臺灣博碩士論文加值系統

本篇論文主要是以 PIC18F4520單晶片為核心，利用高頻脈衝變壓器，觸發可控矽整流子之數位化全橋整流電源控制器的設計與實現。本系統具有緩衝起動、最大電壓輸出量限制、基本輸出量、外部類比訊號輸入、超溫保護及過電流跳脫等功能。在軟體設計上擁有九種控制模式來操控可控矽整流子導通角度及輸出電壓、電流之變化。在硬體架構上運用三種不同的觸發方式推動直流負載，為了提高系統輸出的穩定度及可靠度，其閉迴路系統採用比例積分方式撰寫，並且搭配 AD736將回授量轉換成電壓值以提供單晶片處理。
模擬方面主要探討控制器輸出並接第二級主動功率因數校正器 (APFC boost)的可行性、在不同控制模式之下程式編寫上的差異性、在不同特性負載之下電壓電流的輸出波形及如何設計最佳的緩振電路。實測方面特別針對永磁式直流馬達負載，在全橋半控與全橋全控架構之下，其電源側功率因數及電流諧波成份的分析與比較，最後結果均符合歐規電流諧波管制標準 (IEC 61000-3-2 類別A)。模擬和實驗驗証所提可受控全橋式整流數位化控制系統的性能。

This paper designs and implements the digital full-bridge rectifier power controller of controllable silicon rectifier by employing a high-frequency pulse transformer based on PIC18F4520. This system features buffer starting, output voltage limit, basic output level, external analog signal input, overheat protection, and overload trip. In the software design, there are nine modes to control the silicon commutator’s conduction angle, output voltage, and current variations. In the hardware architecture, three trigger modes are used to drive the DC load. To improve the stability and reliability of the system output, a proportional-integral controller is used in the closed-loop system along with AD736 to convert the feedback into a voltage value for single chip processing.
In terms of simulation, this paper focuses on the feasibility of the connection between controller output and secondary active power factor correction (Active power factor correction boost), programming differences under different control modes, output voltage, and current waveforms under different loads and the best design of a snubber circuit. In terms of the actual experiments, the analytical comparisons specific to the power factor at the power supply side and the current harmonic components for permanent magnetic DC motor load under both full-bridge half-controlled and full-bridge full-controlled architecture are in line with the EU Electromagnetic Compatibility (IEC 61000-3-2 Class A). The simulation and experiments verify the performance of the proposed controllable full-bridge rectifier digital control system.

目錄
摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 1
1.3 論文貢獻 7
1.4 論文內容概述 8
第二章 系統描述和設計 9
2.1 前言 9
2.2 系統概述 9
2.3 閘流體SCR的保護 10
2.3.1 常見的破壞現象 10
2.3.2 過電流保護 13
2.3.3 過電壓保護 14
2.3.4 緩振保護電路的設計 15
2.3.5 散熱裝置及過溫度保護 20
2.4 閘流體SCR的選擇 23
2.5 整流電路介紹 23
2.6 觸發電路介紹 24
2.7 單晶片PIC18F4520介紹 25
2.8 PI控制系統介紹 25
2.9 本章結論 29
第三章 可受控全橋整流電路原理分析 30
3.1 前言 30
3.2 工作原理分析 30
3.2.1 純電阻負載 32
3.2.2 阻感性負載 34
3.2.3 直流電動機負載 39
3.3 電源側功率因數分析與諧波 47
3.4 本章結論 49
第四章 電路架構與軟體規劃 50
4.1 前言 50
4.2 硬體電路架構 50
4.2.1 可受控全橋整流 55
4.2.2 觸發電路 57
4.2.3 電源零交越點取樣 58
4.2.4 輔助電源供應系統 59
4.2.5 單晶片接腳定義 60
4.2.6 外部訊號轉換電路 60
4.2.7 電壓與電流回授電路 61
4.3 系統軟體規劃 62
4.3.1 開發環境簡介 62
4.3.2 主程式架構 64
4.3.3 中斷與周邊功能說明 67
4.3.4 軟體保護機制 68
4.4 本章結論 68
第五章 模擬與實驗結果 69
5.1 前言 69
5.2 程式模擬分析 69
5.2.1 調相緩衝模式 71
5.2.2 平均分佈模式 71
5.2.3 通斷取樣模式 72
5.2.4 半控換流模式 72
5.3 電路模擬分析 73
5.3.1 純電阻負載 74
5.3.2 阻感性負載 74
5.3.3 直流電動機負載 75
5.4 電路實際量測 76
5.4.1 PIC單晶片訊號量測 76
5.4.2 白熾燈量測 77
5.4.3 繞線電阻量測 82
5.4.4 直流馬達量測 88
5.5 元件工作溫度比較 98
5.6 本章結論 99
第六章 結論與未來研究方向 100
6.1 結論 100
6.2 未來研究方向 100
參考文獻 101
作者簡歷 105
 
