填谷濾波變頻式返馳轉(zhuǎn)換器

1、填谷濾波變頻式返馳轉(zhuǎn)換器Valley-Fill Filter Flyback Converter withVariable Frequency Control摘要傳統(tǒng)使用二極體與電容整流濾波得到直流鏈電壓之電子設(shè)備，其輸入電源之電流含有大量電流諧波，導致功率因數(shù)降低、線電壓失真與雜訊干擾等問題。為提昇功率因數(shù)與降低電流諧波，一般均於橋式整流器後加入功因修正電路，並經(jīng)由後級穩(wěn)壓器降壓與穩(wěn)壓，提供負載較穩(wěn)定的直流電源。屬被動式功因修正電路之填谷濾波器，其直流鏈電壓漣波較大，造成後級穩(wěn)壓器之輸出含有低頻電壓漣波，為減少低頻電壓漣波，本文應用變頻控制於後級返馳式轉(zhuǎn)換器，可降低輸出低頻電壓漣波，且輸入電

2、流諧波量可符合IEC 1000-3-2 Class A 之規(guī)範。第一章緒論1.1 研究背景與目的傳統(tǒng)電子設(shè)備之電源，利用二極體整流電路或矽控整流電路，將公共電力系統(tǒng)的交流電源轉(zhuǎn)換成直流電壓，並經(jīng)由並聯(lián)大容量電容之方式，降低直流鏈(DC Bus)電壓的漣波成份，以提供後級電壓轉(zhuǎn)換器較穩(wěn)定的直流鏈電壓。不過此電路之整流二極體僅在交流電源電壓高於直流鏈電壓時才導通，導通時間很短，交流輸入電流為一脈衝電流，電流失真程度相當大且含有大量諧波成分，造成功率因數(shù)降低、線電壓失真與電磁干擾等問題，嚴重污染公共電力系統(tǒng)。隨著電機與電子設(shè)備之普及，諸多要求電機與電子設(shè)備特性之規(guī)範遂被制定，以避免公共電力系統(tǒng)被污染

3、，同時減少對周圍其他電子設(shè)備之影響。為了改善上述傳統(tǒng)整流濾波方式之缺點，遂發(fā)展出各種功因修正電路(Power Factor Correction Circuits)，一般可分為被動式(Passive)功因修正電路與主動式(Active)功因修正電路。被動式功因修正電路具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉之優(yōu)點，但其工作頻率與電源相同，被動元件的體積大、重量重，且須針對特定輸入電壓和負載條件來設(shè)計。主動式功因修正電路即是一個交/直流轉(zhuǎn)換器，其連接在橋式整流器之後，可提供後級較穩(wěn)定的直流鏈電壓，使後級的電壓轉(zhuǎn)換器可提供負載良好的響應。主動式功因修正電路係利用功率開關(guān)之高頻切換，使交流輸入電流追隨交流輸入電壓，以

4、得到一個接近正弦波形且同相位的輸入電流，進而提昇功率因數(shù)，降低電流諧波，其所使用的控制方法有不連續(xù)導通模式控制法(Discontinuous Conduction Mode Control) 、臨界電流控制法(CriticalBoundary Current Control)、磁滯電流控制法(Hysteresis Current Control) 、峰值電流控制法(Peak Current Control)及平均電流控制法(Average CurrentControl)等，其中不連續(xù)導通模式控制法較其他控制法容易達成，只要將電感器設(shè)計在不連續(xù)導通模式，電感電流即會自動追隨輸入電壓，而成為正弦波

