採用平板鐵氧體磁芯電感器之升壓式功率因數修正交直流轉換器設計

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許嚴達(Yen-ta Hsu) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系在職專班

論文名稱

採用平板鐵氧體磁芯電感器之升壓式功率因數修正交直流轉換器設計
(Design of a Boost Power Factor Correction AC/DC Converter using Planar Ferrite Core Transformer)

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摘要(中)

隨著世界各國對於消費性電器之功率因數的要求制式化，交流轉直流電源轉換器必須符合如EN61000-3-2、Energy Star等各項國際安全規範才可行銷世界各地。考量升壓功率因數校正電路所呈現之總諧波失真值最低、可達最高的功率因數值，本論文採用此電路架構，以設計符合400V的高電壓輸出之應用。為呼應學界與業界逐漸流行的平面被動元件技術，本論文採用平板鐵氧體磁芯電感器使升壓功率因數校正電路達到高功率密度，滿足降低整體系統體積的優點。
本論文首先將探討功率因數與總諧波失真之關聯性與其物理意義；接者逐一介紹被動式功因校正電路、主動式功因校正電路，並比較降壓功因校正電路與升壓功因校正電路之優缺點、單級與雙級式高功率因數轉換器之差異。另外，本論文亦探討升壓功率因數校正電路在連續與非連續導通模式之操作之行為，並逐一介紹功因校正電路之各子電路區塊，再對升壓功率因數校正電路進行小訊號模型之分析。對於所採用的平板鐵氧體磁芯電感器本論文亦詳加以介紹。
最後，為了驗證本論文所提之設計，透過電路模擬與實際量測結果可驗證本升壓功率因數校正電路在各種不同輸入電壓、不同輸出功率的情況下，其功率因數值與總諧波失真值皆符合國際規定、其高轉換效率滿足高功率、高電壓需求之消費性電器之應用。

摘要(英)

With the requirement of Power Factor (PF) are being set to standards, commercial electrical products must pass globally recognized standards such as the European EN61000-3-2 and the Energy Star Program Requirements to be sold around the globe. Under the consideration for minimum Total Harmonic Distortion (THD) and maximum PF, the Boost Power Factor Correction (PFC) topology is used to meet the demands for applications with a 400 V high voltage output. To take advantage in the recent advance in planar passive components, a planar ferrite core transformer is used with the proposed Boost PFC circuit, which allows high power density and decreases the overall volume of the system.
This thesis begins with the discussion regarding the relationship and physical significance between THD and PF. Comparisons between passive and active PFC circuits, Buck PFC circuits and Boost PFC circuits, single stage PFC circuits and multi stage PFC circuits, are given respectively. This thesis also compares the differences in circuit operation regarding the continuity of transformer current. The operations of each circuit blocks are given in detail, and a small-signal model is derived for analysis. The metal core planar transformer technology is also introduced.
Finally, in order to verify the design proposed in this thesis, circuit simulation and actual measurement are conducted. Simulation results suggest that the proposed PFC circuit provides sufficient PF and THD ratings for many major international standards under various input voltage and output loading conditions. Its high power conversion efficiency also satisfies the need for commercial electrical products requiring high input voltage and demands high power consumption.

關鍵字(中)

★ 功率因數
★ 升壓功率因數校正電路
★ 平板鐵氧體磁芯電感器

關鍵字(英)

