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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:曾凱宏
研究生(外文):Kai-Hung Tseng
論文名稱:全橋相移式反流器之功因修正設計與探討
論文名稱(外文):The Design and Implementation of Active Power Factor Correction onFull Bridge Phase Shift Converter
指導教授:何金滿何金滿引用關係
指導教授(外文):Jin-Maun Ho
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:121
中文關鍵詞:功因修正器相移式全橋反流器
外文關鍵詞:Full Bridge Phase Shift InverterActive Power Factor Correction
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本文主要針對因橋式整流所產生的電流失真進行改善,並運用UC3854N控制IC來驅動主動功因修正器(Active Power Factor Correction ),進行交流直流轉換提供給全橋反流器(Full Bridge Phase Shift Inverter)作為穩定的電壓輸入,當中使用UC3875控制IC作脈波寬度調變(PWM)控制,使換流器在切換過程達零電壓(Zero Voltage Switching, ZVS)切換,降低切換過程所產生應力及損失,達到能源傳輸的高效率。
新的系統架構(含功因修正器)與傳統式自偶變壓器作為系統提高電壓輸出作為量測的比較,藉此印證電源供應器具低諧波、高功因、高效率及體積小之原則,因此符合電力科技產品所要求的輕、薄、短、小、效率高的要求。
This paper presents the design, experimental results and analysis of an active power factor correction on full bride phase shift inverter, it gives a steady power, low harmonics and high power factor system. And the inverter achieves the Zero-Voltage Switching (ZVS) for reducing power lost.
Finally, we could get the power system (include power factor correction) is better than one (include variable transformer) from experimental results, validate the feasibility of the implemented system in high power application.
中文摘要……………………………………………………i
英文摘要………………………………………………………ii
誌 謝………………………………………………………iii
目 錄………………………………………………………iv
表 目 錄……………………………………………………viii
圖 目 錄………………………………………………………ix

第一章 緒 論
1.1 研究動機與目的…………………………………1
1.2 研究內容…………………………………………2
1.3 研究貢獻…………………………………………2
1.4 本文架構…………………………………………3

第二章 功率因數之校正
2.1功率因數之定義…………………………………4
2.2 前置整流失真……………………………………9
2.3功因修正技術……………………………………11
2.3.1 被動式功因校正器電路………………………11
2.3.2 主動功因校正電路……………………………16
2.4昇壓型轉換器工作原理…………………………24
2.5主動修正的控制方法……………………………27
2.5.1 乘法器控制……………………………………29
2.5.2 電壓追蹤控制…………………………………31
2.6 連續導通模式與不連續導通模式之差異………33

第三章 全橋相移式反流器工作原理
3.1 硬切與軟切技術之差異…………………………35
3.1.1 硬切之意義……………………………………35
3.1.2 硬切時電壓及電流波形之軌跡………………36
3.1.3 軟切時電壓及電流波形之軌跡………………37
3.1.4 零電流切換(ZCS)零電壓切換(ZVS)之定義……37
3.2 主電路架構………………………………………38
3.3 電路動作原理……………………………………41
3.4 工作區間模式說明………………………………41
3.5 軟性切換之比較與探討…………………………49

第四章 系統架構設計與配置
4.1 系統電路架構……………………………………53
4.2 功因修正器之電路架構與說明………………54
4.2.1控制信號元件………………………………55
4.2.2主要接腳功能概述…………………………57
4.2.3平均電流輸入模式控制………………………62
4.2.4 元件使用與設計…………………………64
4.3全橋相移式反流器之電路架構與說明………69
4.3.1 控制信號元件…………………………………70
4.3.2主要接腳功能概述……………………………72
4.4反流器驅動功率開關與隔離電路………………73
4.5變壓器之設計……………………………………75
4.5.1變壓器圈數之計算……………………………75
4.5.2 飽和磁通(Bmax)對鐵芯之影響…………………76
4.5.3 變壓器實際圈數之計算………………………76
4.5.4 變壓器初級側圈數之計算……………………77
4.5.5 變壓器次級側圈數之計算……………………77
4.6 輸出端電感與電容………………………………78

