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高功因升壓型 AC-DC 轉換器之研製

高功因升壓型 AC-DC 轉換器之研製. 指導老師 : 陳信助 學生 : 張忠浩 日期 :2010/12/15. 大綱. 研究動機與目的 - 為什麼要使用功因修正器、使用功因修正器的好處 功率因數計算 - 線性負載、非線性負載 功因修正器架構 - 主動式、被動式 一般常用功因修正控制法 - 平均電流控制法、臨界導通控制法、磁滯電流控制法、峰值電流控制法 控制 IC -IC 動作原理、 IC 腳位、 IC 功能 實作電氣規格 - 實作電路圖、轉移函數推導 實作成果與實驗結果 - 實體電路、示波器量測波形. 研究動機與目的.

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高功因升壓型 AC-DC 轉換器之研製

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  1. 高功因升壓型AC-DC轉換器之研製 指導老師:陳信助 學生:張忠浩 日期:2010/12/15

  2. 大綱 • 研究動機與目的 -為什麼要使用功因修正器、使用功因修正器的好處 • 功率因數計算 -線性負載、非線性負載 • 功因修正器架構 -主動式、被動式 • 一般常用功因修正控制法 -平均電流控制法、臨界導通控制法、磁滯電流控制法、峰值電流控制法 • 控制IC -IC動作原理、IC腳位、IC功能 • 實作電氣規格 -實作電路圖、轉移函數推導 • 實作成果與實驗結果 -實體電路、示波器量測波形

  3. 研究動機與目的 • 研究動機：追求高品質的電力供需，並符合國際電流諧波規範 (IEC6100-3-2)。 • 解決方法：在用電端前加入功因修正器。

  4. 為何要使用功因修正器 • 未使用功因修正 未使用功因修正器PF≒0.5~0.6，這樣假設供給1000VA實際上用電端只使用到500MW，電力傳輸損失較大。 • 使用功因修正 使用功因修正器可將功率修正至0.99左右，一樣假設供給1000VA而用電端實際上可消耗990MW。

  5. 使用功因修正器的優點 1.修正功因達到0.99，減少功率損失。 一般沒有功因修正的電路功因約為0.5~0.6，而PF=P/S表示為了要達 到負載端的需求供給端要提供更多能量。 2.環保省電。 功率損失減少不必多增設電廠來供應能量。 3.延長元件使用壽命。 非線性成分變小，則諧波失真也相對減少。

  6. 國際電流諧波規範(IEC61000-3-2) • Class A：Class B、C和D以外，其餘皆屬於Class A • Class B：手持式工具 • Class C：照明設備 • Class D：75 W~600 W(切換式電源)

  7. 國際電流諧波規範(IEC61000-3-2) • 80 PLUSCertification

  8. 功率因數計算 • 單相電源系統功率因數(PF，Power Factor)定義為： T ：線電壓週期 v(t)：電源的瞬間電壓 i(t)：電源的瞬間電流 Vrms：電源電壓有效值 Irms：電源電流有效值 線性負載 非線性負載

  9. 功率因數(線性負載) • 線性負載 對線性負載而言，設弦波電源為 因電抗造成電流相位移θ角度，則 其中 輸入平均功率為 將Pav代入 可求得功率因數為

  10. 功率因數(線性負載) • 輸入電壓 • 線性負載 • 電壓與電流波形 純電阻性(PF=1) 電感性(PF<1) 電容性(PF<1)

  11. 功率因數(非線性負載) • 非線性負載 對線性負載而言，若弦波電源為 非線性負載電流為週期性的非弦波，可利用傅利葉級數表示 輸入平均功率為 其中 將Pav代入 可求得功率因數為

  12. 功率因數(非線性負載) • 輸入電壓 • 線性負載 • 電壓與電流波形 相移因數<1 畸變因數<1

  13. 功因修正器架構 • 交流電源輸入端：高功因特性 • 直流輸出端：達到穩壓的目的 CCM模式 DCM模式 1.被動式:LC、π型、填谷式 優點:方便設計。 缺點:體積大、重量重、功因改善不佳。 2.主動式:乘法器控制法、電壓隨偶法 優點:可改善功因達到90%以上。 缺點:電路較複雜。

  14. 被動式功因修正器 LC濾波器 π型濾波器 優點:方便設計。 缺點:體積大、重量重、功因改善不佳。 填谷式濾波器

  15. 主動功因修正器架構 • 以升壓式轉換器為例 • 內迴路:功因校正 • 外迴路:穩壓 功因 輸出電壓 線電壓 輸出穩壓

  16. 乘法器控制法 • 平均電流控制法 • 臨界導通控制法 優點：電感有較小的體積 。 缺點：變頻控制，濾波器設計複雜。 控制IC ：FAN7529、L6561 優點：適合中大功率的系統、輸入電流 波形失真小。 缺點：需設計電流補償器控制電路複雜。 控制IC ：UC3854、LT1248

  17. 乘法器控制法 • 峰值電流控制法 • 磁滯電流控制法 優點：EMI干擾會比較低。 缺點：輸入電流在零交越附近會有交 越失真。 控制IC：UC1848、ML4812。 優點：調整磁滯寬度，可使電流精 確的控制。 缺點：變頻控制，濾波器設計複雜 。 控制IC：CS3810

