三相交直流電源轉換器之拓樸分析與控制

大華科大電子電機工程系教授謝振中。

為提升電源轉換的效率，讓發電、供電都發揮最佳效能，從事電學研究的產業與學術單位，紛紛發表更好的實作方法，讓電源轉換更有效率，同時降低電磁干擾、波型失真，為提升電流純淨與高效而努力。

至於在中高瓦數的應用中，尤其是工業用電的場合，「三相電」(3-phase electric power)可說是最常用的電源，能提供千瓦以上功率的電力，然現行的電源轉換器轉換效率，仍有改進的空間，因此，學術單位的專家也分享各種改善的方法，以提供各界在電源設計優化時的參考…

高瓦數電源轉換  三相電應用最讚

大華科技大學(TUST)電子電機工程系教授謝振中博士，針對「三相交直流電源轉換器之拓樸分析與控制」的議題做闡述。他首先介紹自己的工作經歷，曾考取室內配線及儀表電子乙級技術士。隨後曾經擔任過經濟部智慧財產局的專利審查委員、勞動部職訓局室內配線？工業電子？儀表電子技術士監評人員、勞動部職訓局電力電子？工業電子技術士命題委員。在電機電子等領域研究多年，並發表多項論文、書籍。

謝博士當天分享的主題以大功率的轉換器為主，特別是有關三相交直流電源的轉換器。並說明當今許多大功率的電源轉換器，在轉換過程中會產生過熱問題。

至於過量的諧波電流可能出現潛在問題，包括：電源功率校正的電容、失真的電壓波形、造成斷路器的誤跳脫、過熱的變壓器導致絕緣體的損壞和失效、產生間歇性的電噪聲、產生導體的過熱現象等等。

傳統的作法是利用二極體整流器來進行變壓，但由於其交流電壓是為較窄的高峰值電流，因此會有EMI(電磁干擾)、諧波污染、功率低、輸出的直流電壓無法調整等缺點。而採用相變控制的整流器，則具有直流電壓可調整的特性。

因此，為了克服這些問題，符合即將推行的諧波標準(如IEC1000-3-2)，同時達到直流輸出電壓可調整的目的，大華科技大學也提出一些解決方法，以供各界參考。

電源轉換挑戰多  分析各電路實作

最基本的方式，就是以雙級式電源轉換設計，其電路設計就是將單相或三相的電源，透過傳統的DC/DC轉換器，然後接到負載電器上，這樣作法會造成轉換效率降低。因此現今有採用單級式電源轉換設計，透過整合了輸入電流控制、負載電壓調整，讓轉換效率更高，同時兼顧輸入與輸出隔離的設計。

例如利用DCM(不連續電流模式)的轉換器，雖說上述有些條件是可以達到，但其有優點也有缺點。像是增加導通損耗和電壓應力、改變輸出級(如SEPIC單端初級電感轉換器、Ćuk、Flyback反馳式、Buckboost升降壓、Zeta等)，可用變壓器來取代輸出電感，並可將輸入與輸出隔離等等。若將上述電路設計，改成「3組、單級式」的升壓轉換電路，其特點就是在控制上能夠明顯地簡化，且低頻漣波電壓將不存在，但會降低轉換器的整體效率。

上述是採用單一開關設計，若改成「6開關、全橋式」的升壓設計，雖說具備轉換效率高的優勢，但卻會造成嚴重的二極體無法復原、開關切換的高耗損度，且難以做到將輸入電與輸出電隔離等問題。

針對上述有一好、無兩好的電路設計方式，因此就有人提出以「4開關、全橋式」的升壓設計，透過減少兩組開關改用電容來取代，這種作法可以提升直流電的輸出電壓，讓需要電壓的電器產品來使用，但先前6開關設計所面臨到的問題，在4開關設計時仍然存在。另外還有人提出用「3開關、全橋式」的升壓設計，並將開關往前緣推進，連接到電感的後面，甚至再搭配雙向開關，就可以提供單向電流，但必須增加二極體，且會帶來更多的導通損耗。

