第四章 模擬驗證
4.2 無電流感測控制之模擬
4.2.2 暫態模擬
除了考慮電路穩態下輸入電流的波形，同時也必須關注的是暫態響應，當負 載突然變化的時候，由輕載變重載或由重載變輕載時，檢視其控制器是否能穩定 的控制，直流鏈輸出電壓是否能儘快的調節，輸入電流波形是否仍保持正弦並和 輸入電壓同相。同樣的，頻率 400Hz 輸入電壓下，再觀察其變化是否符合預期。
如圖 4.11，在此模擬負載由 400W 升至 600W 之暫態響應，可看出 VO受到擾動約 7V，輸入電流 is峰值由 6A 上升至 10A，其安定時間大約在 50ms。
200V 205V
195V
VO
25ms
0 60V 120V 180V
-5A -10A -15A
is
vs
圖 4.11 60Hz 模擬輸入電壓下暫態響應
同樣地，改由頻率 400Hz 輸入電壓，如圖 4.12，觀察其波形可看出，大致和 60Hz 輸入電壓差距無幾，VO受到擾動約 8V，輸入電流 is峰值由 5A 上升至 10A，
其安定時間大約 200ms。
200V 205V
195V
VO
25ms
0 60V 120V 180V
-5A -10A
-15A is
vs
圖 4.12 400Hz 模擬輸入電壓下暫態響應
第五章 電路實作
5.1 現場可規劃邏輯陣列
現場可規劃邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)是一種可規劃 邏輯陣列 IC，它提供了「邏輯閘陣列」(Gate Array，GA)元件的特性與「可程式陣 列邏輯」(Programmable Array Logic，PAL)元件的規劃彈性，具有以下幾個特點：
一、使用者可以任意規劃邏輯電路；二、FPGA 元件可以重複使用燒錄；三、可以 快速合成使用者的電路；四、具有完善的軟體可以配合使用。
利用 FPGA 來實現控制系統有著不少優勢在，除了有較高的運算時脈外，其 平行運算的能力也相當高。除此之外，利用 FPGA 實現的控制器，其行為也非常 接近等效之類比控制器，而且不但能保留其優點，如無計算上的延遲(No Calaulation Delay)、更高的頻寬(Higher Bandwidth)等；更能將其缺點排除，如參數飄移
(Parameter Drifting)、較低的積分層級(Poor Level of Integration)[ ]。除此之外，與其 類似功能之 CPLD 做比較亦存在不少優點，在編程上 FPGA 比 CPLD 具有更大的 靈活性，且 FPGA 非常適合複雜邏輯結構，這些優勢也讓 FPGA 更適合使用在控 制系統上。
FPGA 元件內部主要包含了三大部分，數百個到數千個標準的可程式邏輯單元 (Configurable Logic Blocks，CLBs)，排列形成 M × N 的電路矩陣；每個邏輯單元 均連接至縱向網路及橫向網路，外部在圍繞一圈輸入輸出單元，如圖 5.1 所示，當 電路完成設計後，便可以把產生之電路架構編譯檔下載至 FPGA 中進行連線規劃，
成為一顆具有特定功能之 IC。這樣不但縮短了研發時間，同時又擁有多次燒錄等 功能，而且也大大增加設計方法上之彈性。
接下來將介紹 FPGA 的設計流程。首先 FPGA 的設計方法有二種，分別為圖 形化流程(Schematic Flow)以及硬體描述語言編輯(HDL Editor)，然而近年來電路設
計的規模日益龐大複雜，若使用圖形化的設計方法相當的費時且容易發生錯誤，
因此利用硬體描述語言的設計方法成為主流，一般常見的硬體描述語言有 VHDL、
Verilog 等，而本論文所使用的為 Verilog，由於接近 C 語言的語法撰寫，使得較 VHDL 來的容易上手，而撰寫硬體描述語言最重要的就是電路的觀念，以及訊號 實續的正確性，因此在程式撰寫的概念上有別於 C 語言與 MATLAB 等逐行編譯的 程式語言。
將所希望設計的電路利用圖形化流程或是硬體描述語言完成後，接下來則可 以做行為模擬(Behavior Simulation)及合成後的函數模擬(Function Simulation)，藉此 可以瞭解所設計的電路功能是否正確。驗證功能正確後，就可以進行時序模擬 (Timing Simulation)，模擬電路在燒入 FPGA 後，所造成的延遲是否符合需求。
