高功因升壓型 AC-DC轉換器之研製

指導老師 : 陳信助 學生 : 張忠浩、蘇信豪、范綱

全 日期 :2010/12/20

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大綱研究動機與目的- 為什麼要使用功因修正器、使用功因修正器的好處功因修正器架構- 主動式、被動式一般常用功因修正控制法- 平均電流控制法、臨界導通控制法控制 IC-IC動作原理、 IC腳位、 IC功能實作電氣規格- 實作電路圖實作成果與實驗結果- 實體電路、示波器量測波形

2

研究動機與目的研究動機：追求高品質的電力，並符合國際電流諧波規範　

　　　　　　　　　 (IEC6100-3-2)。

解決方法：在用電端前加入功因修正器。

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有功因修正與無功因修正比較

發電廠

可供給1000VA

用電端

未使用功因修正器PF=0.5

MW5005.01000

發電廠

可供給1000VA

用電端

使用功因修正器PF≒0.99

MW99099.01000

為何要使用功因修正器

未使用功因修正器 PF≒ 0.5~0.6，這樣假設供給 1000VA實際上用電端只使用到 500MW，電力傳輸損失較大。

未使用功因修正

使用功因修正

使用功因修正器可將功率修正至 0.99左右，一樣假設供給1000VA而用電端實際上可消耗 990MW。

4

使用功因修正器的優點

1.修正功因達到 0.99，減少傳輸上的功率損失。 一般沒有功因修正的電路功因約為 0.5~0.6，而 PF=P/S表示為了要達 到負載端的需求供給端要提供更多能量。

2.環保省電。 功率損失減少不必多增設電廠來供應能量。3.延長元件使用壽命。 非線性成分變小，則諧波失真也相對減少。

5

國際電流諧波規範 (IEC61000-3-2)

6

三相設備

輸入功率為75W~600W使用切換式電源等設備

Class A

手持式工具

Class B

照明設備

Class C

Class D

Yes Yes

No

Yes

No

No

Yes

Start No IEC61000-3-2 Class D

Harmonics order mA/W

2 -

3 3.4

4 -

5 1.9

6 -

7 1.0

8 -

9 0.5

Class A ： Class B 、 C 和 D 以外，其餘皆屬於Class A

Class B ：手持式工具Class C ：照明設備Class D ： 75 W~600 W( 切換式電源 )

AD-DC轉換器 負載

)( tini

)( tinv +

-

Vo

穩壓高功因

功因修正器架構

7

1.被動式 :LC、 π型、填谷式 優點 : 方便設計。 缺點 : 體積大、重量重、功因改善不佳。

2.主動式 : 乘法器控制法、電壓隨偶法 優點 : 可改善功因達到 90%以上。 缺點 : 電路較複雜。

連結

CCM模式 DCM模式

交流電源輸入端：高功因特性 直流輸出端：達到穩壓的目的

被動式功因修正器

8

inv

ini L

C Loadinv

ini

Load

L

1C 2C

inv

ini

Load

1C

2C

1D

2D

3D

LC濾波器 π型濾波器

填谷式濾波器

優點 : 方便設計。缺點 : 體積大、重量重、功因改善不佳。

AC

R

+

-

2Z

1Z

refV

內迴路

外迴路CCV

CCV

外迴路電壓控制器

內迴路電流控制器

)( tini MOSFET

L

C

D

+

-

oV

LOAD

)( tinvrmsrms VV 130~80

PWM

主動功因修正器架構

內迴路 : 功因校正外迴路 : 穩壓

以升壓式轉換器為例

線電壓

輸出電壓

9

功因

輸出穩壓

10

臨界導通控制法平均電流控制法

優點：電感有較小的體積 。缺點：變頻控制，濾波器設計複雜。控制 IC ： FAN7529 、 L6561

優點：適合中大功率的系統、輸入電流 波形失真小。缺點：需設計電流補償器控制電路複雜。控制 IC ： UC3854 、 LT1248

一般常用功因控制修正法

gi

t

t驅動信號

輸入電流

主動式功因修正器

選擇的原因： 1.輸入電流為連續的( 傳導性干擾較小) 。 2.開關容易驅動。

11

Boost Converter

控制 IC

12

IC L6561

IC UC3854

1. 平均電流控制法2. 使用於高功率輸出電路3. 可抑制線電流的諧波失真4. 修正 PF 0.99≒5. 低啟動電流

1.臨界導通控制法2.使用於低功率輸出電路3.低啟動電流4. 內部啟動及零電流偵測的功能5.兩極過電壓保護

特色：

特色：

L6561 IC功能較低的靜態電流 3mA，使在輕載時具有高效率除能 (Disable) 功能，可將系統關閉，降低損耗兩極過電壓保護內部啟動及零電流偵測的功能具乘法器，對於寬範圍輸入電壓，有較佳的 THD值為提高雜訊免除能力，在電流偵測入端，具備內 部 RC濾波器高容量的圖騰級輸入，可以直接驅動 MOS具磁滯的欠電壓鎖住功能低啟動電流，可減少切換損失逐一脈衝電流的限制，電路萬一發生短路現象也可以 保證安全操作