表目錄
表2.1 緩振電路設計相關條件 (參數值與定義值) 17
表2.2 散熱片表面積與熱阻值估算 22
表2.3 整流方式的失控時間 (f=60Hz) 27
表5.1 以IEC 61000-3-2類別A分析電源側電流諧波成份 (平均零位輸入50%時) 80
表5.2 以IEC 61000-3-2類別A分析電源側電流諧波成份 (取樣式零位輸入50%時) 81
表5.3 以IEC 61000-3-2類別A分析電源側電流諧波成份 (導通角90°) 86
表5.4 以IEC 61000-3-2類別A分析電源側電流諧波成份 (導通角180°) 87
表5.5 以IEC 61000-3-2類別A分析電源側電流諧波成份 (馬達負載導通角90°) 90
表5.6 以IEC 61000-3-2類別A分析電源側電流諧波成份 (半控模式) 95
表5.7 以IEC 61000-3-2類別A分析電源側電流諧波成份 (全控模式) 96

圖目錄
圖2.1 可控矽整流子開關順向電壓時觸發導通過程 10
圖2.2 過電壓破壞短路現象 11
圖2.3 激增電流破壞短路現象 11
圖2.4 過電流破壞現象 12
圖2.5 閘極電力破壞現象 12
圖2.6 可控矽整流子整流時易引起過電流的因素 13
圖2.7 過電流保護處置作法 13
圖2.8 引發過電壓的因素 14
圖2.9 過電壓保護處置作法一 14
圖2.10 過電壓保護處置作法二 15
圖2.11 緩振電容器充電路徑與放電路徑 16
圖2.12 市電電源為負半週時 18
圖2.13 可控矽整流子 40TPS12廠商資料手冊(一) 19
圖2.14 散熱情況分析示意圖和等效電路 21
圖2.15 可控矽整流子 40TPS12廠商資料手冊(二) 22
圖2.16 全橋半控與全橋全控電路架構 23
圖2.17 高頻脈衝觸發電路圖 24
圖2.18 電壓回授PI控制時域系統方塊圖 26
圖2.19 電流回授PI控制時域系統方塊圖 26
圖2.20 比例-積分閉回路控制之S域系統方塊圖 27
圖2.21 閉回路控制系統等效方塊圖 28
圖2.22 比例-積分數位控制系統之連續嚮應 28
圖2.23 比例-積分數位控制系統之離散化 (取樣時間8.33 ms) 28
圖3.1 可控矽整流子開關均截止狀態等效電路 30
圖3.2 可控矽整流子開關由截止至導通狀態等效電路 30
圖3.3 可控矽整流子開關維持導通狀態等效電路 31
圖3.4 可控矽整流子開關由導通至截止狀態等效電路 31
圖3.5 電阻性負載為電阻100 Ω之電壓、電流波形 32
圖3.6 延遲角度由0°至180°與電阻負載平均值電壓之特性曲線圖 33
圖3.7 阻感性負載為電阻10 Ω串聯電感20 mH之非連續電流模式 34
圖3.8 阻感性負載為電阻1 mΩ串聯電感1 mH之連續電流模式 37
圖3.9 延遲角度由0°至180°與阻感性負載平均值電壓之特性曲線圖 38
圖3.10 四極21槽雙層單式波繞之電樞繞組展開圖 39
圖3.11 並激式永磁直流馬達 40
圖3.12 直流馬達負載之不連續電流模式 40
圖3.13 直流馬達負載輸出電壓於零電流區間之振鈴現象 41
圖3.14 直流馬達負載操作在半控模式下電壓與電流波形 43
圖3.15 直流馬達負載操作在全控模式下電壓與電流波形 45
圖3.16 延遲角度由0°至180°與直流馬達負載平均值電壓之特性曲線圖 46
圖3.17 單相整流PFC Boost主動功率因素校正模擬電路 47
圖3.18 單相相控整流並入主動功率因素校正之模擬電路 48
圖3.19 單相相控整流導通角90°時電壓、電流模擬 (電阻負載) 48
圖3.20 單相相控整流導通角90°並接APFC Boost功因校正電路模擬 (電阻負載) 48
圖3.21 單相相控整流導通角90°時電壓、電流模擬 (阻感性負載) 49
圖3.22 單相相控整流導通角90°並接APFC Boost功因校正電路模擬 (阻感性負載) 49
圖4.1 硬體電路架構方塊圖 50
圖4.2 精簡型，實體電路 51
圖4.3 增強型，實體電路 52
圖4.4 精簡型與增強型，硬體電路架構方塊圖 53
圖4.5 增強型，主控制板實體圖 53
圖4.6 回授型，硬體電路架構方塊圖 54
圖4.7 回授型，實體電路 54
圖4.8 可受控全橋整流電路 55
圖4.9 增強型RC緩振電路線路佈局圖 55
圖4.10 增強型可控矽整流子週邊接線 56
圖4.11 增強型RC緩振電路 56
圖4.12 精簡型觸發電路，採同時觸發方式 57
圖4.13 增強型觸發電路，採各別獨立觸發方式 57
圖4.14 精簡型電源零交越點取樣電路 58