圖 5.1 FPGA 元件基本結構 本實驗所使用之現場可規劃邏輯閘陣列發展板，型號為
UBD-Spartan3E-ST3E。其核心為 Xilinx 公司研製，型號為 Spartan-3E XC3S250E，
並配合 Xilinx ISE 8.2i 之軟體進行電路撰寫及模擬。此核心內含 4896 個 4 輸入 LUT(Look-Up Table)及 D 型正反器(D-Type Flip-Flop)，封裝為 PQFP 208 隻腳位，
其中供使用者使用的腳位有 158 隻。此外，還包含了有 12 個 18K-bits 的 Block RAMs，12 個 18 乘 18 的硬體乘法器。實驗板上則提供 8 個指撥開關及 LED 介面 及 40MHz 之石英震盪器等。
5.2 實作電路組成
Gate Driving Circuit
FPGA XC3S250E
Isolation amplifier A/D
圖 5.3 實作電路照片 A/D 及 D/A 電路
Gate Driver
FPGA 實驗板 Main Circuit
5.2.1 數位類比轉換電路(A/D Circuit & D/A Circuit)
FPGA XC3S250E
SFRM1CONVST1SDATA1 CLK SFRM2CONVST2SDATA2
CLK
1
5.2.2 開關驅動電路(Gate Driving Circuit)
如圖 5.6 所示，從 FPGA 取得 PWM 開關訊號進入開關驅動電路，在產生足夠
330 DS2505-M
V mF 35
1 Zener
8.2V 1µF
5.3 控制器合成
Signal Generater
與參考電壓 *V 相減後所得誤差，進入 S#3 到 S#6 的 PI 控制器產生出電感電壓命o
令VˆL。
S#9 到 S#17 為開關訊號產生迴路，S#8 將輸入電壓 vs鎖相，並抓取其零交越 點，然後在 S#9 以週期(1/60)及(1/400)秒設定一計時器以用來查表，S#10、S#11 中 內建 2 個表分別為 s1(ωt)和 s2(ωt)，考慮在每一次開關週期查表一次，亦即查表的 時間間隔為 25μs。而 S#10 到 S#11 為將此查表位置累加，而進入 S#12、S#13 再 乘上估測電感電壓VˆL。而後 S#14 加上開關及二極體不理想因素的補償，產生出 控制訊號 d。S#15 為 PWM 的模組，利用 S#14 所產生的控制訊號 d，經過開關分 配而得到二組開關訊號輸出。整個控制迴路利用 25μs 完成。其餘在 FPGA 所實 現的模組還有除頻模組和 D/A 模組。除頻模組是將 FPGA 基頻 40MHz 分別產生 20MHz、10MHz、4MHz、40kHz 和 20kHz 等時脈，來當作觸發其餘模組所用。
D/A 模組雖非無電流感測控制器所必須，但可藉由此模組觀察 FPGA 內部訊號，
對於 FPGA 的合成有很大的幫助。表 5.1 為此架構下之 FPGA 使用率。
表 5.1 各種架構下之 FPGA 使用率 可使用 已使用(使用率) 4 Input LUTs 4896 1394(28%) D-type Flip-Flops 4896 377(7%)
IOBs 158 23(14%) MULT 18×18s 12 5(41%)
5.4 無電流感測之實作
在本節中將以 FPGA 實作理想輸入電壓下 60Hz 及 400Hz 頻率下，輸出 200W、
400W、600W 輸出，並記錄其各次輸入電壓及電流諧波值，並與 A 類及 D 類規範
或 DO-160 規範做比較，驗證其控制法則的可行性。
5.4.1 頻率 60Hz 輸入電壓下之穩態實作
在下列的穩態實作中，將輸入定為 60Hz 理想電壓 110Vrms，此時輸出端負載 接電阻 200Ω、100Ω及 66.67Ω使輸出分別為 200W、400W 及 600W，此時利用示 波器量測輸入電壓及輸入電流，如圖 5.8 至圖 5.10，並透過功率計記錄各次電流諧 波的大小值，並整理成下表 5.2。
表 5.2 60Hz 實作輸入電壓下各次諧波及其 THDi
輸出功率
