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研究生:李政彬
研究生(外文):LI, ZHENG-BIN
論文名稱:串並聯切換式電容合併耦合電感之升壓型直流-交流逆轉換器的設計與實作
論文名稱(外文):Design and Implementation of Serial-Parallel-Switched-Capacitor Coupled-Inductor Boost DC-AC Inverter
指導教授:張原豪張原豪引用關係
指導教授(外文):CHANG, YUEN-HAW
口試委員:余昌峰林坤緯張原豪
口試委員(外文):YU, CHANG-FENGLIN, KUN-WEICHANG, YUEN-HAW
口試日期:2017-06-16
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:資訊工程系
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:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:124
中文關鍵詞:串並聯切換式電容耦合電感升壓式直流-交流逆轉換器正弦脈頻調變
外文關鍵詞:serial-parallel-switched-capacitor coupled-inductor (SPSCCI)boost DC-AC invertersinusoidal pulse-width-modulation (SPWM)
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本文提出以串並聯切換式電容合併耦合電感(SPSCCI)之升壓型直流-交流逆轉換器的設計與實作,並結合相位產生器與正弦脈衝寬度調變(sinusoidal pulse-width-modulation, SPWM)控制器,以進行高功率升壓轉換及調節,電力電路由二部份所組成(i)串並聯切換式電容合併耦合電感升壓器部分藉由四個電容與五個開關所組成,並由相位產生器控制開關,該電路穩態時電壓增益可以獲得[4(n+1)+(1+nD)/(1-D)] (ii)半橋式直流轉換器藉由二個開關及二個電容所組成,並由正弦脈衝寬度調變控制器控制開關實現正弦波輸出,所以該電路穩態時電壓範圍:+0.5[4(n+1)+(1+nD)/(1-D)]VS~ -0.5[4(n+1)+(1+nD)/(1-D)]VS 的直流-交流轉換器,其中D是耦合電感充電的工作周期,n是耦合電感的匝數比。當D=0.5、n=4時,最大輸出電壓可以到達電壓源V_S的26倍壓。此外,SPWM使用於閉迴路之中,進而增加該電路調節能力,以進行不同輸出電壓/負載(輸出電壓之峰值或頻率/負載之大小變化)之實現能力。最後,本文所提出的SPSCCI之升壓型逆轉換器是使用SPICE來模擬該電路之工作,所有的靜態與動態之模擬與數據量測結果來顯示逆轉換器的輸出,最後亦實作出電路,以證實本文所提出轉換器之可行性。
A closed-loop scheme of serial-parallel-switched-capacitor coupled-inductor boost DC-AC inverter is proposed by combining a phase generator and sinusoidal pulse-width-modulation (SPWM) controller for the step-up inversion and regulation. The power part is composed of two cascaded sub-circuits, including (i) a SPSCCI booster with 4 pumping capacitors, and 5 switches controlled by phase generator, it raises the the voltage up to [4(n+1)+(1+nD)/(1-D)] and (ii) a Half-bridge DC-link inverter with 2 capacitors, and 2 switches controlled by SPWM, so as to obtain a steady-state voltage range of sinusoidal output: +0.5[4(n+1)+(1+nD)/(1-D)]VS~ -0.5[4(n+1)+(1+nD)/(1-D)]VS for a DC-AC conversion, where D is the duty cycle of charging the inductor, and n is the turn ratio of coupled-inductor. The maximum output voltage can reach 26 times voltage of source VS while D=0.5, n=4. Here, the SPWM is employed to enhance regulation capability for the different output amplitude and frequency, as well as robustness to source/loading variation. Finally, the SPSCCI inverter is designed and simulated by SPICE for some cases: steady-state and dynamic responses. All results are illustrated to show the efficacy of the proposed scheme.
