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

1

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 2

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。

研究動機與目的

3

發電廠

可供給1000VA

用電端

未使用功因修正器PF=0.5

MW5005.01000

發電廠

可供給1000VA

用電端

使用功因修正器PF≒0.99

MW99099.01000

為何要使用功因修正器

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。

未使用功因修正

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。

4

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。

5

國際電流諧波規範 (IEC61000-3-2)

三相設備

輸入功率為75W~600W使用切換式電源等設備

Class A

手持式工具

Class B

照明設備

Class C

Class D

Yes Yes

No

Yes

No

No

Yes

Start No IEC61000-3-2 Class D

Harmonics order mA/W

2 -

3 3.4

4 -

5 1.9

6 -

7 1.0

8 -

9 0.5

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 )

6

國際電流諧波規範 (IEC61000-3-2)

7

80 PLUS Certification

115V 230V

% of Rated Load

20% 50% 100% 20% 50% 100%

CSCI Base

80% 80% 80% N/A

CSCI Bronze

82% 85% 82% 81% 85% 81%

CSCI Silver

85% 88% 85% 85% 89% 85%

CSCI Gold

87% 90% 87% 88% 92% 88%

CSCI Platiunm

90% 92% 89% 90% 94% 91%

80 PLUS Certification

功率因數計算單相電源系統功率因數 (PF ， Power Factor)定義為：

rmsrms

Ttit

av

IV

dtvT

(S)視在功率)(P平均功率

PF

0 )()(1 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

Load

)( tini

)( tinv 線性負載

非線性負載

8

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

輸入平均功率為

tVv mt sin)(

)sin(Im)( ti t

cosIcos2

I

cos)2cos(2

I

)(I)(1

mm

0

m

0m

mm

Tm

Tmav

VT

V

dttT

V

dttsimtsimVT

P

其中

2

I

2

m rms

mrms I

VV ，

將 Pav 代入

rmsrms

Ttt

IV

dtivTPF

0)()(

1 可求得功率因數為

cosPF

9

功率因數 ( 線性負載 )

輸入電壓

線性負載

tVv mtin sin)(

)sin(Im)( ti tin

t

)(ti)(tv

t

ti tv

Load

PF

inv

ini

電壓與電流波形

cosPF

1cos PF cosPF cosPF

純電阻性 (PF=1)

t

)(tv)(ti

電感性 (PF<1) 電容性 (PF<1)10

功率因數 ( 非線性負載 )

tVtv m sin

...)sin()sin(

)sin()(

2211

1

tItII

tnIIti

o

nnno

cos

)cos(2

)cos(2

1

)sin()sin(1

110

11

10 1

rmsrms

mmT

mm

nnno

T

mav

IV

IVdt

IV

T

dtnwtIItVT

P

對線性負載而言，若弦波電源為非線性負載

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

11m

2

I

2 ，， rms

mrms I

VV

其中

將 Pav 代入 可求得功率因數為

rmsrms

Ttt

IV

dtivTPF

0)()(

1

cos1

rmsI

IPF

rms，

11

功率因數 ( 非線性負載 )

