6.2.1 系統穩態響應
首先定義PFC系統模擬時之輸入、輸出規格要求，如表6.1所列。圖6.2為PFC升壓式 轉換器平均電流控制模式系統方塊圖。圖6.3及6.4分別為CCM PFC升壓式轉換器閉迴路 系統及UCC3818內部實際電路模擬圖。今電感為396.9 μH，輸出電容為1560 μF，電感 電流迴授增益為0.15；在輸入為220 VAC、輸出400 VDC、負載分別為300 W及500 W 之工作點設定下，其模擬結果如圖6.5~圖6.8。圖6.9~圖6.12則為相同條件下之實際電路 量測結果與PSIM模擬之比對圖。其中在實際電路中，輸出電壓漣波會受到輸出電容之 ESR影響，今在PSIM之模擬中將系統之ESR設為0.3Ω。
今以PSIM模擬負戴300 W之THD為0.62，功率因數經計算為0.849；負載500 W之 THD為0.49，功率因數經計算為0.922。經實際電路量測，負戴300 W之THD為0.356，
功率因數經計算為0.942；負載500 W之THD為0.283，功率因數為0.962。
表6.1
CCMPFC升壓式轉換器之規格參數
CCM average current mode control boost PFC
Vi 220 VRMS
Vo 400 V
Po 500 W (34% load)
300 W (20% load)
fs 62.3 kHz
圖6.2 PFC升壓式轉換器平均電流控制模式系統方塊圖
圖6.3 使用連續導通模式PFC控制IC之PFC升壓式轉換器控制架構
圖6.4 UCC3818內部電路模擬圖
圖6.5 負載300 W、輸入電壓220 VAC之電感電流波形
圖6.6 負載300 W、輸入電壓220 VAC之輸出電壓波形
圖6.7 負載500 W、輸入電壓220 VAC之電感電流波形
圖6.8 負載500 W、輸入電壓220 VAC之輸出電壓波形
圖6.9 負載300 W、輸入電壓220 VAC之電感電流模擬波形與實測波形比對圖
圖6.10 負載300 W、輸入電壓220 VAC之輸出電壓模擬波形與實測波形比對圖
圖6.12 負載500 W、輸入電壓220 VAC之輸出電壓模擬波形與實測波形比對圖 6.2.2 系統暫態響應
控制系統的暫態響應步級變化為動能特性性能之重要測試指標，本節針對300 W負 載切換至500 W負載之軟體模擬與實驗結果進行比對與分析，並由時域上的波形變化與 電壓迴路之頻率響應進行系統時域與頻域相互關係之分析比對。圖6.13為輸入電壓220 VAC，負載由300 W切載至500 W之輸出電壓電腦模擬波形及實際量測波形。由圖可 知，輸出電壓於系統閉迴路控制下被穩壓於403 V；在0.22秒時負載由300 W切載至500 W，經由約兩次振動，故估計系統Q值約為2；至0.46秒時再度進入穩態，安定時間ts約 為0.24秒；系統上升時間tr約為0.03秒，最大超越量為5 V。
接著由系統電壓迴路之頻率響應進行系統特徵參數之分析，由圖6.14可知電壓迴路 頻寬為10.86 Hz，相位增益為31°，故可由此估算得系統之阻尼比(damping ratio)ξ
0.31
100 100 31
(deg)= ξ ⇒ξ = =
PM (6-1) 故由(6-1)可求出系統Q值為
1.61 21 =
= ξ
Q (6-2) 接著由時域上之安定時間ts以及(6-1)進行系統之自然無阻尼頻率(natural undamped frequency) ωn之計算，
t s n rad s
n
s = 4 =0.24 ⇒ω =53.76 /
ξω (6-3) 在求得ξ及ωn後，便可進一步估算系統之上升時間及電壓迴路之頻寬，其中上升時間為
t s
n
r =1 =.8 0.03
ω (6-4) 而電壓迴路頻寬則可由下列公式求得
Hz s
rad BW n
38 . 12 / 78 . 77
) 4 4 2 2
1
( 2
1 4 2 2
=
=
+
− +
−
=ω ξ ξ ξ (6-5)
故可知以上由頻域所推算得之系統參數與時域所得結果大致符合。
圖6.13 輸入電壓220 VAC、負載300 W切載至500W之 輸出電壓模擬波形與實測波形比對圖
圖6.15~圖6.19為本實驗平台各工作點，分別於系統20% (294 W)、34% (500 W)、
50% (735 W)、80% (1176 W)及100% (1470 W)負載之理論模型、PSIM電路模擬與實際 實驗量測之電壓迴路頻率響應圖，其中○為PSIM模擬電路掃描結果，x為理論分析結 果。表6.2則為系統電壓迴路各工作點之頻寬及相位邊限之模擬與實驗量測結果，並整 理成圖6.20、圖6.21。由圖可知，實驗結果與理論模型推導以及PSIM電路模擬結果均 相吻合。
圖6.15 20%負載之電壓迴路增益頻率響應理論實驗比對圖
圖6.16 34%負載之電壓迴路增益頻率響應理論實驗比對圖
圖6.17 50%負載之電壓迴路增益頻率響應理論實驗比對圖
圖6.18 80%負載之電壓迴路增益頻率響應理論實驗比對圖
表6.2
PFC平均電流模式控制電壓迴路各工作點之系統頻寬及相位增益
圖6.20 PFC平均電流模式控制電壓迴路各工作點之系統頻寬曲線圖
圖6.21 PFC平均電流模式控制電壓迴路各工作點之系統相位增益曲線圖
6.2.3 系統功率因數與THD分析
降低線電流之THD以及提高系統的功率因數為PFC閉回路控制之根本目的，本節 在不考慮系統EMI濾波器之影響下，以輸入電壓為220 VAC、輸出400 VDC、滿載為 1470 W之條件下，分別針對系統負載之20%、34%、50%、80%以及滿載進行PSIM模 擬及實際量測。表6.3為系統各工作點之功率因數、THD之模擬結果，表6.4則為實驗結 果。圖6.22~圖6.24為各負載條件下之線電壓、線電流以及THD之PSIM模擬波形，圖 6.25實際實驗量測所得之系統效率曲線；圖6.26為PSIM電路模擬所得之系統功率因數 及實際量測所得之功率因數曲線比對圖、圖6.27則為PSIM電路模擬所得之系統線電流 THD及實際量測所得之曲線比對圖。
表6.3
系統各工作點之功率因數及THD之PSIM模擬結果
表6.4
系統各工作點之效率及功率因數、THD實驗結果
圖6.22 20%、34%負載之線電壓、線電流、THD以及PF之PSIM模擬波形
圖6.23 50%、80%負載之線電壓、線電流、THD以及PF之PSIM模擬波形
圖6.24 滿載之線電壓、線電流、THD以及PF之PSIM模擬波形
圖6.25 實際量測之系統效率曲線圖
圖6.26 PSIM電路模擬與實際量測之系統功率因數曲線圖
圖6.27 PSIM電路模擬與實際量測之系統線電流THD曲線圖