臺灣博碩士論文加值系統

本論文旨在研製一台應用於直流微電網之三階半橋式串聯-串聯諧振轉換器，其兩側的元件皆為對稱，利用三階電路架構來降低元件應力，並透過箝位二極體及箝位電容，來平衡開關元件上的應力，再搭配適合的諧振槽設計，來讓功率開關達成零電壓切換，以利於減少切換損失，在二次側方面，則加入同步整流進一步減少損失，來提高整體電路效率。
本論文實際完成一台規格為輸出功率1.5 kW、輸入電壓1 kV、輸出電壓420 V及輸出電流3.5 A的三階半橋式串聯-串聯諧振轉換器，並搭配數位信號處理器實現，實驗結果顯示效率可達到97 %以上。

關鍵字：直流微電網系統、多階串聯-串聯諧振轉換器、柔切技術、元件電壓應力均壓、固態變壓器。

This thesis aims to develop a three-level half-bridge series-series resonant converter for DC high-voltage micro-grid. All components at the primary and secondary sides are the same. The clamped diode and capacitor can balance voltage stresses on all components. With the proper design of the resonant tanks. It achieves quasi-zero-current switching to reduce the switching loss. On the secondary side, synchronous rectification is added to further reduce losses and improve circuit efficiency.
The circuit specifications are 1.5 kW rated power, 1 kV input voltage, 420 V output voltage, and 3.5 A output current. A digital signal processor (DSP) chip is used to realize the digital controller of this converter. The measured efficiency can be up to 97 % under different load conditions.

Keywords: DC Micro-grid Systems, Multi-level Series Resonant Converter, Soft Switching Technology, Components Voltage Stress Equalization, Solid state transformer.

頁數
摘要 i
Abstract ii
誌 謝 iii
目錄 iv
圖索引 vii
表索引 x
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與相關說明 1
1.2 章節大綱 5
第二章 三階半橋式串聯-串聯諧振轉換器 6
2.1 主電路架構說明 6
2.2 電路諧振槽特性分析 17
2.2.1 Duty值對電路影響 18
2.2.2 K值對電路影響 21
2.2.3 Q值對電路影響 21
2.3 柔性切換介紹與說明 22
第三章 電路硬體設計 26
3.1 電路規格 26
3.2 諧振槽與相關參數設計 26
3.3 變壓器設計 29
3.4 被動元件設計與選用 32
3.4.1 箝位電容 32
3.4.2 箝位二極體 34
3.4.3 輸入與輸出電容 34
3.5 主動元件設計 35
第四章 數位控制信號設計 36
4.1 控制架構相關介紹 36
4.2 韌體流程規劃說明 37
第五章 模擬與實作驗證 40
5.1 模擬結果 40
5.2 實驗波形 44
5.3 實驗數據 47
第六章 結論與未來展望 48
6.1 結論 48
6.2 未來展望 49
參考文獻 50