目錄
中文摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 前言 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究背景 4
1.3 研究目的 6
1.4 本文架構 7
第二章 電源轉換電路介紹 8
2.1 簡介 8
2.1.1 電力電子發展 8
2.1.2 電力電子技術範圍 9
2.1.3 電力電子系統 9
2.1.4 電力電子轉換器之類型 10
2.2 電源轉換電路 12
2.2.1 切換式電容升壓 15
2.2.2 電感諧振式升壓架構 17
2.2.3 升壓電路特性比較 19
2.3 脈寬調變(Pulse-Width-Modulation, PWM) 20
2.4 脈頻調變(Pulse-Frequency-Modulation, PFM) 21
第三章 切換式電容合併耦合電感為主體架構之升壓型 23
逆轉換器原理與架構 23
3.1 簡介 23
3.2 基本分析 24
3.2.1 可控式開關 24
3.2.2 電磁干擾 26
3.3 升壓轉換電路 28
3.4 切換式電容合併耦合電感為主體升壓轉換電路之架構 32
3.4.1 直流-交流升壓逆轉換器控制策略之類型 32
3.4.2 切換式電容合併耦合電感升壓型逆轉換器電路 34
3.5 控制系統 39
3.5.1基於正弦脈波寬度調變技術之控制電路架構 41
3.5.2 正弦脈波寬度調變技術之架構動作原理 43
3.6 升壓轉換電路特性 44
3.6.1 切換頻率 44
3.6.2 動態響應 45
第四章 切換式電容合併耦合電感升壓逆轉換器模擬分析 46
4.1 簡介 46
4.2 穩態模擬 46
4.3 動態模擬 57
4.3.1 參考信號電壓振幅變動之動態模擬 57
4.3.2 參考信號頻率變動之動態模擬 60
4.3.3 電源變動之動態模擬 63
4.3.4 負載電阻變動之動態模擬 68
4.4 總諧波失真率模擬分析 71
4.4.1 不同負載電阻與電壓情況之總諧波失真率 72
4.5 逆轉換器效率模擬分析 73
4.6 逆轉換器模擬結論 74
第五章 切換式電容升壓型逆轉換器實作與實驗結果 75
5.1 簡介 75
5.2 電路實作 75
5.3 穩態實驗 76
5.4 動態實驗 86
5.4.1 參考信號電壓振幅變動之動態實驗 86
5.4.2 參考信號頻率變動之動態實驗 89
5.4.3 電源變動之動態實驗 92
5.4.4負載變動之動態實驗 96
5.5實作量測之總諧波失真率 99
第六章 結論 100
參考文獻 102
附錄A:參與香港研討會之心得與相關資料 104
附錄B:指導大學專題的下線報告(控制晶片設計) 115


表目錄
表2-1 直流升壓轉換架構之比較 20
表3-1 可控式開關特性比較 26
表4-1穩態模擬(1)~(9)規格參數表 47
表4-2動態模擬(10)~(11)規格參數表 57
表4-3動態模擬(12)~(13)規格參數表 60
表4-4動態模擬(14)~(17)規格參數表 63
表4-5動態模擬(18)~(19)規格參數表 68
表5-1穩態實驗(1)~(9)參數及元件表 76
表5-2動態實驗(10)~(12)參數及元件表 86
表5-3動態實驗(12)~(13)參數及元件表 89
表5-4動態實驗(14)~(16)參數及元件表 92
表5-5動態實驗(17)~(18)參數及元件表 96

圖目錄
圖1-1 切換式電容升壓轉換架構 3
圖1-2 電感諧振式升壓轉換架構 3
圖1-3 反馳式電力轉換架構 3
圖2-1 電力電子技術領域範圍 11
圖2-2 電力電子系統架構 11
圖2-3 電力電子轉換方塊圍 12
圖2-4 DC-DC隔離型電源轉換架構示意圖 13
圖2-5 DC-DC非隔離型電源轉換架構示意圖 13
圖2-6 DC-AC隔離型電源轉換架構示意圖 14
圖2-7 DC-AC非隔離型電源轉換架構示意圖 14
圖2-8 電荷泵轉換器動作示意圖 16
圖2-9 電感諧振式升壓轉換架構 17
圖2-10 控制訊號與開關導通關係圖 18
圖2-11 脈寬調變電路波形圖 21
圖2-12 傳統類比式脈頻寬變電路架構 21
圖2-13 傳統脈頻調變電路波形圖 22
圖2-14 傳統脈頻調變電路架構 22
圖3-1典型電源轉換系統 23
圖3-2可控式開關電路符號 24
圖3-3典型之採樣開關電路 25
圖3-4採樣開關電路之操作 25
圖3-5切換式電容升壓轉換器 28
圖3-6電感式諧振電路 29
圖3-7 電感式諧振電路之電感電流工作模式 30
圖3-8 DC-AC升壓轉換架構示意圖 31
圖3-9高增益切換式電容合併耦合電感升壓型轉換電路架構圖 33
圖3-10 切換式電容合併耦合電感升壓型逆轉換器電路架構 34
圖3-11 phase I(SA) 37
圖3-12 phase I(SB) 37
圖3-13 phaseII 37
圖3-14電路理論時序波形圖 38
圖3-15 開迴路控制系統架構方塊圖 40
圖3-16 閉迴路控制系統架構方塊圖 40
圖3-17 閉迴路控制系統架構 41
圖3-18 非重疊電路時脈訊號示意圖 42
圖4-1 穩態模擬之輸出電壓(VREF:165V, fO:60Hz, RL:800Ω) 48
圖4-2 穩態模擬之VL1電壓(VREF:165V, fO:60Hz, RL:800Ω) 48
圖4-3 穩態模擬之VCO1 + VCO2電壓(VREF:165V, fO:60Hz, RL:800Ω) 48
圖4-4 穩態模擬之輸出電壓(VREF:165V, fO:60Hz, RL:700Ω) 49
