1-1 研究動機
由於人類文明的高度發展，各種能源的開發與使用已經成為現代非常重要的課題。
傳統石化燃料雖然容易提煉與儲存，但是其資源蘊含量有限，而且燃燒所產生的二氧 化碳排放會造成空氣汙染並產生溫室效應，使得全球逐漸暖化，不適合日益嚴苛的環 保要求，漸漸取而代之的是不會產生汙染的再生能源。在已開發的再生能源中，以太 陽光電能發電的技術較為成熟，而且具有安全性高、無汙染、取得方便等優點，加上 各國政府的大力推廣，使其在能源市場上的需求量快速成長。由於台灣位於亞熱帶地 區，四季日照旺盛，適合太陽光電能之應用，政府也制定各種獎勵辦法來推廣太陽光 電能發電，開發太陽光電能不僅可使其成為替代能源之一，更可以改善傳統石化能源 使用所造成的空氣汙染問題，達到政府所提倡「節能減碳」之目標。
近年來，太陽光電能發電系統的發展已經受到極大的關注[1]-[5]，太陽光電能系統 可分為獨立型(Stand-Alone)、市電併聯型(Grid-Connected)與緊急防災型三種[6]。獨立 型通常使用於高山或離島等市電無法到達處，需額外加上蓄電池以便於陰雨天或夜間 時供電給負載使用。市電併聯型的太陽光電能系統為隨發即用型，產生的電能除了提 供給負載使用外，多餘的電能可藉由併聯回饋至市電電網中。緊急防災型則是將獨立 型與市電併聯型合併，平時與市電併聯，若發生如颱風、下大雨、打雷等災害導致電 力中斷時，則改以蓄電池供電。上述三種太陽光電能發電系統中，市電併聯型由於無 蓄電池，造價相對低廉，且可將多餘電能回饋至市電電網中，因此應用上較為普及。
由於太陽能電池產生的是直流電壓，對於市電併聯型之太陽光電能系統而言，必 須使用換流器(Inverter)才可將太陽能電池的直流電壓轉換為交流電壓而與市電併聯供 電，因此有許多學著致力於換流器的架構與控制策略研究[7]-[14]。對中低功率(< 3 kW)
2
之單相市電併聯供電系統而言，其換流器之典型電路架構為降壓形式，因此需要高於 交流輸出電壓峰值的直流輸入電壓才能使系統正常運作[15]-[17]。典型之太陽光電能系 統為兩級串接式，其架構如圖 1.1 所示。此架構前級為一非隔離型直流-直流轉換器，
以達到後級高頻切換換流器之輸入電壓調節與最大功率點追蹤功能[18]-[22]。此外，後 級換流器若以低頻切換，將產生較大的諧波失真，控制上較為困難，因此通常使用高 頻切換之換流器。此架構優點為各級獨立控制，故可針對各級作最佳化設計，並且具 有穩定之換流器輸入電壓，但缺點除了系統電路複雜度增加、成本提高及可靠度降低 外，由於多次能量處理所產生的功率損耗，將造成整體系統效率降低。因此為了改善 上述缺點，可使用隔離型直流-直流轉換器，將太陽能電池之電壓轉換為單極性的整流 式弦波後，再搭配後級以市電頻率作低頻切換的換流器，如此將可使換流器減少一級 之能量處理，以發展出具電氣隔離之換流器[23],[24]，如圖 1.2 所示。
vac
DC DC
PV Array
DC AC
Vdc +
_
直流-直流轉換器 高頻切換之換流器
(a)
vac
PV Array
DC AC
直流-直流轉換器結合 低頻切換之換流器
(b)
圖 1.1 (a)兩級串接式(b)單級式的太陽光電能市電併聯系統方塊圖
目前的電氣法規已經允許太陽能電板不接地，因此電氣隔離的功能變成是非必要 的。若是將前級的隔離型直流-直流轉換器以非隔離型轉換器取代，變壓器的移除將能 提高可靠度與降低成本，系統轉換效率亦可獲得改善[25],[26]。由此可見，換流器可藉 由非隔離型直流-直流轉換器產生單一極性的整流式弦波電壓，再由以市電頻率切換之 換流器改變輸出電壓極性產生交流電壓，如此一來效率便可提高。但是太陽能電池根 據照度與溫度的不同，輸出電壓也會跟著變動，對於非隔離型轉換器電路架構而言，
不論是升壓型(Boost)或是降壓型(Buck)轉換器都不適合，而單開關降升壓型(Buck-Boost) 轉換器雖然電路結構簡單，但是其功率開關電壓應力較高，且輸入能量全部需藉由電 感傳送至輸出端，與 Boost 或是 Buck 轉換器相比，其轉換效率較低。因此，為了發展 出適用於廣域輸入電壓範圍的換流器，許多以雙開關降升壓型(Two-Switch Buck-Boost, TSBB)轉換器的研究被提出[27]，以下將文獻[27]中所提出之數種 TSBB 轉換器列出並 簡單介紹如下：