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L6561 IC腳位

1144

1 INV 輸出電壓取樣腳位，內有固定 2.5V的回授比較準位

2 COMP

輸出電壓補償腳位，用於改善輸出電壓訊號，可連接補償元件

3 MULT 輸入整流電壓取樣接腳

4 CS偵測開關元件電流轉換電壓腳位，電壓準位上升超過參考指令時，強迫關閉控制訊號

5 ZCD 偵測電感電流腳位

6 GND 接地端

7 GD 驅動開關元件控制訊號的輸出腳位

8 VCC 電源端 ( 工作電壓>13V)

1234 5

678INV

COMPMULT

CS

VCCGDGNDZCD

L6561 IC

L6561 IC內部電路

1155

MULTIPLIER

RS

Q

OVER-VOTAGEDETECTION

VOLTAGEREGULATOR

DRIVER

STARTER

DISABLE

－+

－+

－+

2.5V

INTERNALSUPPLY 7V

UVLO

ZERO CURRENTDETECTOR

20V R1

R2VREF2

VCC

40K

5pF

2.3V1.8V

誤差放大 乘法 PWM調整

56

432

1

7

8

UC3854 IC動作原理

16

動作原理主動式功因修正器必須同時控制輸入電流與輸出電壓。 控制 IC UC3854是利用平均電流法做功因修正。

功因校正 穩壓

平均電流法為定頻控制。在每一個週期開始時先使功率開關導通，再判斷此時輸入電流是太大或太小，經由每個週期反覆的動作，輸入電感電流便可追上命令電流

AC Power &FeedBack

Stage

)( tini

L D

CMOSFET +

-

oV

)( tinv

rmsrms VV 265~85

ccV

低通濾波器

電壓迴路補償

電流迴路補償

過載峰值電流保護

平均電流控制法

UC3854 IC功能

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可抑制線電流的諧波失真

軟啟動

採用平均電流控制法 定頻脈波寬度調變(PWM)

控制Boost PWM converter達到功因 99%

過電流保護

IC功能

UC3854 IC腳位

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接腳 4：電流誤差放大器的反相輸入端

接腳 5：乘法器的輸出端

接腳 11：輸出電壓迴授訊號

接腳 10:致能端

接腳 13(SS):軟起動端

接腳 8(Vff):前饋輸入端

接腳 6：乘法器的輸入電流，和輸入電壓波形成正比

接腳 14:CT

接腳 12:RSET

接腳 1:GND

接腳 16:PWM信號輸出端

接腳 15:Vcc

接腳 9：參考電壓 7.5V

接腳 2:過電流保護

接腳 3：電流誤差放大器輸出端

實作電氣規格

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IC L6561 IC UC3854

輸入電壓 80V

~130V

輸出電壓 400V

輸出功率 250W

切換頻率 100kHz

輸入電壓 110V

輸出電壓 400V

輸出功率 70W

實作電路圖

實作電路圖

元件設計

20

實作電路圖

以 L6561為基礎之升壓型高功因 AC-DC整流器

IL D5 IO

+_VO2.7KΩ

CO

D1 D2

D3 D4

D6

SW

Iin+_Vin VCS

C1560nF400V

440KΩ D3 1N4150

D21N5248B

100Ω 10nF

68KΩ

1μ F

10Ω

0.41Ω1W

6.34KΩ1%

1.2MΩVR

56μ F

950KΩ

VO=400VPO=60W

MULTIPLIER

RS

Q

OVER-VOTAGEDETECTION

VOLTAGEREGULATOR

DRIVER

STARTER

DISABLE

－+

－+

－+

2.5V

INTERNALSUPPLY 7V

UVLO

ZERO CURRENTDETECTOR

20V R1

R2VREF2

VCC

40K

5pF

2.3V1.8V

12 3 4

56

7

8

10KΩ

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以 UC3854為基礎之升壓型高功因 AC-DC整流器實作電路圖