圖4-5 穩態模擬之VL1電壓(VREF:165V, fO:60Hz, RL:700Ω) 49
圖4-6 穩態模擬之VCO1 + VCO2電壓(VREF:165V, fO:60Hz, RL:700Ω) 49
圖4-7 穩態模擬之輸出電壓(VREF:165V, fO:60Hz, RL:600Ω) 50
圖4-8 穩態模擬之VL1電壓(VREF:165V, fO:60Hz, RL:600Ω) 50
圖4-9 穩態模擬之VCO1 + VCO2電壓(VREF:165V, fO:60Hz, RL:600Ω) 50
圖4-10 穩態模擬之輸出電壓(VREF:155V, fO:60Hz, RL:800Ω) 51
圖4-11 穩態模擬之VL1電壓(VREF:155V, fO:60Hz, RL:800Ω) 51
圖4-12 穩態模擬之VCO1 + VCO2電壓(VREF:155V, fO:60Hz, RL:800Ω) 51
圖4-13 穩態模擬之輸出電壓(VREF:155V, fO:60Hz, RL:700Ω) 52
圖4-14 穩態模擬之VL1電壓(VREF:155V, fO:60Hz, RL:700Ω) 52
圖4-15 穩態模擬之VCO1 + VCO2電壓(VREF:155V, fO:60Hz, RL:700Ω) 52
圖4-16 穩態模擬之輸出電壓(VREF:155V, fO:60Hz, RL:600Ω) 53
圖4-17 穩態模擬之VL1電壓(VREF:155V, fO:60Hz, RL:600Ω) 53
圖4-18 穩態模擬之VCO1 + VCO2電壓(VREF:155V, fO:60Hz, RL:600Ω) 53
圖4-19 穩態模擬之輸出電壓(VREF:145V, fO:60Hz, RL:800Ω) 54
圖4-20 穩態模擬之VL1電壓(VREF:145V, fO:60Hz, RL:800Ω) 54
圖4-21 穩態模擬之VCO1 + VCO2電壓(VREF:145V, fO:60Hz, RL:800Ω) 54
圖4-22 穩態模擬之輸出電壓(VREF:145V, fO:60Hz, RL:700Ω) 55
圖4-23 穩態模擬之VL1電壓(VREF:145V, fO:60Hz, RL:700Ω) 55
圖4-24 穩態模擬之VCO1 + VCO2電壓(VREF:145V, fO:60Hz, RL:700Ω) 55
圖4-25 穩態模擬之輸出電壓(VREF:145V, fO:60Hz, RL:600Ω) 56
圖4-26 穩態模擬之VL1電壓(VREF:145V, fO:60Hz, RL:600Ω) 56
圖4-27 穩態模擬之VCO1 + VCO2電壓(VREF:145V, fO:60Hz, RL:600Ω) 56
圖4-28 參考信號VREF振幅變動 (VREF:165V→145V) 58
圖4-29 VREF振幅變動之電壓輸出波形(VREF:165V→145V) 58
圖4-30 參考信號VREF振幅變動 (VREF:155V→145V) 59
圖4-31 VREF振幅變動之電壓輸出波形(VREF:155V→145V) 59
圖4-32 參考信號VREF之頻率變動電壓波形(VREF:155V/ fO:60Hz→20Hz) 61
圖4-33 VREF頻率變動之電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:60Hz→20Hz) 61
圖4-34 參考信號VREF之電壓波形(VREF:155V/ fO:60Hz→120Hz) 62
圖4-35 VREF頻率變動之電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:60Hz→120Hz) 62
圖4-36直流電源瞬降(VS:12V→11V) 64
圖4-37電源瞬降之電壓輸出波形(VREF:155V / fO:60Hz / RL:700Ω) 64
圖4-38直流電源瞬降(VS:12V→10.5V) 65
圖4-39電源瞬降之電壓輸出波形(VREF:155V / fO:60Hz / RL:700Ω) 65
圖4-40直流電源抖動(VS:12V±1V) 66
圖4-41電源抖動之電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:60Hz / RL:700Ω) 66
圖4-42直流電源抖動(VS:12V±2V) 67
圖4-43電源抖動之電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:60Hz / RL:700Ω) 67
圖4-44負載變動之開關導通波形(VREF:155V/RL:700Ω→500Ω) 69
圖4-45負載變動之電壓輸出波形(VREF:155V/ RL:700Ω→500Ω) 69
圖4-46負載變動之開關導通波形VREF:155V/ (RL:700Ω→350Ω) 70
圖4-47負載變動之電壓輸出波形(VREF:155V/ RL:700Ω→350Ω) 70
圖4-48逆轉換器總諧波失真分析圖60Hz(三種參考電壓) 72
圖4-49轉換器輸出效率分析圖 73
圖5-1 高增益串並聯切換式電容合併耦合電感升壓型逆轉換器實作電路 75
圖5-2 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF:165V/ fO:120Hz) 77
圖5-3 穩態實驗之VL1電壓輸出波形(VREF:165V/ fO:120Hz) 77