輸入電壓

線性負載 Load

PF

inv

ini

電壓與電流波形

tVv mtin sin)(

1

0)( )sin(n

nntin tnIIi

t

ti

tv

相移因數 <1畸變因數 <1

cos1

rmsI

IPF

rms，

12

相移因數畸變因數I

IPF

rms

rms

cos1，

AC-DC轉換器 負載

)( tini

)( tinv +

-

Vo

穩壓高功因

功因修正器架構

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。

CCM模式 DCM模式

交流電源輸入端：高功因特性 直流輸出端：達到穩壓的目的

13

被動式功因修正器

inv

ini L

C Loadinv

ini

Load

L

1C 2C

inv

ini

Load

1C

2C

1D

2D

3D

LC濾波器 π型濾波器

填谷式濾波器

優點 : 方便設計。缺點 : 體積大、重量重、功因改善不佳。

14

AC

R

+

-

2Z

1Z

refV

內迴路

外迴路CCV

CCV

外迴路電壓控制器

內迴路電流控制器

)( tini MOSFET

L

C

D

+

-

oV

LOAD

)( tinvrmsrms VV 130~80

PWM

主動功因修正器架構

內迴路 : 功因校正外迴路 : 穩壓

以升壓式轉換器為例

線電壓

輸出電壓

15

功因

輸出穩壓

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

gi

t

t驅動信號

輸入電流

16

gi

gi

t

gi

clockt

gi

乘法器控制法峰值電流控制法 磁滯電流控制法

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

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 。

17

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

18

erfv

Voltage controller

Current controller

ctrlv

Lmi

*Lmi

kvin

ovBoost converter cIGcVG

kvin vo

Lmi

*Lmi

Boost converter

currentcontroller

cIG

Boost Converter

cIGcVG +-

invk *Lmi

Lmi

ctrlverfv+ -

ov

2)(

1

rmsinv

2)(

*

rmsin

ctrlin

Lm v

vvki

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

)()()(

)(*

tctrltintLm

tLm vvkii

則

LR

VP

vvkivP

oo

ctrlrmsinininin

2

)(2

當 Pin=Po 可得

ctrlrmsinoo

ctrlrmsin vvkRVR

Vvvk L

L

2)(

22

2)( ，

可得知 vin 變動會影響 vo，修改 i*Lm

當 Pin=Po 可得ctrlo vRV L 2

19

控制 IC

IC UC3854

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≒0.995.低啟動電流6.定頻脈波寬度調變 (PWM)

特色：

20

UC3854 IC動作原理

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。

功因校正 穩壓

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

AC Power &FeedBack

Stage

)( tini

L D

CMOSFET +

-

oV

)( tinv

rmsrms VV 265~85

ccV

低通濾波器

電壓迴路補償

電流迴路補償

過載峰值電流保護

平均電流控制法

21

UC3854 IC功能

可抑制線電流的諧波失真

軟啟動

採用平均電流控制法 定頻脈波寬度調變(PWM)

控制Boost PWM converter達到功因 99%

過電流保護

IC功能

22

接腳 4：電流誤差放大器的反相輸入端

接腳 5：乘法器的輸出端

接腳 11：輸出電壓迴授訊號

接腳 10:致能端

接腳 13(SS):軟起動端

接腳 8(Vff):前饋輸入端

接腳 6：乘法器的輸入電流，和輸入電壓波形成正比

接腳 14:CT

接腳 12:RSET

接腳 1:GND

接腳 16:PWM信號輸出端

接腳 15:Vcc

接腳 9：參考電壓 7.5V

接腳 2:過電流保護

接腳 3：電流誤差放大器輸出端

UC3854 IC腳位

23

實作電氣規格輸入電壓 輸出電壓 輸出功率 切換頻率

Vin=80~130Vrms Vo=400V Po=400W fs=100kHz

AC

)( tini

D

MOSFET

+

-

oV

)( tinv

rmsrms VV 130~80

ccV

k910

k620k150

k91

k20

k22

k150

25.0sR

k9.3 k9.3

k20

k10

k10

100

F1.0 F47.0 F1

K122

F68.0

pF620

pF62

pF100

k511

k10

L：1mL

C：470μ F

F065.0

24

25.0

21.0.2

87.42

.1

(max)

(max)

pk

rs

pkpk

I

VR

AI

II

mHmHmkIf

DVL

V

VVD

mAII

AV

PI

s

in

o

ino

pkline

inpkline

1886.0900100

75.0110.3

75.0400

110400.2

900%20

42.480

25022.1

)(

(min))(

，設

元件設計電感的選擇

電流檢測電阻 Rs 的選擇

MOSFET、二極體

AC

LOAD

)( tinv

)( tini

L D

CMOSFET

sR

MOSFET 型號 DSSV DI DSR

STW45NM60 650V 45A <0.11Ω

二極體 型號 RMSV FSMI rrT

SF1608G 600V 125A 35nS

25

AC

)( tini

L D

CMOSFET +

-

oV)( tinv

ccV

低通濾波器

電壓迴路補償

電流迴路補償

過載峰值電流保護

平均電流控制法

26

控制器方塊圖

實作電路圖

cIGcVG +-

invk *Lmi

Lmi

ctrlverfv+ -

ov

2)(

1

rmsinv

Boost Converter

理論與實作對照

選擇 Boost Converter 的原因

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。

Boost Converter

27

28

Boost Converter轉移函數推導

)1(-

D)-(1-

-

-

)()()(

)()()(

)()( )()(

)()(

)()()(

)()()(

)()(

DiR

V

dt

dvC

VVdt

diL

VVVVR

Vi

dt

dvC

R

V

dt

dvC

VVdt

diLV

dt

diL

offSWonSW

tLtctc

tctgtL

tctotcto

tctL

tctctc

tctgtL

tgtL

]~~~

)1[(1~

]~)1(~~[

1~

~1D)-(1

~

~

~

~

~

)()()(

)(

)()()()(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

R

vdIiD

Cdt

cvd

cvDdVvLdt

id

dD

dDD

iIi

ciIcci

cvVccV

vVV

tctLtL

t

ttctgtL

t

t

tLLL

t

t

tggg

SW on SW off

28

LCD

sRC

s

CI

LCDV

sd

v

C

IL

V

LCD

sRC

s

sC

D

vsd

v

LCD

sRC

s

LCD

v

v

L

LCD

sRC

s

sC

D

dv

v

Lc

so

L

c

sg

so

sg

so

ssg

so

22

)(

22)(

)(

22)(

)(

22)()(

)(

)1(1

s])1(

[

)(~

)1(1

)1(

0~)(~

)1(1

)1(

~

0

1

)1(1

)1(

0~~

，

，

，

，

轉移函數推導 ( 續 )

