第三章 無橋式 PFC 之無電流感測控制模型
3.6 無電流感測控制的實現
此控制法運作方式如 3.4 節詳述，本節將針對實現此控制法必須注意之事項逐 一說明：
1. 控制信號必須注意 s1、s2訊號必須經過鎖相使之與輸入電壓 vs角度相同，才符 合前小節推導過程，若沒有對準相位則很難控制輸入電壓及輸入電流達到預設 的要求。
2. s2必須乘上 L rL
ω ，用以補償電感的內阻，其中ω為輸入電壓的角頻率，rL為電感 之內阻、L 電感值均可由 LCR 計量測，寫入模擬或實作參數中，若輸入電壓頻 率固定，則此值為一常數值。
3. 在做輸入電壓 vs、輸出電壓 VO取樣時，通常必須先做降壓，但在圖 3.6 中產生 vcont之前必須乘上
*
VO
1 ，因此降壓的比例換算以及在控制器內數位轉換必須要精
準，否則難以使輸出電壓追上命令電壓。
第四章 模擬驗證
在此利用來模擬的軟體為 PSIM，這套軟體廣泛的使用在電力電子領域的研究 中。由於其簡單的操作介面，以及模擬快速的特性，使得使用者更利於在繁複的 驗證中更快速的取得需要的資訊。
另外 PSIM 廣受電力電子領域研究所使用的原因，莫過於其內部的馬達驅動零 件庫相當豐富，以及很強的控制系統模擬能力，在頻率響應的分析方便，另外它 可以和 C/C++程式做連結也是其中一個相當重要的原因。以下簡單介紹 PSIM 這套 軟體。
在 PSIM 中有提供五種功能模組供使用者使用，分別為供給馬達驅動系統使用 的馬達驅動模組、設計數位控制系統的數位控制模組、提供 Matlab/Simulink 共同 模擬的 Simulink 耦合模組、提供 MagCoupler 共同模擬的 JMAG 耦合模組及計算 功率開關熱損失與溫度變化的熱分析模組，可以利用圖 4.1 簡單描述此五種功能模 組。
圖 4.1 PSIM 功能模組概要圖
在馬達驅動模組中，由於電動機模型與控制迴路相當複雜，因此對於馬達驅 動系統設計與分析工作具有高度的挑戰性，利用 PSIM 的馬達驅動模組中的電動機 模型與負載模型可以使複雜的分析工作簡化，此外豐富的零件庫可以使馬達驅動 的模擬系統迅速的建立。在 PSIM 中馬達驅動模組包括：直流電動機、三相鼠籠式
與轉子繞線式感應電動機、永磁與外激是同步電動機、無刷直流電動機、切換式 磁組電動機、定力矩、定功率及一般常用機械負載、速率與力矩感測器及換速齒 輪箱。在數位控制模組中，不同於類比控制器，數位控制器的設計上，取樣頻率 的影響、取樣延遲、量化誤差以及類比數位轉換上的誤差都必須考慮，因此利用 數位控制模組，可以確認控制器的效能跟穩定度、研究取樣頻率對於系統效能的 影響以及類比決定數位轉換器的解析度需求，對於數位控制器的設計有很大的幫 助。在 PSIM 中數位控制模組包括：零階維持、單位延遲、Z 域轉移函數方塊、數 位 FIR 與 IIR 濾波器、量化方塊、數位積分與微分控制器及環型緩衝器。
PSIM 正因為強大的計算能力以及豐富的資料庫內容，對於本論文在電路以及 控制器驗證上有很大的幫助，以下的模擬也將大量的使用 PSIM 來做各種情況的模 擬。
4.1 模擬電路及元件參數
表 4.1 無電流感測模擬參數 輸入電壓(峰值) vˆs =155(110Vrms)
輸出電壓命令 VO* =200V
負載電阻 R=200、100、66.7Ω
開關切換頻率 ftri=40kHz
輸入電壓頻率 f=60Hz、400Hz
電感 L=2.6mH
電感等效內阻 rL=0.3Ω
電容 CO=1410μF
二極體導通壓降 VF=1.4V
開關飽和電壓 Vsat=1.8V
模擬補償電壓 VFT=1.6V
模擬電路圖如 4.2 圖所示，其中包含了無橋式 PFC 主電路、第三章所提及之 無電流感測控制電路、開關分配訊號以及開關飽和電壓和二極體導通壓降的補償 電路。
圖 4.2 PSIM 內無橋式 PFC 無電流感測電路模擬圖
4.2 無電流感測控制之模擬
此節利用電腦模擬軟體 PSIM 來驗證無電流感測控制下，是否能在無橋式 PFC 電路達到輸入電流波形規劃和輸出電壓調節的兩種特性。分別針對在 60Hz 和 400Hz 理想輸入電壓下做不同瓦數輸出的模擬。模擬會分為二部份分別為穩態模擬 和暫態模擬，穩態模擬主要觀察其輸入電流波形是否為弦波且與輸入電壓是否同 相，並計算輸入電流諧波失真 THDi，模擬輸出功率為 200W、400W 及 600W，其 中將額定功率 PO為 400W 的控制器內部訊號繪出作為觀察。暫態模擬會將輸出功
率變動為 400W 至 600W，觀察輸出電壓是否穩定於輸出電壓的參考命令 200V
