南臺科技大學電力電子研究室S707

高頻高壓交流脈衝供電系統(tǒng)之研製DevelopmentofaHigh-FrequencyHigh-VoltagePulsePowerSupplySystem指導教授：蔡明村博士研究生：柯智偉大綱摘要研討動機與目的負載簡介功率因數(shù)校正柔性切換技術(shù)概述全橋式零電壓轉(zhuǎn)換器控制方法實驗結(jié)果結(jié)論南臺科技大學電力電子研討室S707摘要 本文研討高頻高壓交流脈衝供電系統(tǒng)的功率控制方法，主要應(yīng)用在介質(zhì)放電與電暈放電等氣體放電的應(yīng)用上。本文所提出之系統(tǒng)架構(gòu)其前級是由主動式功因修正器，藉由昇壓式交流到直流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生穩(wěn)定直流電壓後再經(jīng)由後級全橋相移式零電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生所需求高頻電壓，並且藉由相移脈波寬度調(diào)變與脈波密度調(diào)變兩種方法來控制。南臺科技大學電力電子研討室S707研討動機與目的 高頻高壓脈衝電源經(jīng)近三十年來迅速發(fā)展，已逐漸構(gòu)成一門獨立的新興技術(shù)領(lǐng)域，此種電源已被大量運用在半導體工業(yè)、封裝產(chǎn)業(yè)、印刷電路板工業(yè)及LCD產(chǎn)業(yè)的製程中；另一方面也被大量運用在和空氣、水污染防治與環(huán)保相關(guān)之廢棄物處理問題上。原則上脈衝電壓的值是依兩電極間之間距而定，根據(jù)各種材料性質(zhì)與大小，而獨立的加以調(diào)整輸出所需之功率，以提高產(chǎn)品之效率。早期由於功率半導體技術(shù)的限制，這類設(shè)備所需的高壓交流脈衝電源設(shè)備，不僅體積大、重量重且效率不佳。南臺科技大學電力電子研討室S707負載簡介介電質(zhì)放電〔DielectricBarrierDischarge,DBD〕

介電質(zhì)放電又稱為無聲放電(SilentDischarge)或流光放電(StreamerDischarge)，它同時具有輝光放電的大體積的激發(fā)及電暈放電之高操作壓力的優(yōu)點，介電質(zhì)放電主要由內(nèi)、外兩個電極及介電質(zhì)所構(gòu)成，其中介電質(zhì)位於兩電極之間。在兩電極中置入高介電強度之介電質(zhì)，如玻璃、石英、陶瓷等，並於兩電極間加上高電壓產(chǎn)生放電。南臺科技大學電力電子研討室S707負載簡介介電質(zhì)放電意示圖南臺科技大學電力電子研討室S707負載簡介介電質(zhì)放電等效電路南臺科技大學電力電子研討室S707負載簡介 介電質(zhì)放電的負載特性是一個非線性損耗的電容，並空氣間隙的損失的能量進入介電質(zhì)放電中，此介電質(zhì)放電所耗費的能量可表示為如下所示：由上式(1)介電質(zhì)放電反應(yīng)器的實際耗費的能量可表示為下所示：南臺科技大學電力電子研討室S707負載簡介 介電質(zhì)放電量測外部電荷的變化並要串聯(lián)一個電容Ci，所構(gòu)成電源供應(yīng)器之負載，高壓隔離探棒，量測負載輸出電壓V(t)，另一探棒並量測電容Ci之跨壓，由於外部電荷Q(t)與電容Ci之跨壓關(guān)係為：負載電壓與電荷量測法南臺科技大學電力電子研討室S707負載簡介 介電質(zhì)放電所耗費的功率並以李塞育圖(LissajousFigure)Q-V曲線中表示，電壓與電荷曲線所包圍之面積來表示，使得電容的介電質(zhì)電極在放電週期時可由Q-V曲線中線段斜率分別為介電質(zhì)放電特性分析南臺科技大學電力電子研討室S707負載簡介介電質(zhì)放電的能量W為李塞育Q-V曲線區(qū)域所包圍面積，可表示為下所示：如(6)式代入(2)式，可得知介電質(zhì)放電的反應(yīng)器中實際耗費功率相對應(yīng)的P可表示為下所示：南臺科技大學電力電子研討室S707功率因數(shù)校正 功率因數(shù)修正器主要的作用就是讓輸入端的電壓和電流同相位，假設(shè)依運用的元件來分類，可分為被動式功率因數(shù)修正器和主動式功率因數(shù)修正器。由於被動式功率因數(shù)修正器主要組成元件是電阻、電容、電感、變壓器等元件，此類功因修正器電路有著結(jié)構(gòu)簡單和低本錢優(yōu)點，而被動式功率因數(shù)修正器的體積都相當大且笨重，且其功因值最好的情況下只能到達70%而已，在較嚴格的功因要求規(guī)範下並不適用，所以本文選用主動式功率因數(shù)修正器來作功因的修正。南臺科技大學電力電子研討室S707功率因數(shù)校正 主動式功率因數(shù)修正器常用的控制方式有二種：峰值電流控制法和平均電流控制法。峰值電流控制法利用電感電流的峰值追隨正弦命令電流，其優(yōu)點為控制電路具有限流功能，電流控制迴路設(shè)計簡單。缺點在於電感電流的平均值於零交越點附近會有零交越失真的現(xiàn)象，需求斜率補償。電流誤差會愈來愈大，這個現(xiàn)象也會呵斥電流諧波量添加，導致功因值降低。