臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出一具ZVS-PWM柔性切換技術之雙向轉換器，其主要應用於電動車(EV)之電池對電池雙向儲能式充電系統。藉此系統來調節電動車充電高峰時之電力分配，以避免輸配線之負荷過載問題；再者，當市電中斷時，由於系統雙向式的設計，電動車之電能可回充至充電站的儲能電池端，達到緊急備用電源之目的。本系統以同步整流升壓式轉換器為基本架構，使得轉換器得以雙向運作。結合ZVS-PWM柔性切換技術，透過輔助開關的控制，使所有開關達到寬範圍的零電壓切換(ZVS)，以降低切換損失，可有效提升轉換器整體效率。控制核心部分以微控制器擷取回授電壓，並透過演算法則調整脈波寬度(PWM)訊號以驅動功率級電路，由數位化控制定電流/定電壓(CC/CV)混合模式充電，以避免電池壽命受損。最後本論文將藉由PSIM軟體模擬功率級電路之操作原理，並依據模擬規格實際製作出一600W之雙向式電力轉換器，實驗結果可證明此充電系統之可行性，及理論推導與模擬的正確性。

The purpose of this thesis is to realize a bidirectional converter with ZVS-PWM soft switching technology for energy storage charging systems of electric vehicles (EV). By this system, the power distribution could be regulated to avoid overload when many EVs are charging in the rush hour. Furthermore, the bidirectional design of this system could return the energy from the EV to the backup battery during the blackout. To reach the function of the bidirectional charge, the structure of this system uses a boost converter with synchronous rectification. Moreover, this system combines the ZVS-PWM soft switching with the control of the auxiliary switch so that all switches can achieve the wide range of ZVS. Due to the switching losses are reduced, the converter efficiency will be increased. About the control core of this system, a microcontroller is used to calculate the level of the feedback voltage in the output, and regulate the PWM to drive the power switches by the control algorithm. Besides, this thesis uses a two-stage charging method with constant-current and constant-voltage (CC/CV) to avoid the damage of the battery cycle life. Finally, the operating principles of the power stage circuit will be simulated by PSIM software. Some experimental results are provided to verify the correctness and feasibility of the proposed schemes.

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 論文架構 7
第二章 柔切技術之探討 8
2.1 零電壓/零電流切換半共振式電力轉換器 8
2.1.1 零電壓切換半共振式轉換器 10
2.1.2 零電流切換半共振式轉換器 11
2.2 零電壓/零電流切換PWM電力轉換器 12
2.2.1 零電壓切換PWM轉換器 13
2.2.2 零電流切換PWM轉換器 14
2.3 零電壓/零電流轉移電力轉換器 15
2.3.1 零電壓轉移電力轉換器 16
2.3.2 零電流轉移電力轉換器 17
第三章 雙向式ZVS-PWM電力轉換器 19
3.1 降壓型轉換器操作原理與分析 19
3.2 升壓型轉換器操作原理與分析 21
3.3 ZVS-PWM電力轉換器操作原理與分析 23
第四章 系統規劃與設計 44
4.1 系統規劃 44
4.1.1 dsPIC30F4011數位訊號微控制器介紹 44
4.1.2 程式流程規劃 47
4.2 硬體電路設計 48
4.2.1 儲能電感設計 48
4.2.2 輸出濾波電容設計 49
4.2.3 共振元件之設計 51
4.2.4 功率開關與二極體之選用 52
4.2.5 硬體電路實現 55
第五章 模擬與實驗結果 57
5.1 降壓模式模擬與實測波形 59
5.2 升壓模式模擬與實測波形 71
5.3 定電流/定電壓混合模式充電 89
5.4 實驗數據 90
第六章 結論與未來展望 93
6.1 結論 93
6.2 未來展望 93
參考文獻 95
附錄 PCB電路佈局圖 98
符號彙編 99
作者簡介 101