  18. 主動功因修正器控制方塊圖 • 內迴路補償電流回授控制 • 外迴路補償電壓回授控制

  19. 主動功因修正器控制方塊圖 • 基本控制器方塊圖 假設輸入電流已追隨命令電流 當Pin=Po可得 則 可得知vin變動會影響vo，修改i*Lm 當Pin=Po可得

  20. 控制IC • IC UC3854 特色： 1.平均電流控制法 2.使用於高功率輸出電路 3.可抑制線電流的諧波失真 4.修正PF≒0.99 5.低啟動電流 6.定頻脈波寬度調變(PWM)

  21. UC3854IC動作原理 功因校正 穩壓 • 動作原理 • 主動式功因修正器必須同時控制輸入電流與輸出電壓。 • 控制IC UC3854是利用平均電流法做功因修正。 • 平均電流法 • 為定頻控制。在每一個週期開始時先使功率開關導通，再判斷此時輸入電流是太大或太小，經由每個週期反覆的動作，輸入電感電流便可追上命令電流

  22. UC3854IC功能 • IC功能

  23. UC3854IC腳位

  24. 實作電氣規格

  25. 元件設計 • 電感的選擇 • MOSFET、二極體 • 電流檢測電阻Rs的選擇

  26. 理論與實作對照 • 控制器方塊圖 • 實作電路圖

  27. 選擇Boost Converter的原因 • Boost Converter 選擇的原因：1.輸入電流為連續的(傳導性干擾較小)。 2.開關容易驅動。

  28. Boost Converter轉移函數推導 • SW on • SW off 28

  29. 轉移函數推導(續)

  30. 轉移函數推導(續) • 電壓控制器

  31. 電壓控制器轉移函數推導(續) • 簡化後

  32. 不同電壓控制器之性能比較 • 當電壓控制器的參數改變，輸出電壓的回復時間也會改變。 • Gv1 • Gv2 Gv1、 Gv2之性能比較

  33. 不同參數的電壓控制器比較 sec/DIV : 100ms sec/DIV : 100ms 回復時間 回復時間

  34. 實作成果 • IC UC3854

  35. 實作內容 一.檢查機制 二.電路實體圖 三.高功因性能 -實際諧波電流量測、與國際電流諧波規範比較 四.穩壓性能 -輸入電壓變動、負載變動 五.不同輸入電壓的功因曲線 -不同輸入電壓之輸出電壓響應 六.不同負載時的功因曲線 -負載變動之輸出電壓響應 七.效率曲線圖

  36. 檢查機制 • 功因: • 1.IC第6腳波形應為麥當勞波形。 • 2.IC第7腳訊號應為直流。 • (經電壓控制器) • 3.IC第8腳訊號應為直流。 • (經Low pass) • 穩壓: • IC第9腳的參考電壓應為7.5V。

  37. 電路實體圖 • 功率級 • 訊號級 實體電路 PCB Layout

  38. 高功因性能 • 在此實際量測實作電路在輕載、中載、重載的諧波電流。 • 下列圖片由左→右分別為： • 1.輸入電流波形追隨輸入電壓波形 2.實際諧波電流量測 3.與國際電流諧波規範比較 • 輕載：88W 輸入電流波形追隨輸入電壓波形 實際諧波電流量測 與國際電流諧波規範比較

  39. 高功因性能 • 中載：168W 輸入電流波形追隨輸入電壓波形 實際諧波電流量測 與國際電流諧波規範比較 • 重載：250W

  40. 穩壓性能 • 輸入電壓變動(110Vrms-130Vrms) • 負載變動(88W → 168W → 88W)

  41. 不同輸入電壓之的功因量測 結論：分別不同輸入電壓下，皆為高 功因且輸出電壓皆為400V。

  42. 不同輸入電壓之輸出電壓響應 Vin=80V Vin=110V Vin=130V 結論：1.在分別輸入80V、110V、130V下輸出電壓皆為400V。 2.電流波形追隨電壓波形。

  43. 不同負載之的功因量測 結論：不同附載時皆為高功因且 輸出電壓維持在400V。

  44. 負載變動之輸出電壓響應 • Po：88W→168W • Po：88W • Po：88W→250W 結論：在閉迴路控制下輸出電壓皆為400V。

  45. 效率曲線圖 結論：在不同負載，效率皆有90%以上。

  46. 結論 1.利用高功因AC-DC轉換器，使輸入電壓波形與輸入電流波形同相位成比例，達到高功因及輸出穩壓。 2.內迴路電流控制器頻寬必須遠大於120Hz，外迴路電壓控制器頻寬必須小於120Hz。 3.實驗證實，高功因AC-DC轉換器符合IEC61000-3-2國際電流諧波規範。 4.應用IC UC3854採平均電流控制法之高功因穩壓電路(高功率)。 5.以不同負載時，實作電路確實達到高功因且輸出穩壓。 6.以不同電壓輸入時，實作電路確實達到高功因且輸出穩壓。 7.在不同負載功率(88W~250W)時，電路效率皆維持在90%以上。

  47. 報告結束 敬請指教

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