諧波次數 200W 400W 600W
1-基本波
(單位：A) 1.7616 3.4403 5.2297
奇次諧波
3 0.1575 0.2844 0.5743 5 0.0551 0.0389 0.0844 7 0.0147 0.0368 0.0520 9 0.0145 0.0258 0.0338 11 0.0162 0.0251 0.0235 13 0.0169 0.0190 0.0158 15 0.0195 0.0209 0.0139 17 0.0185 0.0157 0.0111 19 0.0136 0.0133 0.0085
偶次諧波
2 0.0718 0.0460 0.1069 4 0.0420 0.0253 0.0284 6 0.0380 0.0353 0.0238 8 0.0214 0.0243 0.0177 10 0.0166 0.0183 0.0138 12 0.0093 0.0086 0.0125 14 0.0099 0.0112 0.0070 16 0.0040 0.0021 0.0057 18 0.0027 0.0035 0.0040 20 0.0029 0.0012 0.0029 THDi (%) 11.27% 8.80% 11.41%
vs
is
0 -5A 60V
Vo
5ms -10A
-15A 120V 180V
THDi=11.27%
圖 5.8 200W 輸出 60Hz 實作輸入電壓及電流波形
vs
is
0 -5A 60V
Vo
5ms -10A
-15A 120V 180V
THDi=8.8%
圖 5.9 400W 輸出 60Hz 實作輸入電壓及電流波形
vs
is
0 -5A 60V
Vo
5ms -10A
-15A 120V 180V
THDi=8.8%
圖 5.10 600W 輸出 60Hz 實作輸入電壓及電流波形
5.4.2 頻率 400Hz 輸入電壓下之穩態實作
此時輸入電源改為 400Hz 理想電壓 110Vrms，輸出端負載接電阻 200Ω、100 Ω及 66.67Ω使輸出分別為 200W、400W 及 600W，此時利用示波器量測輸入電壓 及輸入電流，如圖 5.11 至圖 5.13，並透過功率計記錄各次電流諧波的大小值，並 整理成下表 5.3。
表 5.3 400Hz 實作輸入電壓下各次諧波及其 THDi 輸出功率
諧波次數 200W 400W 600W
1-基本波
(單位：A) 1.8428 3.6783 5.6295
奇次諧波
3 0.1790 0.2531 0.4722 5 0.0680 0.0924 0.1016 7 0.0426 0.0606 0.0795 9 0.0196 0.0399 0.0568 11 0.0178 0.0331 0.0521 13 0.0118 0.0252 0.0396 15 0.0058 0.0179 0.0319 17 0.0070 0.0142 0.0225 19 0.0053 0.0105 0.0193
偶次諧波
2 0.0183 0.0332 0.0409 4 0.0322 0.0370 0.0329 6 0.0166 0.0241 0.0198 8 0.0115 0.0179 0.0113 10 0.0046 0.0125 0.0088 12 0.0023 0.0107 0.0042 14 0.0011 0.0087 0.0031 16 0.0005 0.0070 0.0027 18 0.0009 0.0056 0.0014 20 0.0002 0.0064 0.0027 THDi (%) 11.15% 8.00% 8.95%
vs
is
0 -5A 60V
Vo
500μs -10A
-15A 120V 180V
THDi=11.15%
圖 5.11 200W 輸出 400Hz 實作輸入電壓及電流波形
vs
is
0 -5A 60V
Vo
500μs -10A
-15A 120V 180V
THDi=8.0%
圖 5.12 400W 輸出 400Hz 實作輸入電壓及電流波形
vs
is
0 -5A 60V
Vo
500μs -10A
-15A 120V 180V
THDi=8.95%