第五章 實驗量測與討論
5.1 功因修正器之測量………………………………79
5.1.1 功因修正器運用在電阻性負載之量測…………79
5.1.2不同輸入電壓對功因修正器之量測…………82
5.2全橋相移式反流器之量測……………………87
5.2.1 功率開關之零電壓切換(ZVS) ………………87
5.2.2 換流器之輸出電壓與電流量測……………88
5.3未具功因修正之換流器量測…………………91
5.3.1自耦變壓器對全橋轉換系統之量測…………91
5.3.2自耦變壓器對全橋轉換系統之數據分析………93
5.4具功因修正之全橋相移換流器輸出量測………96
5.4.1 功因修正器對全橋轉換系統之波形量測………96
5.4.2 功因修正器對全橋轉換系統之量測數據分析………98
5.4.3 修正前後之轉換測量分析比較………………101
第六章 結論與展望………………………………………103
參考文獻………………………………………………105
作者簡歷………………………………………………107

表 目 錄

表2.1 IEC-555-2 Class D…………………………………………10
表2.2 IEEE-519 的諧波電流失真(Ih/I1)…………………………11
表4.1 UC3854N 控制IC腳位功能說明…………………………56
表4.2 POWER MOSFET IRFP460規格表………………………69
表4.3 UC3875 控制IC腳位功能說明……………………………71
表5.1 不同輸入交流電壓情況之功率因數(PF)量測
(修正前後)…………………………………………………83
表5.2 在不同輸入電壓情況之電流總諧波失真
(THD%)………………………………………………………85
表5.3 反流器以380V直流電壓輸入之量測數據表
(自耦變壓器)………………………………………………93
表5.4 反流器以380V直流電壓輸入之量測數據表
(功因修正器)………………………………………………98