圖5-4 穩態實驗之VCO1 + VCO2電壓輸出波形(VREF:165V/ fO:120Hz) 77
圖5-5 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:120Hz) 78
圖5-6 穩態實驗之VL1電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:120Hz) 78
圖5-7 穩態實驗之VCO1 + VCO2電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:120Hz) 78
圖5-8 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF:145V/ fO:120Hz) 79
圖5-9 穩態實驗之VL1電壓輸出波形(VREF:145V/ fO:120Hz) 79
圖5-10 穩態實驗之VCO1 + VCO2電壓輸出波形(VREF:145V/ fO:120Hz) 79
圖5-11 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF:165V/ fO:60Hz) 80
圖5-12 穩態實驗之VL1電壓輸出波形(VREF:165V/ fO:60Hz) 80
圖5-13 穩態實驗之VCO1 + VCO2電壓輸出波形(VREF:165V/ fO:60Hz) 80
圖5-14 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:60Hz) 81
圖5-15 穩態實驗之VL1電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:60Hz) 81
圖5-16 穩態實驗之VCO1 + VCO2電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:60Hz) 81
圖5-17 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF:145V/ fO:60Hz) 82
圖5-18 穩態實驗之VL1電壓輸出波形(VREF:145V/ fO:60Hz) 82
圖5-19 穩態實驗之VCO1 + VCO2電壓輸出波形(VREF:145V/ fO:60Hz) 82
圖5-20 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF:165V/ fO:30Hz) 83
圖5-21穩態實驗之VL1電壓輸出波形(VREF:165V/ fO:30Hz) 83
圖5-22 穩態實驗之VCO1 + VCO2電壓輸出波形(VREF:165V/ fO:30Hz) 83
圖5-23 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:30Hz) 84
圖5-24 穩態實驗之VL1電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:30Hz) 84
圖5-25 穩態實驗之VCO1 + VCO2電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:30Hz) 84
圖5-26 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF:145V/ fO:30Hz) 85
圖5-27 穩態實驗之VL1電壓輸出波形(VREF:145V/ fO:30Hz) 85
圖5-28 穩態實驗之VCO1 + VCO2輸出波形(VREF:145V/ fO:30Hz) 85
圖5-29 參考信號之電壓波形(VREF:165V→145V) 87
圖5-30 交流電壓輸出波形(VO:162V→148V) 87
圖5-31 參考信號之電壓波形(VREF:165V→145V) 88
圖5-32 交流電壓輸出波形(VO:153V→148V) 88
圖5-33 參考信號之電壓波形(VREF:155V / fO:60Hz→120Hz) 90
圖5-34 交流電壓輸出波形(VO:152V/ fO:60Hz→120Hz) 90
圖5-35 參考信號之電壓波形(VREF:155V / fO:60Hz→30Hz) 91
圖5-36 交流電壓輸出波形(VO:152V/ fO:60Hz→30Hz) 91
圖5-37 直流電源瞬降(VS:12V→11V) 93
圖5-38 交流電壓輸出波形 (VREF:155V/ fO:60Hz) 93
圖5-39 直流電源瞬降(VS:12V→11V) 94
圖5-40 交流電壓輸出波形 (VREF:155V/ fO:60Hz) 94
圖5-41 直流電源抖動(VS:12V→12±sin0.5V) 95
圖5-42 電源抖動之交流電壓輸出波形(VREF:155V/ fO:60Hz) 95
圖5-43 負載變動之開關導通波形(VREF:155V/ RL:7.5kΩ→6.8kΩ) 97
圖5-44 負載變動之電壓輸出波形(VREF:155V/ RL:7.5kΩ→6.8kΩ) 97
圖5-45 負載變動之開關導通波形(VREF:155V/ RL:7.5kΩ→5kΩ) 98
圖5-46 負載變動之電壓輸出波形(VREF:155V/ RL:7.5kΩ→5kΩ) 98
圖5-47 逆轉換器實作之輸出總諧波失真分析圖 99


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