第五章 系統研製
5.3 硬體電路製作
5.3.4 功率級電路相關元件設計
本計畫中所研製的功率因數修正電路，其功率級電路為升壓型架 構，其中主要的組成元件有儲能電感、功率開關、輸出功率二極體及輸 出電容，如圖 5.3 所示。在輸出電壓設定上，由於輸入電源採用 110 伏 特/60Hz 單相電源，而升壓型電路其輸入端與輸出端電壓之間一般皆設 計成輸出側直流準位大約高於輸入側直流準位的百分之十。故本文所研 製的功因校正電路其輸出端的電壓準位設定為直流 170 伏特。另一方 面，為了使功率級電路體積縮小並減少失真，切換頻應愈高愈好，但由 於本計畫所研製的功因校正電路為硬式切換架構，考量效率因素故切換 頻率不可過高，權衡系統體積大小及效率後，設定功率開關的切換頻率 為 66.7kHz，在進行電路設計之前，必需針對所設計的系統規格與考量 做個明確的定義，以下為此電路所制定的一些相關規格：
1. 輸入電源：
v
in rms( )=110 伏特 2. 輸入電源頻率：f
=60 Hz3. 輸出直流電壓準位：
V
o=170 伏特 4. 輸出最大功率：P
O =850 瓦特 5. 切換頻率：66.7kHz接著對功率級電路進行相關設計：
1.儲能電感的設計
功率級電路中最重要的元件即為此儲能電感，此電感設計上的好壞 將影響電路的工作性能，因為若設計的電感值過小，有可能造成功因校 正效果不佳，更嚴重將導致失去功因校正的功能，亦使得電感電流的漣 波量增加而產生線路上雜訊的問題。反之，若設計的電感值過高，此時 在鐵心的選擇上相對地就要選擇尺寸較大且所繞的線圈匝數也相對增
加，不僅使得鐵心損失與銅損皆增加亦造成成本的浪費，所以必須設計 一適當的電感值，使其能工作於最佳狀況並符合經濟原則。另外，在鐵 心的選擇上，由於鐵粉蕊(iron powder)材質的鐵心相較於陶瓷(MPP)材 質的鐵心則具有較大的鐵損，因此本儲能電感將採一環型的陶瓷鐵心來 實現。電感值選取的限制上必須要考慮到輸入電流的漣波大小，最大的 漣波電流產生於輸入電流為最大時。因此當輸入電壓最小且輸出功率最 大時，輸入電流將達到它的最大值，所以可由(5.1)式及輸出側最大功率
P
o為 850 瓦特的條件下得到最大峰值輸入電流為 10.93 安培。,
( )
2
oin peak
in rms
I P
= V
(5.1)式中
, in peak
I
：最大峰值輸入電流P
o ：輸出側最大功率其次考量儲能電感上產生的峰對峰漣波電流，在本計畫中取最大峰 值電流的 5%。接著將根據升壓電路的特性，可由電感之電壓與時間平 衡原理得到截止時間與導通時間對輸入電壓與輸出電壓之間的關係式。
由能量平衡關係知：
( )(1 )
in o in
V D
=V
−V
−D
(5.2)式中
D
：工作週期將(5.2)式整理可得：
o in
o
V V
D V
= − (5.3)
( )
L in o
V V V L I
t
∆ = − = ∆
∆ (5.4)
式中
V
L∆ ：電感上之跨壓
∆
I
：峰對峰漣波電流當開關導通時，可將(5.4)式表成(5.5)式 (0 )
L o
s
V V L I
DT
∆ = − = ∆ (5.5)
式中
T
s ：開關週期將(5.3)式代入(5.5)式即可得到電感關係式(5.6)式
in s
L V D f I
= ∆ (5.6)
式中
1
s s
f
=T
：開關頻率由(5.6)式可求得本計畫中所需之電感值為 362.9
µ H
，而在硬體實作 上則選取 0.5mH
。2.功率開關與輸出功率二極體的選擇
功因校正電路中功率開關的選用，主要是考量此功率開關的耐壓與 耐流及其最大切換速度是否能符合要求。其次，由於功率開關之導通損 失將與此功率開關內部的導通電阻有關，所以基本上應先朝耐壓、耐 流、切換速度及導通電阻四個規格來考量。首先，在耐流規格上必須先 求出於電路中流過此功率開關上可能的最大電流值，而最大電流值可根 據(5.7)式求得為 11.20 安培。
,max , 0.5
in in peak
i
=i
+ ∆i
(5.7)式中
,max
i
in ：功率級電路中最大電流峰值耐壓規格上，此電路中功率開關所承受的最大電壓則發生於功率開 關二端的跨壓等於輸出直流電壓的情況。基於以上考量以及元件取得的 便利性，因此選擇由英飛凌科技(Infineon Techologies)所生產的金氧半 功率電晶體(編號為 SPW47N60C3)做為功因修正電路的功率開關，此功 率電晶體汲－源極二端跨壓最大可承受 600 伏特，而流過電流最大可承 受 47 安培，表 5.3 為此元件的相關參數規格表。
表 5.3 功率元件開關(SPW47N60C3)規格表
元件型號
V
DSV
GSI
Dr
dst
on to ffC
oss SPW47N60C36 00 V ± 20 V 47 A 0.07Ω 9.5ns 9.6ns
3150 pF另一方面，輸出功率二極體的選擇上與上述功率開關一樣，首先必 須考慮其耐壓和耐流的規格，為了避免此電路產生誤動作的可能性以及 減少功率開關上所承受的電壓應力，此輸出功率二極體必須選用反向回 復時間較短的超快回復二極體(ultrafast recovery diodes)，因此選用由國 際整流公司所生產的超快速回復二極體(型號為 40EPF06)，做為本硬體 電路的輸出功率二極體，此二極體所流過最大電流可承受 40 安培、耐 壓為 600 伏特且反向回復時間為 160
ns
。3、輸出電容的設計
輸出電容器的設計上主要與輸出電壓漣波量、輸出電壓維持時間 (hold-up time)、輸出直流電壓準位、輸入側直流電壓準位這些規格有 關，其中維持時間定義為在輸入電源切斷後輸出電壓仍維持在某一容許
範圍內的時間，根據輸出電容器儲存能量的關係可寫出(5.8)式：
2 2
,min
1 [ ]
2
C V
o o −V
o =P t
o hold (5.8)式中
C
o ：輸出電容值,min
V
o ：輸出電壓維持時間內所允許的最低直流電壓t
hold ：輸出電壓維持時間重新整理(5.8)式可得：
2 2 hold
0 min
2 t
,
o o
o
C P
V V
= − (5.9)
將根據(5.9)式來設計輸出電容值，在此設定保持時間