這種控制法不適用於高性能的主動式功因修正器。平均電流方式的優(yōu)點則是在電路上再外加一個由放大器電路構(gòu)成的回授電路，也因此輸入電流將會以微小的誤差量追隨電流命令而變化，所以選擇以平均電流來作為控制的模式。平均電流方式具有控制輸入電流與穩(wěn)定輸出電壓值的目的，可以準確地維持輸入電流正弦波形，且無需斜率補償。南臺科技大學電力電子研討室S707柔性切換技術(shù)概述當開關(guān)元件在主電路中作切換時，假設(shè)是運用傳統(tǒng)硬切的方式切換，在開關(guān)截止的瞬間，它的電壓與電流產(chǎn)生交越而產(chǎn)生一電壓的突波，其值會超過正常的輸入電壓值，此突波會添加開關(guān)元件的電壓應(yīng)力，當開關(guān)導通的瞬間，由於開關(guān)上電流遭到寄生二極體反向回復的影響，電流會快速上升而產(chǎn)生一電流的突波，此電流突波會呵斥開關(guān)元件的電流應(yīng)力，如下圖所示。南臺科技大學電力電子研討室S707柔性切換技術(shù)概述近幾年柔性切換技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)硬式切換，柔性切換技術(shù)可分為零電流切換(ZCS)及零電壓切換(ZVS)兩種方式。1.零電流切換(ZCS)：當開關(guān)截止時，其開關(guān)上的電流必須維持在零電流截止的狀態(tài)，而開關(guān)截止時的電流才不會與開關(guān)的跨壓產(chǎn)生交越損失，而使整轉(zhuǎn)換器效率提昇。2.零電壓切換(ZVS)：當開關(guān)導通時，其開關(guān)上的電壓必須維持在零電壓截止的狀態(tài)，而開關(guān)導通時開關(guān)的跨壓才不會產(chǎn)突波而產(chǎn)生導通損失。南臺科技大學電力電子研討室S707柔性切換技術(shù)概述經(jīng)過柔性切換後，由下圖我們可以看到開關(guān)上的電壓及電流並未重疊，因此能將切換損失降到最低。南臺科技大學電力電子研討室S707零電壓轉(zhuǎn)換器全橋相移式零電壓切換轉(zhuǎn)換器之主電路架構(gòu)南臺科技大學電力電子研討室S707零電壓轉(zhuǎn)換器-動作原理控制開關(guān)時序圖及一次側(cè)的電壓、電流波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707零電壓轉(zhuǎn)換器-動作原理南臺科技大學電力電子研討室S707零電壓轉(zhuǎn)換器-動作原理南臺科技大學電力電子研討室S707零電壓轉(zhuǎn)換器-動作原理南臺科技大學電力電子研討室S707零電壓轉(zhuǎn)換器-動作原理南臺科技大學電力電子研討室S707零電壓轉(zhuǎn)換器-動作原理南臺科技大學電力電子研討室S707控制方法相移式脈波寬調(diào)變方式(PhaseShiftPWM) 開關(guān)的驅(qū)動信號以180度互補，且驅(qū)動信號間相差一個相位，也就是所謂的相移角度。四個開關(guān)訊號的導通與截止週期都一樣，且每個責任週期為50％，當對角的開關(guān)訊號導通週期相互交疊時，變壓器一次側(cè)才會有電壓而把能量感應(yīng)到二次側(cè)。由於QA與QD或QB與QC需同時導通才干傳送能量至二次測，VP之輸出脈波寬度的大小取決QA與QC之相位差，當QA與QC之相位差愈大，則之脈波寬度愈窄，且輸出功率愈小，則傳送能量也愈小，所以利用相移調(diào)變方式來控制開關(guān)交疊時間長短就能達到輸出側(cè)電壓穩(wěn)定。南臺科技大學電力電子研討室S707控制方法全橋相移式轉(zhuǎn)換器之開關(guān)與變壓器電壓動作訊號南臺科技大學電力電子研討室S707控制方法脈波密度調(diào)變方式(PulseDensityModulation) 負載功率之控制方法，其主要以相移脈波寬度調(diào)變來控制負載上的耗費功率，在負載上的耗費功率且能控制在低功率，因此參與脈波密度調(diào)變(PulseDensityModulation)的技術(shù)來控制負載上的耗費功率能達到在低功率的方法，因此在脈波密度調(diào)變控制則是以PIC18F4220晶片來製作。南臺科技大學電力電子研討室S707控制方法控制方法流程圖南臺科技大學電力電子研討室S707控制方法脈波密度調(diào)變控制方法採用PIC18F4220晶片並以類比電路以電壓控制方法達成。脈波密度調(diào)變控制是為40個責任週期為一個週期，並且以電壓來決定PIC輸出信號的脈波寬度。