圖 目 錄

圖2.1 電感與電容性負載之電壓電流波形相對關係圖……………5
圖2.2 全橋式二極體整流器的電路與電流波形……………………10
圖2.3 功因校正調整後之電感性負載電路…………………………12
圖2.4 π型濾波器……………………………………………………13
圖2.5 電壓vs與電流is波形圖………………………………………13
圖2.6 部份濾波器電路架構圖………………………………………14
圖2.7 部份濾波器輸出波形圖………………………………………15
圖2.8 部份濾波電路操作等效示意圖………………………………16
圖2.9 反向轉換器架構圖……………………………………………17
圖2.10 反向轉換器之等效電路………………………………………18
圖2.11 昇壓轉換器架構圖……………………………………………19
圖2.12 昇壓轉換器之等效電路………………………………………20
圖2.13 反向昇壓轉換器架構圖………………………………………21
圖2.14 反向昇壓轉換器之等效電路…………………………………21
圖2.15 Cùk轉換器架構圖……………………………………………22
圖2.16 Cùk轉換器之等效電路………………………………………23
圖2.17 DC-DC轉換器之輸出特性曲線比較圖……………………24
圖2.18 昇壓轉換器之操作波形(連續模式)…………………………26
圖2.19 主動功率因數校正原理架構圖………………………………28
圖2.20 峰值電流示意圖………………………………………………30
圖2.21 平均電流模式示意圖…………………………………………31
圖2.22 磁滯電流示意圖………………………………………………32
圖2.23 變頻操作下的DCM示意圖…………………………………33
圖2.24 定頻操作下的DCM示意圖…………………………………34
圖3.1 功率開關元件…………………………………………………35
圖3.2 功率開關元件硬切時電壓及電流波形軌跡圖………………36
圖3.3 功率開關元件軟切時電壓及電流波形軌跡圖………………37
圖3.4 開關控制信號時序圖及變壓器一次側電壓、電流波形……39
圖3.5 全橋相移式反流器基本電路架構圖…………………………39
圖3.6 ip功率輸出過程(t0~t1)………………………………………41
圖3.7 超前橋臂諧振過程(t1~t2)………………………………43
圖3.8 ip正半周箝位續流過程(t2~t3)…………………………45
圖3.9 開關S4截止後滯後橋臂諧振過程(t3~t4)………………46
圖3.10 諧振結束(t4~t5)…………………………………………48
圖3.11 電流反相前半週期結束(t5~t6)………………………………49
圖3.12 硬切開關與軟切開關示意圖…………………………………50
圖4.1 整各電源供應系統的架構圖…………………………………53
圖4.2 UC3854N內部功能圖………………………………………55
圖4.3 UC3854N 控制IC腳位圖……………………………………56
圖4.4 實際控制電路與主架構圖……………………………………57
圖4.5 VSENSE電壓檢測電路圖……………………………………58
圖4.6 電源電流IAC電路圖…………………………………………58
圖4.7 電流檢測電路圖………………………………………………59
圖4.8 有效電壓檢測電路圖…………………………………………60
圖4.9 PWM頻率控制電路圖………………………………………61
圖4.10 限定電檢測電流最大電路圖…………………………………62
圖4.11 平均電流模式雙迴路控制……………………………………62
圖4.12 脈波寬度調變波形……………………………………………63
圖4.13 實作設計電路結構圖…………………………………………64
圖4.14 UC3875方塊圖………………………………………………70
圖4.15 UC3875 控制IC腳位圖…………………………………71
圖4.16 UC3875 控制電路圖…………………………………………72
圖4.17 驅動隔離電路…………………………………………………74
圖4.18 驅動功率晶體獨立電源………………………………………74
圖4.19 TDK Ferrite Cores EE55 B-H曲線圖………………………76
圖5.1 功因修正器實際量測配置圖……………………………79
圖5.2 輕載(100W)之輸入電壓與電流波形(未修正)………………80
圖5.3 輕載(100W)之輸入電壓與電流波形(修正後)………………80
圖5.4 滿載(500W)之輸入電壓與電流波形(未修正)……………81
圖5.5 滿載(500W)之輸入電壓與電流波形(修正後)………………81
圖5.6 不同輸入電壓之功率因數比較(未修正)…84
圖5.7 不同輸入電壓之功率因數比較(修正後)……………………84
圖5.8 不同輸入電壓之電流總諧波失真比較(未修正)……………85
圖5.9 不同輸入電壓之電流總諧波失真比較(修正後)……………86
圖5.10 功率開關上的Vgs與Vds的波形圖…………………………87
圖5.11 變壓器一次側之電壓與電流波形…………………………88
圖5.12 變壓器二次側之電壓與電流波形…………………………89
圖5.13 變壓器兩側之電壓波形………………………………………89
圖5.14 變壓器一次側之電壓與電流波形…………………………90
圖5.15 變壓器二次側之電壓與電流波形…………………………90
圖5.16 自耦變壓器昇壓輸入換流器系統實際量測配置圖………91
圖5.17 自耦變壓器提升輸入之電壓與電流波形(輕載100W) ……92
圖5.18 自耦變壓器提升輸入之電壓與電流波形(滿載500W) ……92
圖5.19 輸入功率(W)與功率因數(PF)之關係圖……………………94
圖5.20 輸入功率(W)與電流總諧波失真(THD%)之關係圖……94
圖5.21 輸入功率與輸出效率之關係圖………………………………95
圖5.22 功因修正器昇壓昇壓輸入換流器系統實際量測配置圖……96
圖5.23 功因修正器運用在反流器之輸入電壓與電流波形(輕載) …96
圖5.24 功因修正器運用在反流器之輸入電壓與電流波形(滿載) …97
圖5.25 輸入功率(W)與功率因數(PF)之關係圖(功因修正器) ……97
圖5.26 輸入功率與電流總諧波失真量關係圖(功因修正器) ………99
圖5.27 輸入功率與輸出效率關係圖(功因修正器)………………100
圖5.28 輸入功率(W)與電流總諧波失真(THD%)比較圖
(自耦變壓器與功因修正器) ………………………………101
圖5.29 輸入功率(W)與功率因數(PF)比較圖
(自耦變壓器與功因修正器) ………………………………102
圖5.30 輸入功率(W)與輸出效率比較圖
(自耦變壓器與功因修正器) ………………………………102
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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