★ Power Factor
★ Boost PFC circuit
★ Planar Transformers

論文目次

目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 xi
第一章緒論 1
1.1 研究動機與背景 1
1.2 EN61000-3-2之規範 4
1.3 文獻回顧與未來趨勢 7
1.4 論文大綱 7
1.5 本文貢獻 8
第二章功率因數與功因校正 10
2.1 功率因數(PF) 10
2.2 典型功率因數校正電路運作原理 17
2.3 降壓功因校正電路與升壓功因校正電路之優缺點 27
2.4 單級式控制與雙級式控制功因校正電路之比較 30
第三章升壓功率因數校正電路分析與設計 35
3.1 功率因數校正電路之操作方法與模式 35
3.2 操作於臨界電流導通模式之升壓功率因數校正電路設計 38
3.3 用於升壓功率因數校正電路之平板鐵氧體磁芯電感器 53
3.4 整體電路實現 58
第四章功率因數校正電路之小訊號模型與模擬 61
4.1 功率因數校正電路之小訊號模型 61
4.2 功率因數校正電路之PSIM模擬 65
第五章量測結果 78
第六章結論與未來研究方向 102
參考資料 104
作者簡歷 108
圖目錄
圖1.1 (a)交流／直流轉換電路與其(b)電壓與電流波形 2
圖2.1 輸入電壓VAC與輸入電流IIN在(a)理想狀態PF=1(b)線性負載，PF<1(c)非線性負載PF<1之關係 11
圖2.2 線性電路之實功、虛功、複數功率、與相角 12
圖2.3 典型直流轉直流電源轉換器 ……..13
圖2.4 非線性電路之實功、虛功、複數功率、與相角差 16
圖2.5 透過功率因數校正電容實現之被動式功率因數校正電路 18
圖2.6 應用(a)L-型濾波器與(b)π-型濾波器實現之被動式功率因數校正電路 19
圖2.7 (a)降壓(Buck)、(b)升壓(Boost)、(c)輸出電壓為反極性的Buck-Boost或者是(d)返馳式(Flyback) 功率因數校正電路 22
圖2.8 (a)升壓直流／直流轉換器在M2導通時之情況與(b)右半平面零點 24
圖2.9 (a)感光雙接面電晶體與(b)感光二極體所實現之光電耦合元件 27
圖2.10 (a)多級式控制功率因數校正電路系統(b)單級式控制功率因數校正電路系統 32
圖2.11 (a)功率因數校正電路之補償器與(b)直流／直流轉換器三階補償器 34
圖2.12 升壓功率因數校正電路與降壓直流／直流轉換器合併之範例 34
圖3.1 (a)連續電流導通模式(b)非連續電流導通模式(c)臨界電流導通模式 36
圖3.2 操作於臨界電流導通模式之升壓功率因數校正電路 38
圖3.3 VRECT電壓值與切換頻率之關係 41
圖3.4 零電流偵測電路 43
圖3.5 零電流偵測電路之輸出波形 44
圖3.6 交流電流位移輸入位移因數 47
圖3.7 二階比例－積分PI 補償器 49
圖3.8 二階比例－積分PI 補償器之頻率響應 50
圖3.9 傳統線圈 53
圖3.10 由印刷電路板構成之平板鐵氧體磁芯電感器 54
圖3.11 電感器上的寄生漏電電感 54
圖3.12 由印刷電路板構成之平板鐵氧體磁芯電感器拆解圖 55
圖3.13 50元硬幣、200W平板鐵氧體磁芯電感器、與200W傳統電感器比較圖 56
圖3.14 50元硬幣、200W平板鐵氧體磁芯電感器、與200W傳統電感器之厚度比較圖 56
圖3.15 平板鐵氧體磁芯電感器交錯印刷電路板 57
圖3.16 採用AN-6961設計之升壓功率因數校正電路 59
圖4.1 電感LMAIN之電流波型IL 62
圖4.2 功率因數校正電路精簡圖 62
圖4.3 功率因數校正電路小訊號圖 64
圖4.4 用於PSIM模擬之功率因數校正電路圖 65
圖4.5 觀測模擬波型圖之SimView 66
圖4.6 暫態模擬之設定 66
圖4.7 電晶體之特性設定 67
圖4.8 二極體之特性設定 67
圖4.9 (a)輸入電流IIN之模擬波形與(b)穩態波形 68
圖4.10 (a)整流電壓VRECT之模擬波形與(b)穩態波形 69
圖4.11 (a)電感電流IL,MAIN之模擬波形與(b)穩態波形 70
圖4.12 VAC週期開始電晶體之控制電壓與IIN之對應關係 71
圖4.13 VAC半週期電晶體之控制電壓與IIN之對應關係 71
圖4.14 (a)負載電壓VOUT之模擬波形與(b)穩態波形 72
圖4.15 (a)負載電流IOUT之模擬波形與(b)穩態波形 73
圖4.16 功率因數校正電路之頻率響應 74
圖4.17 功率因數校正電路與對輸入電流IIN影響之頻譜分析圖 75
圖5.1 本論文所提之功率因數校正電路量測電路板 78
圖5.2 本論文用於量測功率因數校正電路之儀器 79