再來看看降壓設計部分，若採用「6開關、三相式」的降壓轉換電路，其優勢是本身就具備短路保護、低輸出直流電壓、較小的湧浪電流、更寬的電壓迴路頻寬、開迴路控制。但劣勢則是：轉換器必須透過DCM來操作(會增加切換開關的壓力，與輸入濾波器的大小)、 比在升壓電路時的導通損耗還高。若改成「3開關、三相式」的話，切換開關可以相對變得較少，且提供單向電流，但控制方式會比較複雜，而且須增加二極體元件。

上述的電路設計都有其優缺點，因此謝振中提出較經濟的作法。以降壓轉換電路為例，像是在「3開關、三相式」降壓轉換電路中，就把開關設計簡化、並搭配較少的二極體，以節省成本。

此外，在升降壓轉換電路中，也提出「3、4、6開關、三相式」的各種升降轉換設計，改變電感與二極體的位置，並且提供短路保護、低輸出直流電壓、較小的湧浪電流、更寬的電壓迴路頻寬、開迴路控制、具備升壓與降壓的能力等優勢。

三相升壓轉換器  去除感測器設計

一般在設計轉換器的時候，必須讓輸入電壓滿足功率因數原則上等於1的目標，而輸出電壓可透過量測方式得知，因此一般直流轉交流的電壓轉換電路中，都配有Current Sensor(電流感測器)，謝振中也提出去除該感測器設計的作法，以達到節省元件成本的目的，進而達到改善工業用電的目的。

其研究動機，在於提供工業用電的高功率的直流電源、提供中階的AC/AC轉換器的DC連接，並以closed form，將所有的元件與參數，透過數學方程式來表示，讓分析、模擬、獲得直覺的工程圖上也能非常有用。而其研究目的有：正弦輸入電流、可調整功率因數、純淨的直流電壓輸出、雙向電流的能力、更高可靠度、去除電流感測器件、固定開關切換頻率等。

接著他列出一種全橋式的電路圖架構，以及導出正弦波PWM(電源管理)控制法的數學式。並說明理想的三相輸入電流的波形圖中，共有6個區間，在每個區間(每60度)都要有各種開關切換的策略，也因此會有不同的狀態方程式。同時他秀出典型的閘控信號，對應的等效電路，並導出正弦波PWM轉換器的狀態方程式。

至於在死區的部分，他也導出死區正弦波PWM轉換器的狀態方程式，與各區間的切換函式。另也導出4開關的正弦波PWM方程式、切換函式、狀態方程式等等。接著透過模型化，將3種控制策略合併，定義各空間向量的數學表達方式，在同步旋轉座標裡，也定義擾動方程式。

然後建立出DC和AC的模型，應用在控制器的設計上，穩定運作的約束值、與PI控制器傳遞函數，最後繪製出系統原理框架示意圖。此外，在運作狀態、輸出電容選擇、升壓型耦合電感的選擇上，都有對應的數學函式，以幫助電源設計師來規劃出效率高的電源轉換器。

三相升壓轉換器  非對稱電源設計

延續上述的研究結果，謝振中博士也提出「非對稱電源下」的三相AC轉DC升壓轉換器之作法，研究動機在於：處理非對稱的輸入電壓所造成的影響、正弦輸入電流、可調整功率因數、純淨的直流電壓輸出、雙向電流的能力、更高可靠度、去除電流感測器件、固定開關切換頻率等。

接著他列出基本的正弦波PWM、考量在非對稱的輸入電壓下的函式表達方法，並導出該PWM轉換器的狀態方程式，以及穩態下的各種數學表達方法。同樣地，死區的正弦波PWM狀態方程式也可以被導出，最後歸納出各區間之下的切換函式表。最後應用在4開關的正弦波PWM方程式中，透過重新排列、計算輸出電壓等方式，求出其最佳的切換函式，最後便可繪製出系統原理框架示意圖，進而實作出真正的電源轉換器。