5、形並且與市電同相位的輸入電流，故又稱為電壓隨耦法(VoltageFollower Control) 。由於功因修正電路之輸出電壓較高，兼且上述之控制策略皆是以提昇功因為首要，難以同時兼顧輸出電壓的調(diào)整，故主動式功因修正電路的輸出電壓，含有兩倍電源頻率的低頻電壓漣波，無法直接提供給負載，所以通常會再加一級直流/直流轉(zhuǎn)換器，同時達到降壓與減少低頻電壓漣波，以提供負載良好的直流電壓。使用主動式功因修正電路的系統(tǒng)會由原來的單級增加為兩級，將增加一次的能量轉(zhuǎn)換過程與一個控制電路，造成整體效率的降低與增加成本、體積與電路複雜度。有許多文獻報告已發(fā)表出把兩級合而為一，並共同使用一個主動開關(guān)的單級高功因轉(zhuǎn)換器

6、1-3，此種架構(gòu)之控制策略必須同時兼顧輸入電流控制與輸出電壓調(diào)整，所以共用之主動開關(guān)的前級PFC 電路，在工作條件和參數(shù)設(shè)計上，均與後級的直流/直流轉(zhuǎn)換器存在著相依的性質(zhì)，使得系統(tǒng)在某些限制條件下，才能同時兼顧輸入功因修正與輸出快速穩(wěn)壓之目的。單級高功因轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)，通常是一個以功因修正為主要功能的單元(PFC Cell)，典型的如昇壓型、降昇壓型 等，串聯(lián)整合一隔離型的直流/直流轉(zhuǎn)換器單元(DC/DC Cell)，如返馳型、順向型、半橋 等。輸入電流的波形端看功因修正單元之架構(gòu)與控制方法來決定，通常將功因修正單元的工作模式設(shè)計在不連續(xù)導通模式，以電壓隨耦法來讓功因修正單元自動達到功因修正的功

7、能。如以昇壓型為前級4-7，可得到接近正弦的輸入電流波形，並接近單位功因之性能，主要缺點為直流鏈電壓須高於交流輸入電壓之峰值。以降昇壓型為前級8-10，亦可得到接近正弦波形輸入電流，並接近單位功因之性能，且直流鏈電壓不需高於交流輸入電壓之峰值，主要缺點為效率較低。利用耦合電感增加整流二極體導通時間的方法11-15，以及將功因修正單元並聯(lián)直流/直流轉(zhuǎn)換器單元之方式16-21，輸入電流均為非正弦波形，此種方式之功率因數(shù)較差，故須考量輸入電流諧波量能否符合相關(guān)規(guī)範，如IEC 1000-3-2。上述之電路架構(gòu)，功因修正單元無論是否有與後級的直流/直流轉(zhuǎn)換器單元作整合，功因修正單元均會提供一穩(wěn)定的直流鏈

8、電壓于後級的直流/直流轉(zhuǎn)換器單元。本文所使用之主電路架構(gòu)為填谷濾波器(Valley-FillFilter)與返馳式轉(zhuǎn)換器所構(gòu)成之交/直流轉(zhuǎn)換器，屬被動式功因修正電路填谷濾波器，其直流鏈電壓漣波較大，造成返馳式轉(zhuǎn)換器之輸出含有低頻電壓漣波，為減少低頻電壓漣波，本文應用變頻控制(Variable FrequencyControl)返馳式轉(zhuǎn)換器，製作一輸入電壓110Vrms，輸出電壓24V，輸出功率60W 之轉(zhuǎn)換器，實驗結(jié)果顯示，輸出低頻電壓漣波可降低至0.285%，且輸入電流諧波量可符合IEC 1000-3-2 Class A 之規(guī)範。第二章填谷濾波器與返馳式轉(zhuǎn)換器本章先闡述填谷濾波器與返馳式轉(zhuǎn)換