[1] Y. Wang, Y. B. Zhang, D. L. Zhao and H. Huang, “The Technical Trends and Suggestions on the Development of DC Power Grid,” in Proc. International Conference on Power System Technology, 2014, pp.1975-1979.
[2] D. V. Hertem and M. Ghandhari, “Multi-terminal VSC HVDC for the European supergrid: Obstacles,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, no. 9, pp. 3156–3163, 2010.
[3] 吳進忠，大量再生能源併網的衝擊與電力調度因應策略專題報告，2020年。
http://www.cie.org.tw/cms/JournalFiles/10903_chapter09.pdf。
[4] 王釗桴，高功率隔離型雙向三相直流-直流轉換器研製，國立台灣科技大學電子工程系博士論文，2014。
[5] 蘇劍、劉海濤、吳鳴、李蕊、呂志鵬、季宇、李洋、于輝以及梁惠施，分布式電源與微電網併網技術，中國電力出版社，2015年，第139-153頁。
[6] Chung-Hsin Electric and Machinery Manufacturing Corporation, Micro-Grid Introduction, http://www.chem.com.tw/products/%E5%BE%AE%E9%9B%BB%E7%B6%B2%E7%B0%A1%E4%BB%8B。
[7] X. She, A. Q. Huang and R. Burgos, "Review of Solid-State Transformer Technologies and Their Application in Power Distribution Systems," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 1, no. 3, pp. 186-198, Sept. 2013.
[8] J. S. Lai, and F.Z. Peng, ‘‘Multilevel Converters – A New Breed of Power Converter,’’ IEEE Transactions. Industry Application, vol. 32, no. 3, pp. 509-517, May/Jun. 1996.
[9] K. Jin and X. B. Ruan, ‘‘Hybrid Full-Bridge Three-Level LLC Resonant Converter—A Novel DC–DC Converter Suitable for Fuel-Cell Power System,’’ in Proc. Power Electronics Specialists Conference, 2005, pp.361-367.
[10] 陳建伯，碳化矽模組應用於微電網型雙向直流隔離式轉換器之研究，國立台灣科技大學電子工程系碩士論文，2016年。
[11] 陳基漳，新式3階段切換技術應用於直流/直流轉換器及直流/交流變流器之設計，國立交通大學電機與資訊學院電機與控制學程碩士論文，2006年。
[12] 張濬哲，高壓雙向半橋式三階串聯諧振轉換器，國立台灣科技大學電子工程系碩士論文，2017年。
[13] Toshihiko Noguchi and Suroso, ‘‘New Topologies of Multi-level Power Converters for Use of Next-Generation Ultra High-Speed Switching Devices,’’ in Proc. Energy Conversion Congress and Exposition, 2009, pp.1968-1975.
[14] 簡宏儒，三階三相諧振式直流-直流轉換器研製，國立台灣科技大學電子工程系碩士論文，2017年。
[15] 黃建譯，以新式多階雙向電力轉換器為基礎之電池儲能系統，國立高雄應用科技大學電機工程系碩士論文，2011年。
[16] 劉林、熊蘭、高迎飛，應用於儲能變壓器的LLC/CLLC諧振轉換器綜述，湖北工業大學，2021年
[17] 朱辰彥，三階雙向半橋式串聯-串聯諧振轉換器，國立台灣科技大學電子工程系碩士論文，2019年。
[18] L. Corradini, D. Seltzer, D. Bloomquist, R. Zane, D. Maksimović and B. Jacobson, “Zero Voltage Switching Technique for Bi-Directional DC/DC Converters,’’ in Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2011, pp.2215-2222.
[19] C. Wang, F. Zhao, Q. M. Gao, Y. Y. Cai, and H. Cheng, ‘‘Performance Analysis of High-Frequency Isolated Dual Half-Bridge Three-Level Bi-Directional DC/DC Converter,’’ in Proc. IEEE Conference and Expo Transportation Electrification Asia-Pacific, 2014, pp.1-6.
[20] F. Canales, P. M. Barbosa and F. C. Lee, ‘‘A Zero-Voltage and Zero-Current Switching Three-Level DC/DC Converter,’’ IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 17, no. 6, pp. 898-904, Nov. 2002.
[21] 吳諺宸，雙向輸出入寬範圍串聯-串聯諧振式直流-直流轉換器，國立台灣科技大學電子工程系碩士論文，2018年，第10頁。
[22] 陳啟超，紀延超，王建績，雙向CLLLC諧振型直流變壓器的分析與設計，中國電機工程學報，第34卷第18期。
[23] 吳義利，切換式電源轉換器原理與實用設計技術，文笙書局股份有限公司，2015年，第45頁。
[24] 蔡富斌，具同步整流之數位控制半橋串聯諧振轉換器之研製，國立台灣科技大學電子工程系碩士論文，2012年，第3頁。
[25] TDK, ‘‘Ferrite for Switching Power Supplies,’’ Data Sheet, Apr. 2011
[26] 吳義利，切換式電源轉換器原理與實用設計技術，文笙書局股份有限公司，2015年。
[27] VISHAY,‘‘VS-60EPS08-M3,’’ Data Sheet, Nov, 2019.
[28] Infineon ‘‘FF45MR12W1M1_B11,’’ Data Sheet, Mar, 2020.
[29] Texas Instruments, ‘‘Piccolo Microcontroller,’’ Data Sheet, Feb, 2021.