高功因升壓型 ac-dc 轉換器之研製

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

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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

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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

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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

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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

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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。

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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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