9、器之工作原理與高功因特性，然後介紹IEC 1000-3-2 諧波限制規(guī)範，詳細內(nèi)容如以下各節(jié)所述。2.1 填谷濾波器工作原理22,23填谷濾波器為被動式功因修正電路的一種，由濾波電容C1 與C2，二極體D5、D6和D7 所組成，如圖2.1 所示。其原理係因電容器充電路徑與放電路徑的不同，改變橋式整流器之導通時間，橋式整流器在交流輸入電壓小於其二分之一峰值時不導通，只要交流輸入電壓大於其二分之一峰值，橋式整流器均處導通狀態(tài)，導通時間增長，可提升交流電源的功率因數(shù)至0.9 以上。填谷濾波器之動作原理可分為三個工作模式，各模式之波形如圖2.2所示，電壓、電流與二極體之狀態(tài)彙整如表2.1 所示。下列敘

10、述中，C1和C2 為相同容值的電容器，Vcp 為C1 和C2 並聯(lián)連接的電壓，Vcp=VC1=VC2；Vcs 為C1和C2串聯(lián)連接的電壓，Vcs= VC1+VC2，假設(shè)電路已達穩(wěn)態(tài)，且填谷濾波器之負載為一純電阻，各模式之說明詳述如下。模式I:交流輸入電壓|Vin(t)|小於並聯(lián)電容電壓Vcp，橋式整流二極體D1、D2、D3、D4 與二極體D7截止，所以線電流Iin(t)為零，僅有D5和D6導通，電容C1 與C2 經(jīng)D5 和D6以並聯(lián)放電方式供應負載所需的能量，此時填谷波器之輸出電壓Vd 等於並聯(lián)電容電壓Vcp，等效電路如圖2.3 所示。模式II: 交流輸入電壓|Vin(t)|大於並聯(lián)電容電壓V

11、cp，但小於串聯(lián)電容電壓Vcs，二極體D5、D6、D7 截止，所以電容C1與C2停止放電，橋式整流二極體D1和D4 導通，交流電源負半週時為D2和D3 導通，此時由交流電源供應負載所需的能量，線電流Iin(t)等於負載電流，填谷濾波器之輸出電壓Vd 等於交流輸入電壓|Vin(t)|，等效電路如圖2.4 所示。模式III: 交流輸入電壓|Vin(t)|大於串聯(lián)電容電壓Vcs，二極體D7 導通，橋式整流二極體D1 和D4(或D2和D3)持續(xù)導通，二極體D5 和D6 仍為截止狀態(tài)，交流電源經(jīng)由D7 對C1 與C2 充電，並同時供應負載所需的能量，線電流Iin(t)等於C1 與C2之充電電流加負載電流

12、，填谷濾波器之輸出電壓Vd 仍等於交流輸入電壓|Vin(t)|，等效電路如圖2.5 所示。2.2 返馳式轉(zhuǎn)換器工作原理 返馳式轉(zhuǎn)換器為隔離型的降昇壓式轉(zhuǎn)換器，提供輸入/輸出之隔離，一般應用在中低功率的場合中，其電路結(jié)構(gòu)包含返馳變壓器T1，功率開關(guān)Q，輸出二極體Do，如圖2.6 所示。若其操作於不連續(xù)導通模式，工作原理可分為三個模式，主要電流波形如圖2.7 所示。模式I: 當功率開關(guān)Q 導通，變壓器初級側(cè)磁化電感Lp 上會有電流流過，此時能量會儲存於變壓器之氣隙中，不過由於變壓器初級側(cè)與次級側(cè)極性相反，因此，輸出二極體Do為逆向偏壓，此時沒有能量轉(zhuǎn)移至負載，負載所需之能量由輸出電容Co來提供，其

13、等效電路如圖2.8 所示。模式II: 當功率開關(guān) Q 截止時，變壓器初級側(cè)繞組上的極性反轉(zhuǎn)，使得輸出二極體Do 導通，磁化電流轉(zhuǎn)移至次級側(cè)，原來儲存於變壓器氣隙中的能量會經(jīng)由輸出二極體Do，傳送至輸出電容Co與負載，等效電路如圖2.9所示。圖 2.9 不連續(xù)導通模式返馳式轉(zhuǎn)換器工作模式之等效電路模式III: 功率開關(guān) Q 仍保持截止狀態(tài)，磁化電感能量已完全釋放，輸出二極體Do 截止，次級側(cè)電流降為零，此時由輸出電容Co提供能量予負載，其等效電路如圖2.10 所示。2.3 單級返馳式高功因轉(zhuǎn)換器特性25 單級返馳式轉(zhuǎn)換器若操作在不連續(xù)導通模式，且責任週期於電源週期內(nèi)維持固定，即可使輸入電流追隨市

