臺灣博碩士論文加值系統

本文提出耦合電感搭配Cockcroft-Walton(C-W)切換電容式(CICWSC)升壓型直交流逆轉換器之設計與實作，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，電力電路由三部份所組成 (i)耦合電感升壓電路 (ii)C-W倍壓電路結合切換電容 (iii) 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:+[(n+1)/(1-D)]VS～-[(n+1)/(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=2時，最大輸出電壓可以到達電壓源VS的6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CICWSC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 coupled-inductor Cockcroft-Walton-switched- capacitor (CICWSC) inverter is proposed by combining a non- overlapping circuit and sinusoidal pulse-width-modulation (SPWM) controller for boost DC-AC conversion and closed- loop regulation. The power part is composed of three sub- circuits, including: (i) coupled-inductor booster (CI booster), (ii) Cockcroft-Walton- switched-capacitor doubler (CWSC doubler), and (iii) half-bridge DC-link, so as to obtain an AC output range:+[(n+1)/(1-D)]VS～-[(n+1)/(1-D)]VS,where D is the duty cycle and n is the turn ratio of coupled-inductor. Practically, the maximum output voltage can reach 6 times voltage of source VS while D=0.5, n=2. 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 closed-loop CICWSC 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.

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

第三章耦合電感搭配 C-W 切換電容式升壓型直交流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 耦合電感搭配 C-W 切換電容式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 耦合電感搭配 C-W 切換電容式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 耦合電感搭配 C-W 切換電容式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：簡易型切換電路升壓型逆轉換器實作與實驗結果 ...................... 130

附錄 B：參與香港研討會之心得與相關資料 ............................................. 148

附錄 C：指導大學專題的下線報告(控制晶片設計) ................................... 148

附錄 D：實作關鍵電路 ................................................................................ 148

附錄 E：實作動態測詴電路 ......................................................................... 148

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 耦合電感搭配 C-W 切換電容式升壓型轉換電路架構圖 .................. 33

圖 3-10 耦合電感搭配 C-W 切換電容式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：125V, fO：60Hz, RL：700Ω) ................. 48

