具小直流电容之单相线上互动式不断电电源供应系统研制.PDF

具小直流電容之單相線上互動式不斷電電源供應系統研製 A Compact Topology for Single-Phase Line-Interactive UPS Using Small DC-Link Capacitor 蔡明村 張家銘 鄭尊仁 Ming-Tsun Tsai Chia-Ming Chang Tsun-Jen Cheng 南台科技大學 電機工程系 Department of Electrical Engineering, Southern Taiwan University of Technology 摘要 本文提出一具小直流電容器之單相線上互動式不斷電電源供應系統(UPS)， 所提系統和傳統之直流側大的電解質電容做儲存能量與前後級解藕元件的架構 有明顯的差異，它的特點是小直流電容器，小輸入和輸出電感，並且低開關損失。 傳統架構之前級以脈波寬度調變(PWM)切換形式作功率因數改善控制(PFC)，其電 感為電流換向用，感值較大。後級則以變流器方式做 PWM 切換，由於控制方式 複雜，切換頻率較低，故後級的濾波電感值也不小，且由於前後級均同時 PWM 切換，故整體效率較低。相對於本研究則是採用交流截波器(AC chopper)切換方 式，其控制方式簡單，在正常模式下它可依市電電壓上升和下降而控制相對應的 功率晶體作切換，且當市電電壓故障時能改為備用模式工作。而且不管電壓上升 或下降，也只有一組功率晶體在PWM 狀態，其餘開關則以低頻60Hz方式切換或 不切，故整體效率高，尤其是三臂式架構之中間臂電流可互相抵消，其效率更是 高，本文最後以一1kVA實驗系統證明所提控制策略之可行性。 關鍵詞：線上互動式、功率因數改善、交流截波器、三臂式架構。 一.前言 近年來，隨著半導體工業及電腦科技的快速發展，使得各項精密設備被 大量使用在高科技產業等製造業的設備上，因此如何維持這些精密設備的穩 定是最令人關注的問題。對這些精密設備而言，最嚴重的威脅莫過於電源干 擾，包括不可預期的電壓變動及電源中斷等 ，這些無法預期的擾動可能便會 造成精密設備的操作異常，產生巨大的損失 ，因此如何提供穩定的電源是非 常重要的課題。 一般而言，短暫的電壓突升、驟降 、電力中斷等電力不良的現象，可藉 由交流電源調節系統（Ac po wer conditioning system）來改善。交流電源 調節系統依其功能可以分成二類：即交流不斷電電源系統(UPS)與交流穩壓 器，這兩類設備的硬體架構與控制技術事實 上有許多相似之處，其中的主要 差異在前者包含蓄電池以提供連續電力，因此其架構多了充電器與將電池電 壓轉到直流匯流排的轉換器，當然有些不斷電電源供應系統在其內部裝有功 能有限之交流電壓調整器，可在平時提供穩壓功能，而在斷電的情況下提供 持續供電的功能，這種額外的穩壓功能尤其在開發中國家面臨電力供需不 穩，尖峰備載容量不足時尤其重要。在公共電力品質惡化的情況下，不斷電 電源供應系統對電腦與通訊設備顯然相當重要。 目前市面上大部分的個人電腦都是使用 離線式不斷電系統，離線式系統在 產品價格上最具競爭力，然而其最主要的缺點在於無或者僅具備少量的穩壓能 力，因此這種架構無法滿足更為精密設備的用電需求，如：大型電腦、微晶片 製造、心肺機等設備，通常這類負載需要良好的電壓波形與電壓調整率，才 可維持其系統的正常工作，因此減低該項產品之適應性；在線式產品則可改善 此項缺失，但該電路甚為複雜，產品價格亦最為昂貴。而線上互動式不斷電系 統之架構則介於這兩者之間，它具有離線式不斷電系統的效率高之優點，同 時也兼具良好的輸出穩壓性能。有鑑於此， 此種系統目前也被廣泛的研究探討。 由相關文獻得知，目前市場上所使用之線上互動式不斷電系統可分為: 1. 在市電與負載間加入一連結電感，並於負載側 並聯一電壓控制式電能轉