14、電電壓成為同相位的正弦波形，得到高功因低諧波之要求，圖2.11 為單級返馳式高功因交/直流轉(zhuǎn)換器。輸入電壓Vd 為市電整流後的電壓Vpk| sinwt |，若系統(tǒng)切換頻率fs 遠大於交流電源頻率，則在每一切換週期中，可視Vd(t)為定值，則每一切換週期之T1 初級側(cè)電感電流為其中 LP 為T1 初級側(cè)電感量，D 為責任週期，fs 為切換頻率。每一切換週期平均電感電流為：輸入電流Iin(t)為： 由(2.1)及(2.2)式可知，在電源週期內(nèi)，若切換頻率與責任週期均保持固定，則返馳式轉(zhuǎn)換器初級側(cè)每一切換週期之平均電感電流，將會追隨電源電壓成為同相位之正弦波形，得到高功因，如圖2.12 所示。則返馳

15、式轉(zhuǎn)換器每一切換週期之輸入功率為：於 1/2 電源週期內(nèi)之平均輸入功率為： 其中，TL 為電源週期。假設(shè)系統(tǒng)無損失，平均輸入功率Pd,avg 等於輸出率Po，由(2.4)式可知，返馳式轉(zhuǎn)換器之輸入功率隨Vd(t)變化，其與輸出低頻電壓漣波之關(guān)係如圖2.13 所示。 當輸入功率 Pd(t)大於負載所需功率Po時，輸出電壓Vo 上升，並對輸出電容Co 儲能；當輸入功率Pd(t)小於負載所需功率Po時，輸出電壓Vo下降，此時由輸出電容Co提供負載能量。因此，隨著電源電壓而變化之輸入功率Pd(t)，為造成輸出低頻電壓漣波的主要原因。2.4 諧波限制規(guī)範26,27 當各種電子設(shè)備與供電系統(tǒng)連接時，若該設(shè)

16、備之電源電流，因受整流電路、相位控制電路以及非線性負載電路等之影響，並非與電源同為正弦波型，而有高諧波電流產(chǎn)生，此類高諧波對供電系統(tǒng)以及其所連接之設(shè)備之操作與使用壽命，均有不良影響。因此國際之間訂有抑制高諧波產(chǎn)生的規(guī)格與限制，國際電工標準委員會(International ElectrotechnicalCommission,IEC)訂定有關(guān)於高諧波之抑制規(guī)格以及其相關(guān)技術(shù)的準則。IEC 1000-3-2 為討論注入公共電力系統(tǒng)之電流諧波量的限制，此規(guī)範詳述了由待測設(shè)備所產(chǎn)生之輸入電流諧波成分之限制值，主要應用於每相輸入電流最高16A(含)以下之電機與電子設(shè)備，並依設(shè)備之使用時間、同時使用程度

17、及電流波形之類似程度等因素為考量，將設(shè)備作AD 之分 類，分類流程圖如圖2.14 所示，而各類設(shè)備之電流諧波放射量須符合相對應的諧波限制值，如表2.22.4 所示。 A 類：平衡式三相設(shè)備和下列分類以外之所有其他設(shè)備。 B 類：攜帶型工具。 C 類：照明設(shè)備，包含調(diào)光裝置。 D 類：具有如圖2.15 所定義之輸入電流特殊波形，且輸入功率P 600W 之設(shè)備。 D 類設(shè)備所定義之特殊電流波形，係指設(shè)備輸入電流於各個半線週期之波形，其峰值設(shè)為1，且中心線M 對應輸入電流之峰值，依圖2.15之定義畫出包絡(luò)線，若輸入電流波形至少95%於所定義之包絡(luò)線內(nèi)，則歸類為D 類設(shè)備；這意指落在包絡(luò)線之外的部分若