圖4.15 增強型電源零交越點取樣電路 58
圖4.16 精簡型輔助電源電路 59
圖4.17 增強型輔助電源供應系統方塊圖 59
圖4.18 核心處理器I/O接腳規劃 60
圖4.19 外部訊號轉換電路 60
圖4.20 回授型電源側電流回授訊號放大電路 61
圖4.21 回授型負載側電壓回授訊號放大電路 61
圖4.22 開發環境視窗畫面介紹 62
圖4.23 模擬/燒錄器+通用編程模塊 63
圖4.24 程式架構方塊圖 64
圖4.25 電源半週期之MCU操控概念圖 65
圖4.26 主程式流程圖 66
圖4.27 具高、低優先權中斷服務流程圖 67
圖5.1 標準型的四種控制模式 69
圖5.2 電壓、電流回授型的八種控制模式 70
圖5.3 調相緩衝程式模擬圖 71
圖5.4 平均分佈程式模擬圖 71
圖5.5 通斷取樣程式模擬圖 72
圖5.6 半控換流程式模擬圖 72
圖5.7 模擬電路整體架構 73
圖5.8 延遲角90°負載0.5 Ω時輸出電流模擬波形 73
圖5.9 延遲角90°負載10 Ω時直流側及電源側模擬波形 74
圖5.10 延遲角90°負載10 Ω串聯20 mH電感之直流側及電源側模擬波形 74
圖5.11 延遲角90°負載10 Ω串聯20 mH電感及反電勢15伏之模擬波形 75
圖5.12 工作頻率45 Hz輸入電源30 Vrms及電源同步訊號 76
圖5.13 工作頻率85 Hz輸入電源30 Vrms及輸出電壓波形 76
圖5.14 平均式零位輸入訊號50 %時電源側電壓電流波形 77
圖5.15 平均式零位輸入訊號50 %時負載側電壓電流波形 77
圖5.16 具相位啟動取樣式零位輸入訊號50 %時電源側電壓電流波形 78
圖5.17 具相位啟動取樣式零位輸入訊號50 %時負載側電壓電流波形 78
圖5.18 平均式零位輸入訊號50 %時電源側電流諧波成份量測 79
圖5.19 具相位啟動取樣式零位輸入訊號50 %時電源側電流諧波成份量測 79
圖5.20 電阻負載調相控制導通角90°時電源側電壓電流波形 82
圖5.21 電阻負載調相控制導通角90°時負載側電壓電流波形 82
圖5.22 調相控制導通角180°輸出之電源側電壓電流波形 83
圖5.23 調相控制導通角180°之負載側電壓電流波形 83
圖5.24 調相控制導通角90°時電源側功率因數 84
圖5.25 調相控制導通角180°之電源側功率因數 84
圖5.26 調相控制導通角90°時電源側電流諧波成份量測 85
圖5.27 調相控制導通角180°時電源側電流諧波成份量測 85
圖5.28 馬達負載─調相控制導通角90°時電源側電壓電流波形 88
圖5.29 馬達負載─調相控制導通角90°時負載側電壓電流波形 88
圖5.30 馬達負載─調相控制導通角90°之電源側功率因素 89
圖5.31 馬達負載─調相控制導通角90°時電源側電流諧波成份量測 89
圖5.32 馬達負載─半控模式下轉速為0時負載側電壓電流波形 91
圖5.33 馬達負載─全控模式下轉速為0時負載側電壓電流波形 91
圖5.34 馬達負載─半控模式下轉速為473 rpm時負載側電壓電流波形 92
圖5.35 馬達負載─全控模式下轉速為473 rpm時負載側電壓電流波形 92
圖5.36 馬達負載─半控模式下轉速為473 rpm時之電源側功率因數 93
圖5.37 馬達負載─全控模式下轉速為473 rpm時之電源側功率因數 93
圖5.38 馬達負載─半控模式下轉速為473 rpm時之電流諧波量測 94
圖5.39 馬達負載─全控模式下轉速為473 rpm時之電流諧波量測 94
圖5.40 以IEC 61000-3-2類別A分析電源側電流諧波成份 97
圖5.41 可控矽整流子開關未加裝散熱片之溫度 98
圖5.42 電路板上OPA放大器之溫度 98
圖5.43 輔助電源IC7912之溫度 99
圖5.44 高頻脈衝變壓器之溫度 99

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[50]白中和，圖解簡明大功率電子電路原理與應用，建興文化事業有限公司，新北市，第123-127頁，2007。
[51]國立西螺農工職校教學資源網站電工機械教材, http://tsvr.hlvs.ylc.edu.tw/tp/teacher/weichun58/.../..%5C教學資源%5C3-1.ppt, Oct. 2009。
[52]可控矽整流子 40TPS12廠商資料手冊, http://ic.laogu.com/datasheet/4/40TPS_IRF_156394.pdf, Jan. 2007。