉換器需要兼具小體積及高轉換效率，但體積越小則散熱效果不佳，反而溫度變高造成輸出轉換效率低。本文針對溫度對於電源轉換器的影響，分析各個元件受溫度影響程度並且實際測試電源轉換器的特性，最後說明溫度補償的概念，消除溫度對輸出特性的影響。

 

1. 電源轉換器與溫度的關係

    電源轉換器內部的元件特性會因為工作環境溫度而有所變化，進而影響系統穩定性。溫度變化對於不同元件造成的影響有所不同，即使是相同元件的溫度特性也會受到製程參數不同而數值差異。如圖1所示，返馳式轉換器基本架構為例，使用到二極體、電容、變壓器等元件。

以下將討論在不同溫度下，電源轉換器的內部元件對溫度影響如下:

(1) 二極體:

二極體兩端的電流與電壓降變化是溫度的函數，由式(1)所示，其中i_D和v_D分別是二極體端電流和端電壓，I_S是逆向飽和電流，V_T是溫度等效電壓。

當溫度上升時，溫度等效電壓增加而障壁電壓會隨溫度上升而下降，例如矽二極體減少約2.5mV/℃，鍺二極體減少約1mV/℃。

(2) 印刷電路板的銅箔:

在相同銅箔厚度下，銅箔的最大電流負載能力隨溫度增加而提高。

(3) 電容:

常使用的電容類型，例如陶瓷電容、電解電容、雲母電容等等，大部分對於溫度變化有高穩定性。

(4) 變壓器:

對溫度變化不敏感，但溫度上升會使絕緣電阻降低，減少使用壽命。

上述的元件都會受到溫度而影響電源轉換器的輸出電壓擾動。因此，可以透過實際的溫度曲線來觀察電源轉換器輸出電壓與環境溫度的關係。

 

2. 輸出電壓與溫度關係曲線

針對電源轉換器輸出電壓與溫度關係的曲線進行實驗，此規格如下

表1. 電源轉換器規格表

Input voltage	24 Vdc
Output voltage	12 Vdc
Load current	0.5A
Ambient temperature	40℃-90℃
Package	1x1”

電源轉換器放入恆溫恆濕機，並固定負載電流下，改變環境溫度而觀察輸出電壓變化量。

由圖2所示，當環境溫度逐漸上升，由於電源轉換器內部元件對溫度的敏感程度不同，使得電源轉換器輸出電壓下降。由實驗數據得知溫度與輸出電壓關係呈現負斜率曲線，而且計算出斜率約為-0.3mV/℃。

 

3. 溫度補償概念

    當溫度上升使得轉換器偏壓電流也微幅增加，從實驗結果得知負溫度斜率明顯變大。為了讓輸出電壓不會隨著溫度改變，設計溫度補償電路是必需的。溫度補償電路加上一個正溫度係數的元件，此元件兩端電壓正比於對溫度並且溫度與電壓曲線呈正斜率關係，再與原有的負溫度係數的元件共同組成後，可實現一個與溫度無相關的輸出電壓，如圖3所示

電源轉換器的溫度補償電路使用電阻偏壓，此產生正比於絕對溫度的電流，再透過負回授放大器將正比於絕對溫度的電壓去消弭二極體的順向導通電壓的負溫度係數。由此可知，選擇適合的電阻來產生正溫度係數電流是補償電路的一大關鍵。

另一種情況，當電源轉換器控制迴路的BJT基極電流會隨著溫度的升高而變大，因此溫度補償電路可以使用電阻與二極體的分壓進而產生一個負溫度係數的電流，而補償基極電流的正溫度特性，最後BJT基極電壓不受溫度影響，達到穩定BJT基極電流的作用。

 

4. 結論

    追求體積小效率高的效能，必須考慮工作溫度電源對轉換器的影響。本文針對電源轉換器的常用元件對溫度影響做了相應分析討論，並且從量測結果證實當溫度持續升高時，導致電源轉換器輸出電壓下降、效率降低。因此，設計溫度補償電路對於輸出電壓穩定性有直接地幫助。

 

 

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