圖 4-2 穩態模擬之 VL1 電壓(VREF：125V, fO：60Hz, RL：700Ω) .................. 48

圖 4-3 穩態模擬之 V2 + V4 電壓(VREF：125V, fO：60Hz, RL：700Ω) ............ 48

圖 4-4 穩態模擬之輸出電壓(VREF：125V, fO：60Hz, RL：600Ω) ................. 49

圖 4-5 穩態模擬之 VL1 電壓(VREF：125V, fO：60Hz, RL：600Ω) .................. 49

圖 4-6 穩態模擬之 V2 + V4 電壓(VREF：125V, fO：60Hz, RL：600Ω) ............ 49

圖 4-7 穩態模擬之輸出電壓(VREF：125V, fO：60Hz, RL：500Ω) ................. 50

圖 4-8 穩態模擬之 VL1 電壓(VREF：125V, fO：60Hz, RL：500Ω) .................. 50

圖 4-9 穩態模擬之 V2 + V4 電壓(VREF：125V, fO：60Hz, RL：500Ω) ............ 50

圖 4-10 穩態模擬之輸出電壓(VREF：135V, fO：60Hz, RL：700Ω) ............... 51

圖 4-11 穩態模擬之 VL1 電壓(VREF：135V, fO：60Hz, RL：700Ω) ................ 51

圖 4-12 穩態模擬之 V2 + V4 電壓(VREF：135V, fO：60Hz, RL：700Ω) .......... 51

圖 4-13 穩態模擬之輸出電壓(VREF：135V, fO：60Hz, RL：600Ω) ............... 52

圖 4-14 穩態模擬之 VL1 電壓(VREF：135V, fO：60Hz, RL：600Ω) ................ 52

圖 4-15 穩態模擬之 V2 + V4 電壓(VREF：135V, fO：60Hz, RL：600Ω) .......... 52

圖 4-16 穩態模擬之輸出電壓(VREF：135V, fO：60Hz, RL：500Ω) ............... 53

圖 4-17 穩態模擬之 VL1 電壓(VREF：135V, fO：60Hz, RL：500Ω) ................ 53

圖 4-18 穩態模擬之 V2 + V4 電壓(VREF：135V, fO：60Hz, RL：500Ω) .......... 53

圖 4-19 穩態模擬之輸出電壓(VREF：145V, fO：60Hz, RL：700Ω) ............... 54

圖 4-20 穩態模擬之 VL1 電壓(VREF：145V, fO：60Hz, RL：700Ω) ................ 54

圖 4-21 穩態模擬之 V2 + V4 電壓(VREF：145V, fO：60Hz, RL：700Ω) .......... 54

圖 4-22 穩態模擬之輸出電壓(VREF：145V, fO：60Hz, RL：600Ω) ............... 55

圖 4-23 穩態模擬之 VL1 電壓(VREF：145V, fO：60Hz, RL：600Ω) ................ 55

圖 4-24 穩態模擬之 V2 + V4 電壓(VREF：145V, fO：60Hz, RL：600Ω) .......... 55

圖 4-25 穩態模擬之輸出電壓(VREF：145V, fO：60Hz, RL：500Ω) ............... 56

圖 4-26 穩態模擬之 VL1 電壓(VREF：145V, fO：60Hz, RL：500Ω) ................ 56

圖 4-27 穩態模擬之 V2 + V4 電壓(VREF：145V, fO：60Hz, RL：500Ω) .......... 56

圖 4-28 參考信號 VREF 振幅變動 (VREF：135V→145V) ............................... 58

圖 4-29 VREF 振幅變動之電壓輸出波形(VREF：135V→145V) ....................... 58

圖 4-30 參考信號 VREF 振幅變動 (VREF：125V→145V) ............................... 59

圖 4-31 VREF 振幅變動之電壓輸出波形(VREF：125V→145V) ....................... 59

圖 4-32 參考信號 VREF 之頻率變動電壓波形(VREF：145V/ fO：60Hz→20Hz)
......................................................................................................................... 61
圖 4-33 VREF 頻率變動之電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：60Hz→20Hz) ...... 61

圖 4-34 參考信號 VREF 之電壓波形(VREF：145V/ fO：60Hz→120Hz) .......... 62

圖 4-35 VREF 頻率變動之電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：60Hz→120Hz) .... 62

圖 4-36 直流電源瞬降(VS：24V→23V) ......................................................... 64

圖 4-37 電源瞬降之電壓輸出波形(VREF：145V / fO：60Hz / RL：500Ω)...... 64

圖 4-38 直流電源瞬降(VS：24V→22.5V) ...................................................... 65

圖 4-39 電源瞬降之電壓輸出波形(VREF：145V / fO：60Hz / RL：500Ω)...... 65

圖 4-40 直流電源抖動(VS：24V±1V) ............................................................. 66

圖 4-41 電源抖動之電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：60Hz / RL：500Ω) ...... 66

圖 4-42 直流電源抖動(VS：24V±2V) ............................................................. 67

圖 4-43 電源抖動之電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：60Hz / RL：500Ω) ...... 67

圖 4-44 負載變動之開關導通波形(VREF：145V/RL：500Ω→375Ω) ............. 69

圖 4-45 負載變動之電壓輸出波形(VREF：145V/ RL：500Ω→375Ω) ............ 69

圖 4-46 負載變動之開關導通波形 VREF：145V/ (RL：500Ω→250Ω) ........... 70

圖 4-47 負載變動之電壓輸出波形(VREF：145V/ RL：500Ω→250Ω) ............ 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 耦合電感搭配 C-W 切換電容式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：145V/ fO：120Hz) ................. 77

圖 5-3 穩態實驗之 VL1 電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：120Hz) .................. 77

圖 5-4 穩態實驗之 V2 + V4 電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：120Hz) ............ 77

圖 5-5 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF：135V/ fO：120Hz) ................. 78

圖 5-6 穩態實驗之 VL1 電壓輸出波形(VREF：135V/ fO：120Hz) .................. 78

圖 5-7 穩態實驗之 V2 + V4 電壓輸出波形(VREF：135V/ fO：120Hz) ............ 78

圖 5-8 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF：125V/ fO：120Hz) ................. 79

