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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、蘇信豪、范綱
全 日期 :2010/12/20
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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- 實作電路圖實作成果與實驗結果- 實體電路、示波器量測波形
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研究動機與目的研究動機:追求高品質的電力,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。
3
有功因修正與無功因修正比較
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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。
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使用功因修正器的優點
1.修正功因達到 0.99,減少傳輸上的功率損失。 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。
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國際電流諧波規範 (IEC61000-3-2)
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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 )
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AD-DC轉換器 負載
)( tini
)( tinv +
-
Vo
穩壓高功因
功因修正器架構
7
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。
連結
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
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被動式功因修正器
8
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。
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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
9
功因
輸出穩壓
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10
臨界導通控制法平均電流控制法
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
一般常用功因控制修正法
gi
t
t驅動信號
輸入電流
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主動式功因修正器
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。
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Boost Converter
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控制 IC
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IC L6561
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 0.99≒5. 低啟動電流
1.臨界導通控制法2.使用於低功率輸出電路3.低啟動電流4. 內部啟動及零電流偵測的功能5.兩極過電壓保護
特色:
特色:
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L6561 IC功能較低的靜態電流 3mA,使在輕載時具有高效率除能 (Disable) 功能,可將系統關閉,降低損耗兩極過電壓保護內部啟動及零電流偵測的功能具乘法器,對於寬範圍輸入電壓,有較佳的 THD值為提高雜訊免除能力,在電流偵測入端,具備內 部 RC濾波器高容量的圖騰級輸入,可以直接驅動 MOS具磁滯的欠電壓鎖住功能低啟動電流,可減少切換損失逐一脈衝電流的限制,電路萬一發生短路現象也可以 保證安全操作
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L6561 IC腳位
1144
1 INV 輸出電壓取樣腳位,內有固定 2.5V的回授比較準位
2 COMP
輸出電壓補償腳位,用於改善輸出電壓訊號,可連接補償元件
3 MULT 輸入整流電壓取樣接腳
4 CS偵測開關元件電流轉換電壓腳位,電壓準位上升超過參考指令時,強迫關閉控制訊號
5 ZCD 偵測電感電流腳位
6 GND 接地端
7 GD 驅動開關元件控制訊號的輸出腳位
8 VCC 電源端 ( 工作電壓>13V)
1234 5
678INV
COMPMULT
CS
VCCGDGNDZCD
L6561 IC
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L6561 IC內部電路
1155
MULTIPLIER
RS
Q
OVER-VOTAGEDETECTION
VOLTAGEREGULATOR
DRIVER
STARTER
DISABLE
-+
-+
-+
2.5V
INTERNALSUPPLY 7V
UVLO
ZERO CURRENTDETECTOR
20V R1
R2VREF2
VCC
40K
5pF
2.3V1.8V
誤差放大 乘法 PWM調整
56
432
1
7
8
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UC3854 IC動作原理
16
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
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UC3854 IC功能
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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
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UC3854 IC腳位
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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
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實作電氣規格
19
IC L6561 IC UC3854
輸入電壓 80V
~130V
輸出電壓 400V
輸出功率 250W
切換頻率 100kHz
輸入電壓 110V
輸出電壓 400V
輸出功率 70W
實作電路圖
實作電路圖
元件設計
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20
實作電路圖
以 L6561為基礎之升壓型高功因 AC-DC整流器
IL D5 IO
+_VO2.7KΩ
CO
D1 D2
D3 D4
D6
SW
Iin+_Vin VCS
C1560nF400V
440KΩ D3 1N4150
D21N5248B
100Ω 10nF
68KΩ
1μ F
10Ω
0.41Ω1W
6.34KΩ1%
1.2MΩVR
56μ F
950KΩ
VO=400VPO=60W
MULTIPLIER
RS
Q
OVER-VOTAGEDETECTION
VOLTAGEREGULATOR
DRIVER
STARTER
DISABLE
-+
-+
-+
2.5V
INTERNALSUPPLY 7V
UVLO
ZERO CURRENTDETECTOR
20V R1
R2VREF2
VCC
40K
5pF
2.3V1.8V
12 3 4
56
7
8
10KΩ
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以 UC3854為基礎之升壓型高功因 AC-DC整流器實作電路圖
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
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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
25.0
21.0.2
87.42
.1
(max)
(max)
pk
rs
pkpk
I
VR
AI
II
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
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實作成果
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IC L6561
IC UC3854
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實作內容1.電路實體圖
2.波形量測 (1)輸入電流波形追隨輸入電壓波形 (2)輸出直流電壓 (3)功率因數
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電路實體圖
25
實體電路 PCB Layout
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量測波形
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輸入電壓與輸入電流波形 輸出直流電壓 (400V)
功率因數
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實作內容一 . 檢查機制二 . 電路實體圖三 . 高功因性能四 . 穩壓性能五 . 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
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檢查機制
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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。
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
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電路實體圖
29
功率級 訊號級
實體電路
PCB Layout
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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
30
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
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高功因性能
31
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
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穩壓性能
輸入電壓變動 (110Vrms-130Vrms) 負載變動 (88W → 168W → 88W)
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不同輸入電壓之的功因量測
33
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。
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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。 34
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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:不同負載時皆為高功因且 輸出電壓維持在 400V。
35
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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。 36
Po: 88W Po: 88W→168W Po: 88W→250W
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效率曲線圖
37
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
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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.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。
3.應用 IC UC3854採平均電流控制法之高功因穩壓電路 ( 高功率 ) 。
4.應用 IC L6561採臨界導通控制法之高功因穩壓電路 ( 低功率 ) 。
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。
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