(1). 升壓式串接降升壓型(Boost-Cascaded Buck-Boost, BoCBB)轉換器。此種電路架 構將升壓型轉換器作串聯，利用共用電容與降壓型轉換器結合，因此具備降 升壓功能。
(2). 降壓式串接降升壓型(Boost-Cascaded Buck-Boost, BuCBB)轉換器。此種電路架 構將降壓型轉換器作串聯，並將電感與電容與升壓型轉換器共用並結合，同 樣具備降升壓型功能，並且在此三種轉換器中，電路結構最為簡單。
(3). 升壓式交錯降升壓型(Boost-Interleaved Buck-Boost, BoIBB)轉換器。此種電路 架構將升壓型轉換器與降壓型轉換器作交錯連接，雖然具備降升壓功能，但 是電感與電容皆無共用，因此與上述兩種轉換器相比，電路成本最高。
上述 TSBB 轉換器中，以降壓式串接降升壓型(BuCBB)轉換器為最早被應用於換流器的 電路架構[28],[29]，但由於兩個開關同步操作，雖然控制方式較簡單，電路動作仍等同 於降升壓模式，無法有效提升效率。若是將兩個開關作獨立切換操作[30],[31]，如此其
4
動作模式將分別相似於 Buck 與 Boost 轉換器，電路動作時部分能量將不需透過電感儲 存並可直接傳送至輸出端，故效率將得以提升。
綜上所述，本文提出一降壓式串接降升壓型換流器，由 BuCBB 直流-直流轉換器，
結合全橋換流器後，可將輸入直流電壓轉換為交流電壓，其主電路架構如下：前級為 開關獨立操作之 BuCBB 直流-直流轉換器，產生單一極性的整流式弦波電壓，後級結 合以市電頻率作低頻切換之全橋換流器，則可輸出與市電頻率相同的弦波。由此可知，
本文所提之換流器電路由於 BuCBB 轉換器電路之開關為獨立切換，而全橋換流器之開 關乃以市電頻率作低頻切換，切換損失極低，因此本文所提出之電路乃為高效率直流-交流換流器，主要應用於太陽光電能市電併聯系統中。
1-2 文獻回顧
由於太陽光電能產業的蓬勃發展，應用於太陽光電能市電併聯系統中的換流器電 路益發重要，也因此有許多學著被提出，以下將介紹數項國內外過去所提出應用於太 陽光電能市電併聯之換流器電路與直流-直流轉換器電路：
(1). 2011 年由 H. Patel 等人提出一不具變壓器之單相換流器電路架構，僅需一個 太陽能電池之電壓源，改善效率並實現於太陽能市電併聯系統[13]。
(2). 2011 年由 Fang Zheng Peng 等人提出一單極性單相非隔離型之半 Z 源 (semi-Z-souce)換流器架構，其電路成本較低，並將其應用於單相的太陽能市 電併聯系統[14]。
(3). 2003 年由成功大學 Y.–C. Kuo 博士等人，以單級換流器，實現具最大功率點 追蹤的單相三線式太陽能市電併聯系統，其優點為體積小、低成本與高效率 [15]。
(4). 2013 年中正大學 Y.-C. Chang 博士等人，以雙開關降升壓型直流-直流轉換器 作為太陽能最大功率追蹤器之電路架構，並將其應用於直流分散式供電系統
(DC Distribution Systems)[30]。
(5). 2012 成功大學 C.-L. Wei 博士等人，以三相(three phases)方式控制雙開關降升 壓型直流-直流轉換器，並將其應用於高效率之鋰離子電池充電器[31]。
(6). 2001 年由 J. Chen 等人，提出一系列的雙開關降升壓型直流-直流轉換器[27]，
並於 2006 年將其應用於功率因數校正器，以降低功率開關及電感之導通損耗 [28]。
由以上文獻回顧可以得知，有許多換流器架構被提出來應用於太陽能市電併聯系 統中，而其中多以改善轉換效率為目標。本文所提之降壓式串接降升壓型換流器僅使 用單一電感器，故電路結構簡單，且由於無變壓器、部分能量可直接傳送至輸出端、
同一時間僅一功率開關作高頻切換等優點，使得本文所提換流器電路架構可望達到極 高之轉換效率。
1-3 論文大綱
本文內容共分為五章，各章節內容如下：
第一章： 說明太陽光電能的重要性，介紹應用於太陽光電能市電併聯系統中換流器之 電路架構，並且說明本文所提出之換流器電路的研究動機。
第二章： 說明本文電路之架構與動作模式，並分析導通損耗與推導小訊號模型。
第三章： 將控制電路分為軟體與硬體兩部分，並各別介紹與說明。
第四章： 根據雛型電路之電氣規格設計元件參數值，以 ISpice 電路模擬軟體模擬驗證 後，製作一 400W 之雛型電路，量測實驗結果並分析。
第五章： 結論並提出未來研究方向。
6