圖 5-9 穩態實驗之 VL1 電壓輸出波形(VREF：125V/ fO：120Hz) .................. 79

圖 5-10 穩態實驗之 V2 + V4 電壓輸出波形(VREF：125V/ fO：120Hz) .......... 79

圖 5-11 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：60Hz) ................. 80

圖 5-12 穩態實驗之 VL1 電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：60Hz) .................. 80

圖 5-13 穩態實驗之 V2 + V4 電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：60Hz) ............ 80

圖 5-14 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF：135V/ fO：60Hz) ................. 81

圖 5-15 穩態實驗之 VL1 電壓輸出波形(VREF：135V/ fO：60Hz) .................. 81

圖 5-16 穩態實驗之 V2 + V4 電壓輸出波形(VREF：135V/ fO：60Hz) ............ 81

圖 5-17 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF：125V/ fO：60Hz) ................. 82

圖 5-18 穩態實驗之 VL1 電壓輸出波形(VREF：125V/ fO：60Hz) .................. 82

圖 5-19 穩態實驗之 V2 + V4 電壓輸出波形(VREF：125V/ fO：60Hz) ............ 82

圖 5-20 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：30Hz) ................. 83

圖 5-21 穩態實驗之 VL1 電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：30Hz) ................... 83

圖 5-22 穩態實驗之 V2 + V4 電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：30Hz) ............ 83

圖 5-23 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF：135V/ fO：30Hz) ................. 84

圖 5-24 穩態實驗之 VL1 電壓輸出波形(VREF：135V/ fO：30Hz) .................. 84

圖 5-25 穩態實驗之 V2 + V4 電壓輸出波形(VREF：135V/ fO：30Hz) ............ 84

圖 5-26 穩態實驗之交流電壓輸出波形(VREF：125V/ fO：30Hz) ................. 85

圖 5-27 穩態實驗之 VL1 電壓輸出波形(VREF：125V/ fO：30Hz) .................. 85

圖 5-28 穩態實驗之 V2 + V4 輸出波形(VREF：125V/ fO：30Hz) .................... 85

圖 5-29 參考信號之電壓波形(VREF：135V→145V) ..................................... 87

圖 5-30 交流電壓輸出波形(VO：135V→146V) ............................................ 87

圖 5-31 參考信號之電壓波形(VREF：125V→145V) ..................................... 88

圖 5-32 交流電壓輸出波形(VO：125V→147V) ............................................ 88

圖 5-33 參考信號之電壓波形(VREF：145V / fO：60Hz→120Hz) ................. 90

圖 5-34 交流電壓輸出波形(VO：150V/ fO：60Hz→120Hz) ......................... 90

圖 5-35 參考信號之電壓波形(VREF：145V / fO：60Hz→30Hz) ................... 91

圖 5-36 交流電壓輸出波形(VO：148V/ fO：60Hz→30Hz) ........................... 91

圖 5-37 直流電源瞬降(VS：24V→23V) ........................................................ 93

圖 5-38 交流電壓輸出波形 (VREF：145V/ fO：60Hz) ................................... 93

圖 5-39 直流電源瞬降(VS：24V→22.5V) ..................................................... 94

圖 5-40 交流電壓輸出波形 (VREF：145V/ fO：60Hz) ................................... 94

圖 5-41 直流電源抖動(VS：24V→24±sin0.5V) ............................................. 95

圖 5-42 電源抖動之交流電壓輸出波形(VREF：145V/ fO：60Hz) ................. 95

圖 5-43 負載變動之開關導通波形(VREF：145V/ RL：1kΩ→500Ω) ............. 97

圖 5-44 負載變動之電壓輸出波形(VREF：145V/ RL：1KΩ→500Ω) ............ 97

圖 5-45 負載變動之開關導通波形(VREF：145V/ RL：750Ω→500Ω) ........... 98

圖 5-46 負載變動之電壓輸出波形(VREF：145V/ RL：750Ω→500Ω) ........... 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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