VO* = 。
4.2.1 穩態模擬
將表 4.1 參數代入圖 4.2 無電流感測控制模擬圖進行模擬，然後觀察其內部訊
號如VˆL、s1、s2、vcont的觀測，若能得知在相對應時間下，各訊號彼此間的關係，
對於實作電路上有一定程度的幫助，可從中發現實作電路中訊號是否正確。下圖 4.3 繪出在 60Hz 理想輸入電壓下輸出功率 400W 下控制器內部訊號的波形，圖 4.4 繪出在頻率 400Hz 理想輸入電壓下輸出功率 400W 下控制器內部訊號的波形。並 對輸出 200W、400W 及 600W 下作穩態輸入電壓及輸入電流波形之模擬，如圖 4.5 至圖 4.10，並記錄其各次輸入電流諧波，和總諧波失真率並整理成下表 4.2 至表 4.7。
圖 4.3 為輸出 400W 時，在 60Hz 理想輸入電壓下，所進行的穩態模擬，控制 輸出直流鏈電壓為 200V，可以觀察到輸入電流 is保持與輸入電壓同相位，其
8.28%
THDi = ，而 s1、s2如同推導與輸入電壓時間軸同步，可依據此訊號作為實 作時的參考。
0 -5A -10A -15A 60V 120V 180V
THDi=8.28%
is
vs
VO
200V 190V 210V
5ms
s1
s2
vcont
0 -0.5 -1.0 0.5 1.0
GA
GB
圖 4.3 60Hz 輸入電壓下穩態響應及控制器內部訊號
同時，亦模擬將輸入電壓頻率改為 400Hz，再觀察其控制器內部訊號，仍維持 良好的正弦波形，其電流諧波失真THDi =9.37%。
200V 190V
210V VO
0 -5A -10A -15A 60V 120V 180V
THDi=9.37%
is
vs
0 -0.5 -1.0 0.5
1.0
s1
s2
vcont
500μs
GA
GB
圖 4.4 400Hz 輸入電壓下穩態響應及控制器內部訊號
vs
is
VO
0 -5A -10A -15A 60V 120V 180V
THDi=9.58% 5ms
圖 4.5 200W 輸出 60Hz 模擬輸入電壓及輸入電流波形
vs
is
VO
0 -5A -10A -15A 60V 120V 180V
THDi=8.28% 5ms
圖 4.6 400W 輸出 60Hz 模擬輸入電壓及輸入電流波形
vs
is
VO
0 -5A -10A -15A 60V 120V 180V
THDi=8.25% 5ms
圖 4.7 600W 輸出 60Hz 模擬輸入電壓及輸入電流波形
表 4.2 200W 輸出 60Hz 模擬輸入電流諧波規範 13 0.21 200×0.000296＝0.0592 0.0059
15 0.15
表 4.3 400W 輸出 60Hz 模擬輸入電流諧波規範 13 0.21 400×0.000296＝0.1184 0.0139
15 0.15
表 4.4 600W 輸出 60Hz 模擬輸入電流諧波規範 13 0.21 600×0.000296＝0.1776 0.0239
15 0.15
vs
is
VO
0 -5A -10A -15A 60V 120V 180V
500μs THDi=7.55%
圖 4.8 200W 輸出 400Hz 模擬輸入電壓及輸入電流波形
vs
is
VO
0 -5A -10A -15A 60V 120V 180V
500μs THDi=9.37%
圖 4.9 400W 輸出 400Hz 模擬輸入電壓及輸入電流波形
vs
is
VO
0 -5A -10A -15A 60V 120V 180V
500μs THDi=14.36%
圖 4.10 600W 輸出 400Hz 模擬輸入電壓及輸入電流波形
表 4.5 200W 輸出 400Hz 模擬輸入電流諧波規範
輸出功率：200(W) 基本波：1.8576(A)
DO-160 奇次諧波規範 電流 DO-160 偶次諧波規範 電流
表 4.6 400W 輸出 400Hz 模擬輸入電流諧波規範
輸出功率：400(W) 基本波：3.7729(A)
DO-160 奇次諧波規範 電流 DO-160 偶次諧波規範 電流
表 4.7 600W 輸出 400Hz 模擬輸入電流諧波規範
輸出功率：600(W) 基本波：5.6872(A)
DO-160 奇次諧波規範 電流 DO-160 偶次諧波規範 電流
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。
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。