AC

)( tini

L D

CMOSFET +

-

oV

)( tinv

rmsrms VV 265~85

ccV

k910

k620k150

k91

k20

k22

k174

25.0

k9.3 k9.3

k20

k10

k10

100

F1.0 F47.0 F1

K122

F047.0

pF620

pF62

pF100

k511

k10

mHmHmkIf

DVL

V

VVD

mAII

AV

PI

s

in

o

ino

pkline

inpkline

1886.0900100

75.0110.3

75.0400

110400.2

900%20

42.480

25022.1

)(

(min))(

，設

元件設計電感的選擇

電流檢測電阻 Rs 的選擇

25.0

21.0.2

87.42

.1

(max)

(max)

pk

rs

pkpk

I

VR

AI

II

MOSFET、二極體

AC

LOAD

)( tinv

)( tini

L D

CMOSFET

sR

MOSFET 型號 DSSV DI DSR

STW45NM60 650V 45A <0.11Ω

二極體 型號 RMSV FSMI rrT

SF1608G 600V 125A 35nS

22

實作成果

23

IC L6561

IC UC3854

實作內容1.電路實體圖

2.波形量測 (1)輸入電流波形追隨輸入電壓波形 (2)輸出直流電壓 (3)功率因數

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電路實體圖

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實體電路 PCB Layout

量測波形

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輸入電壓與輸入電流波形 輸出直流電壓 (400V)

功率因數

實作內容一 . 檢查機制二 . 電路實體圖三 . 高功因性能四 . 穩壓性能五 . 不同輸入電壓的功因曲線 - 不同輸入電壓之輸出電壓響應

六 . 不同負載時的功因曲線 - 負載變動之輸出電壓響應

七 . 效率曲線圖

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檢查機制

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功因 :1.IC第 6 腳波形應為麥當勞波形。2.IC第 7 腳訊號應為直流。 ( 經電壓控制器 )3.IC第 8 腳訊號應為直流。 ( 經 Low pass)

穩壓 :IC第 9 腳的參考電壓應為 7.5V。

AC

)( tini

L D

CMOSFET +

-

oV

)( tinv

rmsrms VV 265~85

ccV

k910

k620k150

k91

k20

k22

k174

25.0

k9.3 k9.3

k20

k10

k10

100

F1.0 F47.0 F1

K122

F047.0

pF620

pF62

pF100

k511

k10

7.5V

電路實體圖

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功率級 訊號級

實體電路

PCB Layout

高功因性能

輸入電流波形追隨輸入電壓波形 與國際電流諧波規範比較

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實際諧波電流量測

輕載： 88W

在此實際量測實作電路在輕載、中載、重載的諧波電流。下列圖片由左→右分別為：

1.輸入電流波形追隨輸入電壓波形 2.實際諧波電流量測 3.與國際電流諧波規範比較

高功因性能

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中載： 168W

重載： 250W輸入電流波形追隨輸入電壓波形 與國際電流諧波規範比較實際諧波電流量測

穩壓性能

輸入電壓變動 (110Vrms-130Vrms) 負載變動 (88W → 168W → 88W)

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不同輸入電壓之的功因量測

33

Vin(rms) PF Vo

80V 0.981 400V

90V 0.985 400V

110V 0.985 400V

120V 0.985 400V

130V 0.984 400V

結論：分別不同輸入電壓下，皆為高 功因且輸出電壓皆為 400V。

不同輸入電壓之輸出電壓響應Vin=80V Vin=110V Vin=130V

結論： 1.在分別輸入 80V、 110V、 130V下輸出電壓皆為 400V。 2.電流波形追隨電壓波形。 34

不同負載之的功因量測

Load PF Vo

88W 0.988 400V

168W 0.989 400V

250W 0.974 400V

結論：不同負載時皆為高功因且 輸出電壓維持在 400V。

35

負載變動之輸出電壓響應

結論：在閉迴路控制下輸出電壓皆為 400V。 36

Po： 88W Po： 88W→168W Po： 88W→250W

效率曲線圖

37

結論：在不同負載，效率皆有 90%以 上。

in

o

P

P

Po Pin η

88W 90.5W 0.972

168W 177.9W 0.944

250W 269W 0.929

結論

1.利用高功因 AC-DC轉換器，使輸入電壓波形與輸入電流波形同相位成比例，達到高功因及輸出穩壓。

2.實驗證實，高功因 AC-DC轉換器符合 IEC61000-3-2國際電流諧波規範。

3.應用 IC UC3854採平均電流控制法之高功因穩壓電路 ( 高功率 ) 。

4.應用 IC L6561採臨界導通控制法之高功因穩壓電路 ( 低功率 ) 。

5.以不同負載時，實作電路確實達到高功因且輸出穩壓。

6.以不同電壓輸入時，實作電路確實達到高功因且輸出穩壓。

7.在不同負載功率 (88W~250W)時，電路效率皆維持在 90%以上。

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