南臺科技大學電力電子研討室S707控制方法南臺科技大學電力電子研討室S707控制方法南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果功率因數(shù)修正器之量測CH1：200VCH2：10AM：5ms/div輕載(533W)之輸入電壓電流波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果功率因數(shù)修正器之量測CH1：200VCH2：10AM：5ms/div滿載(1066W)之輸入電壓電流波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果功率開關(guān)波形之量測CH1：5VCH2：200VM：10us/div超前臂功率開關(guān)跨壓及驅(qū)動信號波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果功率開關(guān)波形之量測CH1：5VCH2：200VM：10us/div落後臂功率開關(guān)跨壓及驅(qū)動信號波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果功率開關(guān)波形之量測CH1：400VCH2：5AM：5us/div功率開關(guān)跨壓及開關(guān)電流波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果 相移脈波寬度調(diào)變之量測，負載為介電質(zhì)放電，變壓器規(guī)格為1：8.9，且頻率為45k及相移脈波寬度調(diào)變控制以50％、75％的方式，分別所耗費功率為310W、410W。CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：10us/div頻率45kPWM：50％波形圖

CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：10us/div頻率45kPWM：75％波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果相移脈波密度調(diào)變之量測，負載為介電質(zhì)放電，變壓器規(guī)格為1：8.9，且切換頻率為45k及相移脈波調(diào)變控制以100％的方式，所耗費功率為520W。CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：10us/div頻率45kPWM：100％波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果當切換頻率為40k、45k，相移脈波寬度調(diào)變控制以100％的方式，分別耗費功率為800W、520W。CH1：400VCH2：10ACH3：5KVM：10us/div頻率40kPWM：100％波形圖CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：10us/div頻率45kPWM：100％波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果 當切換頻率為50k，相移脈波寬度調(diào)變控制以100％的方式，所消耗功率為310W。CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：10us/div頻率50kPWM：100％波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果頻率40k、45k、50k固定且控制相移脈波寬度調(diào)變(PWM)及脈波密度調(diào)變(PDM)之耗費功率。頻率(F)與耗費功率(W)之關(guān)係圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果脈波密度調(diào)變之量測，而負載以介電質(zhì)放電，變壓器規(guī)格為1：8.9的去量測，且切換頻率脈45k，則以相移脈波寬度調(diào)變則控制在75％並已參與波密度調(diào)變則控制以25％、50％的方式，分別所耗費功率為120W、215W。CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：100us/divPWM：75％PDM：25%(10/40)波形圖CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：100us/divPWM：75％PDM：50%(20/40)波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果脈波密度調(diào)變之量測，而負載以介電質(zhì)放電，變壓器規(guī)格為1：8.9的去量測，且切換頻率脈45k，則以相移脈波寬度調(diào)變則控制在75％並已參與波密度調(diào)變則控制以75％的方式，分別所耗費功率305W。CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：100us/divPWM：75％PDM：75%(30/40)波形圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果頻率45k且控制相移脈波寬度調(diào)變(PWM)及脈波密度調(diào)變(PDM)之耗費功率。PDM與耗費功率(W)之關(guān)係圖南臺科技大學電力電子研討室S707實驗結(jié)果頻率50k且控制相移脈波寬度調(diào)變(PWM)及脈波密度調(diào)變(PDM)之耗費功率。PDM與