LC

Ds

RCs

sC

DRC

LC

Ds

RCs

T

s

C

D

RC

AsI

RCC

D

s

RCC

Ds

sAsI

cv

iv

d

v

C

IL

V

Lcv

i

RCC

D

dt

dvcdt

di

t

tLto

t

tg

L

c

t

tL

t

tL

22

22

1

)(

)()(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

)1(1

)1(

L

D)-(1

1s

)1(1

L

D)-(1

)1(

1

s

1s

)1(

L

D)-(1-

1-

)1(

L

D)-(1 0

- 0

0

~

~ 1 0~

~

~

0

1

~

~

1-

)1(

L

D)-(1 0

29

轉移函數推導 ( 續 )

oV

VIR

VOR

1C

2C2R

cVV5.7

+

-

4

2212

21

22

22121

22

212

1

2

212

12

2

12

2122

3

)s(

11

)11

(

)1

(

11

)1

()1

(//)(

)()//(

)(

R

RCCsCC

RsC

RCsCCC

CRs

RsCsC

sC

R

CCs

sCR

sC

sCR

sCCRR

RRR

RRRR

RR

RVV

c

VOVI

VOVIVIVO

VOVI

VOOin

，

電壓控制器

30

])([

)1

(

])([

)1

(

)(])([

)1(

)()(

)(

)1

(

2122

21

2222

2122

21

2222

2122

21

22

21221

22

3

4

CCRsCCsCR

s

R

CR

V

V

RCCRsCCsCR

sCR

V

V

RR

R

RRCCRsCCs

CsR

V

V

RR

R

RRRR

CCsRCCs

CR

V

VV

R

RV

VIin

C

VIin

C

VOVI

VO

VOVIin

C

VOVI

VO

VOVI

VOVIin

CinC

，

，

電壓控制器轉移函數推導 ( 續 )簡化後

inV 3R

4R

cV

V5.7+

-

31

43.1078

804.978.281048.710936.6

)804.9(10996.1

68.00650 150 511

2

629

7

212

s

s

sG

ss

s

V

V

μFCμF.CkRkR

v

in

c

VI 、、、

54.151

803.664.4110047.110909.6

)803.6(10877.2

10470 147 511

1

629

7

212

s

s

sG

ss

s

V

V

μFCμF.CkRkR

v

in

c

VI 、、、

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。

oV

V5.7+

-

voR

viR 2R 2C

1C

cv

Gv1 、 Gv2之性能比較

32

Gv1

Gv2

不同參數的電壓控制器比較

sec/DIV : 100ms sec/DIV : 100ms回復時間

ss

sms

12.0602.0

02.05

100

回復時間

ss

sms

04.0202.0

02.05

100

33

54.151

803.664.411

s

s

sGv

43.1078

804.978.282

s

s

sGv

實作成果IC UC3854

34

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35

AC

)( tini

L D

CMOSFET +

-

oV

)( tinv

rmsrms VV 265~85

ccV

k910

k620k150

k91

k20

k22

k174

25.0

k9.3 k9.3

k20

k10

k10

100

F1.0 F47.0 F1

K122

F047.0

pF620

pF62

pF100

k511

k10

7.5V

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。

36

電路實體圖功率級 訊號級

實體電路

PCB Layout

37

高功因性能

輸入電流波形追隨輸入電壓波形 與國際電流諧波規範比較

38

實際諧波電流量測

輕載： 88W

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

高功因性能

39

中載： 168W

重載： 250W輸入電流波形追隨輸入電壓波形 與國際電流諧波規範比較實際諧波電流量測

穩壓性能

輸入電壓變動 (110Vrms-130Vrms) 負載變動 (88W → 168W → 88W)

40

不同輸入電壓之的功因量測Vin(rms

)

PF Vo

80V 0.981 400V

90V 0.985 400V

110V 0.985 400V

120V 0.985 400V

130V 0.984 400V

結論：分別不同輸入電壓下，皆為高 功因且輸出電壓皆為 400V。

41

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。 42

不同負載之的功因量測

Load PF Vo

88W 0.988 400V

168W 0.989 400V

250W 0.974 400V

結論：不同附載時皆為高功因且 輸出電壓維持在 400V。

43

負載變動之輸出電壓響應

結論：在閉迴路控制下輸出電壓皆為 400V。 44

Po： 88W Po： 88W→168W Po： 88W→250W

效率曲線圖

結論：在不同負載，效率皆有 90%以上。in

o

P

P

Po Pin η

88W 90.5W 0.972

168W 177.9W 0.944

250W 269W 0.929

45

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。

46

47