圖 5.13 600W 輸出 400Hz 實作輸入電壓及電流波形
5.4.3 頻率 60Hz 輸入電壓下之暫態實作
在原來輸出 400W 下切載至 600W，利用示波器觀察輸入電流及輸出電壓的變 化，其切換負載大至在 100ms 內，輸入電流可以平穩的變化，而輸出電壓僅漣波 電壓稍微增加，如下圖 5.14。
vs
is 0 -5A 60V
Vo
20ms 200V
190V 210V
120V 180V
-10A -15A
圖 5.14 60Hz 實作輸入電壓及電流之暫態響應
5.4.4 頻率 400Hz 輸入電壓下之暫態實作
如同上一小節，將輸入改為 400Hz 理想輸入電壓，輸出 400W 下切載至 600W，
利用示波器觀察輸入電流及輸出電壓的變化，其切換負載大致仍在 100ms 內，如 下圖 5.15。
0 -5A 60V 200V Vo
190V 210V
vs
is
10ms
120V 180V
-10A -15A
圖 5.15 400Hz 實作輸入電壓及電流之暫態響應
5.5 諧波規範比較
在下表 5.4 至 5.6 中，分列出在頻率 60Hz 理想輸入電壓下，各輸出功率下所 得電流諧波成分與 IEC 61000-3-2 之 A、D 類規範做比較，均有符合此規範。而在 表 5.7 中，列出了在頻率 400Hz 理想輸入電壓下，各輸出功率下所得電流諧波成分 與 DO-160 規範，在偶次諧波尚未達到標準，而奇次諧波僅 3 次諧波尚未符合規範。
表 5.4 200W 輸出 60Hz 實作輸入電流與諧波規範 13 0.21 200×0.000296＝0.0592 0.0169
15 0.15
表 5.5 400W 輸出 60Hz 實作輸入電流與諧波規範 13 0.21 400×0.000296＝0.1184 0.0190
15 0.15
表 5.6 600W 輸出 60Hz 實作輸入電流與諧波規範 13 0.21 600×0.000296＝0.1776 0.0158
15 0.15
表 5.7 200W 輸出 400Hz 實作輸入電流與諧波規範 輸出功率：200(W)
基本波：1.8428(A)
DO-160 奇次諧波規範 電流 DO-160 偶次諧波規範 電流
表 5.8 400W 輸出 400Hz 實作輸入電流與諧波規範
輸出功率：400(W) 基本波：3.6783(A)
DO-160 奇次諧波規範 電流 DO-160 偶次諧波規範 電流
表 5.9 600W 輸出 400Hz 實作輸入電流與諧波規範
輸出功率：600(W) 基本波：5.6295(A)
DO-160 奇次諧波規範 電流 DO-160 偶次諧波規範 電流
5.6 實驗改善方向
本論文末將針對實作的誤差，提出幾點本實驗可以改善的方向：
1. 本論文實驗提出的無電流感測控制，僅靠二個 A/D 轉換電路感測輸入電壓及輸 出電壓，故此 A/D 轉換電路的可靠度顯得相當的重要，無論是感測出的大小或 是頻寬不足造成時間的誤差，將影響控制的效果。
2. 所提出的控制法中，補償開關及二極體不理想特性的壓降，是假設一定值，但 其壓降的大小會隨著溫度而有所改變，其補償的大小應有所不同，故實驗時半 導體元件散熱也會影響實驗的結果。
第六章 結論
總結以上實驗歸納，若是採用本系統有以下優點：
1. 本電路結構簡單，相較於傳統之電流控制迴路減少了一個控制迴圈，因此可降 低電路複雜造成的誤差。
2. 因取消了電流的控制迴路，減少了電流感測器，因此可以有相較於電流控制迴 路控制更便宜的電路費用。
3. 在本控制推導的方法，亦可用在頻率較高的範圍，且仍保持為理想弦波，使應 用範圍廣泛。
亦有缺點存在：
由於無感測輸入電流，因此我們必須得知電感的感值以及內阻值來加以補 償，其精確程度將與 PFC 效果呈正比。
參考文獻
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[10] Jian Sun, “Analysis and Design of Single-Phase PFC Converters for Airborne
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