18、小於5%，仍歸類為D類設(shè)備。第三章填谷濾波變頻式返馳轉(zhuǎn)換器 變頻式返馳轉(zhuǎn)換器之頻率變化範圍是依據(jù)輸入電壓而變化，與填谷濾波器整合後，輸入電壓限制在峰值與二分之一峰值之間，使頻率變化範圍縮小，雖然填谷濾波器與變頻式返馳轉(zhuǎn)換器整合電路，使輸出低頻電壓漣波可得到有效的抑制，然而輸入電源端已無法達到高功因，但輸入電流的諧波放射量仍能符合IEC 1000-3-2 Class A 之規(guī)範。本章先推導出可使返馳式轉(zhuǎn)換器每一切換週期均能維持恆定輸入功率之變頻法則，然後分析填谷濾波變頻式返馳轉(zhuǎn)換器之工作原理，並推導變頻式返馳轉(zhuǎn)換器工作於不連續(xù)導通模式之邊界條件。3.1 主電路架構(gòu)簡介 本文之主電路架構(gòu)為填谷濾波

19、器與變頻式返馳轉(zhuǎn)換器之整合電路，如圖3.1 所示，包含由整流二極體D1、D2、D3 和D4 組成之橋式整流器；由C1、C2、D5、D6、D7 組成之填谷濾波器；由返馳式變壓器T1、功率開關(guān)Q 及二極體D8 組成之返馳式轉(zhuǎn)換器，主電路之動作原理與分析詳述於以下各節(jié)。3.2 返馳式轉(zhuǎn)換器之變頻法則 由第二章討論可知，因輸入功率之變化，導致返馳式轉(zhuǎn)換器之輸出電壓產(chǎn)生低頻電壓漣波。由(2.4)式可得知，返馳式轉(zhuǎn)換器之輸入功率是由責任週期D 與切換頻率fs 所控制，本文提出的方法為，在整個電源週期內(nèi)，責任週期D 固定之下，以改變切換頻率fs 的方式使每一切換週期之輸入功率均相等，進而使返馳式轉(zhuǎn)換器之輸入

20、功率在任何時刻均維持定值。今假設(shè)，系統(tǒng)的切換頻率為可變頻率fv，重新令(2.4)式輸入功率Pd(t)的切換頻率fs為fv，令輸入功率Pd(t)等於平均輸入功率Pd,avg(t)，即可得到當輸入功率Pd(t)隨Vd(t)變化時，可變頻率fv(t)須如何相對變化，才能使輸入功率Pd(t)維持定值，令(2.4)、(2.5)式相等，則可變頻率fv(t)與輸入電壓Vd(t)之關(guān)係式如下：其中： Mp(t)為輸入電壓與其峰值的比，故令Mp(t)為峰值電壓比，由(3.1)與(3.2)式可得知，可變頻率fv(t)是由輸入電壓Vd(t)所控制，與負載大小無關(guān)，即是fv(t)會隨輸入電壓而變化，使返馳式轉(zhuǎn)換器在每

21、一切換週期均能傳送相同的能量，而當負載有所變動時，則須調(diào)變責任週期D 來改變每一切換週期所傳送的能量，以穩(wěn)定輸出電壓。當Vd(t) = Vpk| sin? t |時，fv(t)之變化範圍如圖3.2(a)所示，加入填谷濾波器後，fv(t)之變化範圍如圖3.2(b)所示。3.3 主電路控制架構(gòu)3.3.1 控制架構(gòu)簡介 本文所提之控制方法如圖 3.6 所示，主要由PWM控制器與變頻控制電路所組成， PWM IC 使用電壓控制模式的SG3525A，偵測迴授電壓調(diào)變功率開關(guān)Q 之責任週期，而變頻控制電路是偵測直流鏈電壓來產(chǎn)生變頻信號，以改變SG3525A 的工作頻率。 變頻控制電路設(shè)計 變頻控制電路之目

