南台科技大学电力电子研究室S707

高頻高壓交流脈衝供電系統之研製DevelopmentofaHigh-FrequencyHigh-VoltagePulsePowerSupplySystem指導教授：蔡明村博士研究生：柯智偉大綱摘要研讨動機與目的負載簡介功率因數校正柔性切換技術概述全橋式零電壓轉換器控制方法實驗結果結論南台科技大學電力電子研讨室S707摘要 本文研讨高頻高壓交流脈衝供電系統的功率控制方法，主要應用在介質放電與電暈放電等氣體放電的應用上。本文所提出之系統架構其前級是由主動式功因修正器，藉由昇壓式交流到直流轉換器產生穩定直流電壓後再經由後級全橋相移式零電壓轉換器產生所需求高頻電壓，並且藉由相移脈波寬度調變與脈波密度調變兩種方法來控制。南台科技大學電力電子研讨室S707研讨動機與目的 高頻高壓脈衝電源經近三十年來迅速發展，已逐漸构成一門獨立的新興技術領域，此種電源已被大量运用在半導體工業、封裝產業、印刷電路板工業及LCD產業的製程中；另一方面也被大量运用在和空氣、水污染防治與環保相關之廢棄物處理問題上。原則上脈衝電壓的值是依兩電極間之間距而定，根據各種材料性質與大小，而獨立的加以調整輸出所需之功率，以提高產品之效率。早期由於功率半導體技術的限制，這類設備所需的高壓交流脈衝電源設備，不僅體積大、重量重且效率不佳。南台科技大學電力電子研讨室S707負載簡介介電質放電〔DielectricBarrierDischarge,DBD〕

介電質放電又稱為無聲放電(SilentDischarge)或流光放電(StreamerDischarge)，它同時具有輝光放電的大體積的激發及電暈放電之高操作壓力的優點，介電質放電主要由內、外兩個電極及介電質所構成，其中介電質位於兩電極之間。在兩電極中置入高介電強度之介電質，如玻璃、石英、陶瓷等，並於兩電極間加上高電壓產生放電。南台科技大學電力電子研讨室S707負載簡介介電質放電意示圖南台科技大學電力電子研讨室S707負載簡介介電質放電等效電路南台科技大學電力電子研讨室S707負載簡介 介電質放電的負載特性是一個非線性損耗的電容，並空氣間隙的損失的能量進入介電質放電中，此介電質放電所耗费的能量可表示為如下所示：由上式(1)介電質放電反應器的實際耗费的能量可表示為下所示：南台科技大學電力電子研讨室S707負載簡介 介電質放電量測外部電荷的變化並要串聯一個電容Ci，所構成電源供應器之負載，高壓隔離探棒，量測負載輸出電壓V(t)，另一探棒並量測電容Ci之跨壓，由於外部電荷Q(t)與電容Ci之跨壓關係為：負載電壓與電荷量測法南台科技大學電力電子研讨室S707負載簡介 介電質放電所耗费的功率並以李塞育圖(LissajousFigure)Q-V曲線中表示，電壓與電荷曲線所包圍之面積來表示，使得電容的介電質電極在放電週期時可由Q-V曲線中線段斜率分別為介電質放電特性分析南台科技大學電力電子研讨室S707負載簡介介電質放電的能量W為李塞育Q-V曲線區域所包圍面積，可表示為下所示：如(6)式代入(2)式，可得知介電質放電的反應器中實際耗费功率相對應的P可表示為下所示：南台科技大學電力電子研讨室S707功率因數校正 功率因數修正器主要的作用就是讓輸入端的電壓和電流同相位，假设依运用的元件來分類，可分為被動式功率因數修正器和主動式功率因數修正器。由於被動式功率因數修正器主要組成元件是電阻、電容、電感、變壓器等元件，此類功因修正器電路有著結構簡單和低本钱優點，而被動式功率因數修正器的體積都相當大且笨重，且其功因值最好的情況下只能到達70%而已，在較嚴格的功因要求規範下並不適用，所以本文選用主動式功率因數修正器來作功因的修正。南台科技大學電力電子研讨室S707功率因數校正 主動式功率因數修正器常用的控制方式有二種：峰值電流控制法和平均電流控制法。峰值電流控制法利用電感電流的峰值追隨正弦命令電流，其優點為控制電路具有限流功能，電流控制迴路設計簡單。缺點在於電感電流的平均值於零交越點附近會有零交越失真的現象，需求斜率補償。電流誤差會愈來愈大，這個現象也會呵斥電流諧波量添加，導致功因值降低。這種控制法不適用於高性能的主動式功因修正器。平均電流方式的優點則是在電路上再外加一個由放大器電路構成的回授電路，也因此輸入電流將會以微小的誤差量追隨電流命令而變化，所以選擇以平均電流來作為控制的模式。平均電流方式具有控制輸入電流與穩定輸出電壓值的目的，可以準確地維持輸入電流正弦波形，且無需斜率補償。南台科技大學電力電子研讨室S707柔性切換技術概述當開關元件在主電路中作切換時，假设是运用傳統硬切的方式切換，在開關截止的瞬間，它的電壓與電流產生交越而產生一電壓的突波，其值會超過正常的輸入電壓值，此突波會添加開關元件的電壓應力，當開關導通的瞬間，由於開關上電流遭到寄生二極體反向回復的影響，電流會快速上升而產生一電流的突波，此電流突波會呵斥開關元件的電流應力，如下圖所示。南台科技大學電力電子研讨室S707柔性切換技術概述近幾年柔性切換技術逐漸取代傳統硬式切換，柔性切換技術可分為零電流切換(ZCS)及零電壓切換(ZVS)兩種方式。1.零電流切換(ZCS)：當開關截止時，其開關上的電流必須維持在零電流截止的狀態，而開關截止時的電流才不會與開關的跨壓產生交越損失，而使整轉換器效率提昇。2.零電壓切換(ZVS)：當開關導通時，其開關上的電壓必須維持在零電壓截止的狀態，而開關導通時開關的跨壓才不會產突波而產生導通損失。南台科技大學電力電子研讨室S707柔性切換技術概述經過柔性切換後，由下圖我們可以看到開關上的電壓及電流並未重疊，因此能將切換損失降到最低。南台科技大學電力電子研讨室S707零電壓轉換器全橋相移式零電壓切換轉換器之主電路架構南台科技大學電力電子研讨室S707零電壓轉換器-動作原理控制開關時序圖及一次側的電壓、電流波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707零電壓轉換器-動作原理南台科技大學電力電子研讨室S707零電壓轉換器-動作原理南台科技大學電力電子研讨室S707零電壓轉換器-動作原理南台科技大學電力電子研讨室S707零電壓轉換器-動作原理南台科技大學電力電子研讨室S707零電壓轉換器-動作原理南台科技大學電力電子研讨室S707控制方法相移式脈波寬調變方式(PhaseShiftPWM) 開關的驅動信號以180度互補，且驅動信號間相差一個相位，也就是所謂的相移角度。四個開關訊號的導通與截止週期都一样，且每個責任週期為50％，當對角的開關訊號導通週期相互交疊時，變壓器一次側才會有電壓而把能量感應到二次側。由於QA與QD或QB與QC需同時導通才干傳送能量至二次測，VP之輸出脈波寬度的大小取決QA與QC之相位差，當QA與QC之相位差愈大，則之脈波寬度愈窄，且輸出功率愈小，則傳送能量也愈小，所以利用相移調變方式來控制開關交疊時間長短就能達到輸出側電壓穩定。南台科技大學電力電子研讨室S707控制方法全橋相移式轉換器之開關與變壓器電壓動作訊號南台科技大學電力電子研讨室S707控制方法脈波密度調變方式(PulseDensityModulation) 負載功率之控制方法，其主要以相移脈波寬度調變來控制負載上的耗费功率，在負載上的耗费功率且能控制在低功率，因此参与脈波密度調變(PulseDensityModulation)的技術來控制負載上的耗费功率能達到在低功率的方法，因此在脈波密度調變控制則是以PIC18F4220晶片來製作。南台科技大學電力電子研讨室S707控制方法控制方法流程圖南台科技大學電力電子研讨室S707控制方法脈波密度調變控制方法採用PIC18F4220晶片並以類比電路以電壓控制方法達成。脈波密度調變控制是為40個責任週期為一個週期，並且以電壓來決定PIC輸出信號的脈波寬度。南台科技大學電力電子研讨室S707控制方法南台科技大學電力電子研讨室S707控制方法南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果功率因數修正器之量測CH1：200VCH2：10AM：5ms/div輕載(533W)之輸入電壓電流波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果功率因數修正器之量測CH1：200VCH2：10AM：5ms/div滿載(1066W)之輸入電壓電流波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果功率開關波形之量測CH1：5VCH2：200VM：10us/div超前臂功率開關跨壓及驅動信號波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果功率開關波形之量測CH1：5VCH2：200VM：10us/div落後臂功率開關跨壓及驅動信號波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果功率開關波形之量測CH1：400VCH2：5AM：5us/div功率開關跨壓及開關電流波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果 相移脈波寬度調變之量測，負載為介電質放電，變壓器規格為1：8.9，且頻率為45k及相移脈波寬度調變控制以50％、75％的方式，分別所耗费功率為310W、410W。CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：10us/div頻率45kPWM：50％波形圖

CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：10us/div頻率45kPWM：75％波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果相移脈波密度調變之量測，負載為介電質放電，變壓器規格為1：8.9，且切換頻率為45k及相移脈波調變控制以100％的方式，所耗费功率為520W。CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：10us/div頻率45kPWM：100％波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果當切換頻率為40k、45k，相移脈波寬度調變控制以100％的方式，分別耗费功率為800W、520W。CH1：400VCH2：10ACH3：5KVM：10us/div頻率40kPWM：100％波形圖CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：10us/div頻率45kPWM：100％波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果 當切換頻率為50k，相移脈波寬度調變控制以100％的方式，所消耗功率為310W。CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：10us/div頻率50kPWM：100％波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果頻率40k、45k、50k固定且控制相移脈波寬度調變(PWM)及脈波密度調變(PDM)之耗费功率。頻率(F)與耗费功率(W)之關係圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果脈波密度調變之量測，而負載以介電質放電，變壓器規格為1：8.9的去量測，且切換頻率脈45k，則以相移脈波寬度調變則控制在75％並已参与波密度調變則控制以25％、50％的方式，分別所耗费功率為120W、215W。CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：100us/divPWM：75％PDM：25%(10/40)波形圖CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：100us/divPWM：75％PDM：50%(20/40)波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果脈波密度調變之量測，而負載以介電質放電，變壓器規格為1：8.9的去量測，且切換頻率脈45k，則以相移脈波寬度調變則控制在75％並已参与波密度調變則控制以75％的方式，分別所耗费功率305W。CH1：400VCH2：10ACH3：2KVM：100us/divPWM：75％PDM：75%(30/40)波形圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果頻率45k且控制相移脈波寬度調變(PWM)及脈波密度調變(PDM)之耗费功率。PDM與耗费功率(W)之關係圖南台科技大學電力電子研讨室S707實驗結果頻率50k且控制相移脈波寬度調變(PWM)及脈波密度調變(PDM)之耗费功率。PDM與