[1]G. Coppez, S. Chowdhury, and S. P. Chowdhury, “Impacts of Energy Storage in Distributed Power Generation: A Review,” in Proc. International Conference on Power System Technology, Oct. 2010, pp. 1-7.
[2]王醴、陳稚勳、羅得銘，“雙向並聯直流電能轉換模組之研製＂，中華民國第三十三屆電力工程研討會，台灣，2012，第524-530頁。
[3]K. H. Liu, and C. Y. LEE, “Zero-Voltage Switching Technique in DC/DC Converters,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 5, no. 3, July 1990, pp. 293-304.
[4]Y. C. Chuang, and Y. L. Ke, “A Novel High-Efficiency Battery Charger with A Buck Zero-Voltage-Switching Resonant Converter,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 22, no. 4, Dec. 2007, pp. 848-854.
[5] G. Hua, and F. C. Lee, “Soft-Switching Techniques in PWM Converters,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 42, no. 6, Dec. 1995, pp. 595-603.
[6]G. Hua, C. S. Leu, Y. Jiang, and F. C. Y. Lee, “Novel Zero-Voltage-Transition PWM Converters,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 9, no. 2, Mar. 1994, pp. 213-219.
[7]V. T. Valtchev, A. Bossche, J. Melkebeek, and D. D. Yudov, “Design Considerations and Loss Analysis of Zero-Voltage Switching Boost Converter,” IEE Proceedings-Electronics Power Applications, vol. 148, no. 1, Jan. 2001, pp. 20-33.
[8]J. A. Qahouq, and I. Batarseh, “Unified Steady-State Analysis of Soft-Switching DC–DC Converters,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 17, no. 5, Sep. 2002, pp. 684-691.
[9]H. Mao, O. A. Rahman, and I. Batarseh, “Zero-Voltage-Switching DC–DC Converters with Synchronous Rectifiers,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 1, Jan. 2008, pp. 369-378.
[10]黃主恩，“以數位化實現具零電流零電壓柔切式升壓型轉換器＂，碩士論文，國立臺北科技大學電機工程系，台北，2009。
[11]李書正，“交錯式同步整流降壓型轉換器的研製＂，碩士論文，國立臺北科技大學電機工程系，台北，2008。
[12]李胤辰，“具同步整流之半橋串聯共振式直流/直流轉換器研製＂，碩士論文，國立臺北科技大學電機工程系，台北，2009。
[13]劉育伶，“非浮接開關之零電流零電壓轉移柔切式升壓型電力轉換器之分析研製及控制器設計＂，碩士論文，國立成功大學工程科學系，2002。
[14]孫逸鈞，“共振開關式轉換器蓄電池充電器之研製＂，碩士論文，崑山科技大學電機工程系，台南，2004。
[15]林建億，“以數位訊號處理器實現具有相移與零電壓切換之全僑轉換器＂，碩士論文，國立臺北科技大學電機工程系，台北，2007。
[16]王秋豐，“新型零電壓切換推挽式DC/DC電力轉換器之分析與研製＂，碩士論文，國立成功大學工程科學系，台南，2005。
[17]葉怡君，“新型零電流零電壓轉移柔切式高功因AC/DC整流器＂，碩士論文，國立成功大學工程科學系，台南，2003。
[18]P. Das, B. Laan, S. A. Mousavi, and G. Moschopoulos, “A Nonisolated Bidirectional ZVS-PWM Active Clamped DC–DC Converter,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 2, Feb. 2009, pp. 553-558.
[19]P. Das, S. A. Mousavi, and G. Moschopoulos, “Analysis and Design of A Nonisolated Bidirectional ZVS-PWM DC–DC Converter with Coupled Inductors,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 25, no. 10, Oct. 2010, pp. 2630-2641.
[20]董哲明、陳星光、王钊桴、邱煌仁、羅有綱、許凱翔，“應用於不斷電系統之具零電壓切換雙向隔離型半橋直流/直流轉換器研製＂，中華民國第三十三屆電力工程研討會，台灣，2012，第2226 - 2232頁。
[21]江炫樟 編譯，「電力電子學」，台北，全華科技圖書，民國92年。
[22]鄭振東 編譯，「柔性交換式電源」，台北，全華科技圖書，民國89年。
[23]梁適安 編譯，「高頻交換式電源供應器原理與設計」，台北，全華科技圖書，民國84年。
[24]R. W. Erickson, and D. Maksimovic, “Fundamentals Power Electronics Second Edition,＂ Kluwer Academic, 2001.
[25]Microchip dsPIC30F4011/4012 Data Sheet.
[26]International Rectifier, IRFP4332 Power MOSFET datasheet.
[27]International Rectifier, IRFP260N Power MOSFET datasheet.
[28]STMicroelectronics, STPS41H100CT Power SCHOTTKY Rectifier datasheet.