22、的是產(chǎn)生控制訊號 Vf，使(3.39)式工作頻率f2之變化能符合(3.1)式系統(tǒng)頻率fv 之變化，達到使f2=fv。由(3.39)式可知，當Vf等於零，可得f2,max=f1；由(3.1)式可知，當Mp 等於1，可得fv,max=2fs，由於f2,max= fv,max，所以f1=2fs，令(3.1)與(3.39)式相等，並將f1=2fs代入，可求得控制訊號Vf： 變頻控制訊號 Vf 必須符合(3.40)式，才能使SG3525A 的工作頻率符合(3.1)式，Mp(t)可經(jīng)由偵測填谷濾波器直流鏈電壓Vd(t)來得到。變頻控制電路如圖3.10 所示，主要由除法器、乘法器與運算放大器組成，動作原理如

23、下所述。第四章結(jié)論與未來研究方向4.1 結(jié)論 本文之主電路架構(gòu)是以被動式功因修正電路填谷濾波器為前級，後級則以返馳式轉(zhuǎn)換器降壓與穩(wěn)壓。填谷濾波器之直流鏈電壓漣波較大造成返馳式轉(zhuǎn)換器之輸出含有低頻電壓漣波，為減少低頻電壓漣波，本文推導返馳式轉(zhuǎn)換器每一切換週期均可維持恆定輸入功率之變頻法則，在傳統(tǒng)的電壓回授脈波寬度調(diào)變控制下，增加一組偵測直流鏈電壓的前饋變頻控制電路，藉以改變返馳式轉(zhuǎn)換器之切換頻率，使切換頻率可隨輸入電壓作相對應的變化，達到每一切換週期均可維持恆定輸入功率之目的，進而降低低頻電壓漣波。 本文實現(xiàn)一輸入電壓 110Vrms，輸出電壓24V，輸出功率60W 之填谷濾波變頻式返馳轉(zhuǎn)換器，

24、由實驗結(jié)果可知，應用變頻控制法後，可有效減少低頻電壓漣波，滿載輸出低頻電壓漣波為68.5mV，佔輸出電壓的0.285%，相同測試條件下，一般定頻控制之輸出低頻電壓漣波則是625mV，佔輸出電壓的2.6%。一般定頻控制須以加大輸出電容之方式來減少低頻電壓漣波，而應用變頻控制法則可減少輸出電容量，不過會增加一組變頻控制電路，由於變頻控制法主要是針對降低輸出低頻電壓漣波，缺點是會導致功率因數(shù)降低與增加輸入電流THD，不過輸入電流諧波量仍能符合IEC 1000-3-2 Class A 之規(guī)範。4.2 未來研究方向 本文所提之方法已由實驗結(jié)果證實其可行性，為使系統(tǒng)特性與功能更瑧完善，提出下列未來研究工作

25、。(1)暫態(tài)響應改善 由於本文所提之方法是建立在固定責任週期之下，而為使責任週期可保持固定，造成當負載快速變動時的暫態(tài)響應較差，未來擬加入改善暫態(tài)響應之方法。(2)變頻控制法之改善 由於變頻式返馳轉(zhuǎn)換器是操作在不連續(xù)導通模式，返馳變壓器的利用率降低，功率密度低，且功率元件上之電流應力高，未來擬進一步改善變頻控制法，使轉(zhuǎn)換器可操作於連續(xù)導通模式。參考文獻1 R. Redl, L. Balogh, and N. O. Sokal, “A new family of single-stage isolated power-factor correctors with fast regulation

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