圖5.3 輸入電壓為85V、輸出功率為100W之(a)輸入功率值、THDi值(b)功率因數校正電路之PF值(c)輸出功率值 80
圖5.4 輸入電壓為85V、輸出功率為100W之(a)輸入電壓與輸入電流之關係、(b)功率電晶體切換訊號與電感電流之關係 81
圖5.5 輸入電壓為85V、輸出功率為200W之(a)輸入功率值、THDi值(b)功率因數校正電路之PF值(c)輸出功率值 82
圖5.6 輸入電壓為85V、輸出功率為200W之(a)輸入電壓與輸入電流之關係、(b)功率電晶體切換訊號與電感電流之關係 83
圖5.7 輸入電壓為110V、輸出功率為100W之(a)輸入功率值、THDi值(b)功率因數校正電路之PF值(c)輸出功率值 84
圖5.8 輸入電壓為110V、輸出功率為100W之(a)輸入電壓與輸入電流之關係、(b)功率電晶體切換訊號與電感電流之關係 85
圖5.9 輸入電壓為110V、輸出功率為200W之(a)輸入功率值、THDi值(b)功率因數校正電路之PF值(c)輸出功率值 86
圖5.10 輸入電壓為110V、輸出功率為200W之(a)輸入電壓與輸入電流之關係、(b)功率電晶體切換訊號與電感電流之關係 87
圖5.11 輸入電壓為220V、輸出功率為100W之(a)輸入功率值、THDi值(b)功率因數校正電路之PF值(c)輸出功率值 88
圖5.12 輸入電壓為220V、輸出功率為100W之(a)輸入電壓與輸入電流之關係、(b)功率電晶體切換訊號與電感電流之關係 89
圖5.13 輸入電壓為220V、輸出功率為200W之(a)輸入功率值、THDi值(b)功率因數校正電路之PF值(c)輸出功率值 90
圖5.14 輸入電壓為220V、輸出功率為200W之(a)輸入電壓與輸入電流之關係、(b)功率電晶體切換訊號與電感電流之關係 91
圖5.15 輸入電壓為250V、輸出功率為100W之(a)輸入功率值、THDi值(b)功率因數校正電路之PF值(c)輸出功率值 92
圖5.16 輸入電壓為250V、輸出功率為100W之(a)輸入電壓與輸入電流之關係、(b)功率電晶體切換訊號與電感電流之關係 93
圖5.17 輸入電壓為250V、輸出功率為200W之(a)輸入功率值、THDi值(b)功率因數校正電路之PF值(c)輸出功率值 94
圖5.18 輸入電壓為250V、輸出功率為200W之 (a) 輸入電壓與輸入電流之關係、(b) 功率電晶體切換訊號與電感電流之關係 95
圖5.19 採用傳統線圈輸入電壓為110V、輸出功率為100W之(a) 輸入功率值(b) 輸出功率值 96
圖5.20 採用傳統線圈輸入電壓為110V、輸出功率為200W之(a) 輸入功率值(b) 輸出功率值 97
圖5.21 採用傳統線圈輸入電壓為220V、輸出功率為100W之(a) 輸入功率值(b) 輸出功率值 98
圖5.22 採用傳統線圈輸入電壓為220V、輸出功率為200W之(a) 輸入功率值(b) 輸出功率值 99
表目錄
表1.1 Class A電器產品之諧波電流限制 5
表1.2 Class B電器產品之諧波電流限制 5
表1.3 Class C電器產品之諧波電流限制 6
表1.4 Class D電器產品之諧波電流限制 6
表1.5 鐵氧體磁芯平面電感器與傳統電感器比較表 9
表2.1 傅立葉級數ah與bh對不同的波形之對應值 14
表3.1 功率因數校正電路操作模式比較 37
表3.2 AN-6961元件列表 60
表3.3 AN-6961之腳位 60
表4.1 PF值、THDi值、轉換效率之模擬結果對照表 76
表5.1 PF值、THDi值、轉換效率之量測結果對照表 100
表5.2 採用傳統線圈與平板鐵氧體磁芯電感器之轉換效率之量測結果對照表 100

表目錄
表1.1 Class A電器產品之諧波電流限制 5
表1.2 Class B電器產品之諧波電流限制 5
表1.3 Class C電器產品之諧波電流限制 6
表1.4 Class D電器產品之諧波電流限制 6
表1.5 鐵氧體磁芯平面電感器與傳統電感器比較表 9
表2.1 傅立葉級數ah與bh對不同的波形之對應值 14
表3.1 功率因數校正電路操作模式比較 37
表3.2 AN-6961元件列表 60
表3.3 AN-6961之腳位 60
表4.1 PF值、THDi值、轉換效率之模擬結果對照表 76
表5.1 PF值、THDi值、轉換效率之量測結果對照表 100
表5.2 採用傳統線圈與平板鐵氧體磁芯電感器之轉換效率之量測結果對照表 100

參考文獻

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指導教授

林法正(Fa-jeng Lin)

審核日期

2013-8-19

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