緒論

第一章 緒論

1.1 研究背景

能源是推動國家發展及經濟活動的基本動力，然而台灣因天然資源蘊藏貧乏，能源 幾乎全數仰賴進口，極易受國際能源情勢的影響，因此如何因應內外環境的變化，穩定 供應國內能源需求，制定穩健妥適的能源政策實為現階段政府施政之重要方針。日本發 生核爆後，各國正逐漸將原有之核電廠除役，並尋找新的替代能源。雖然我國並非聯合 國之會員，無法簽署京都議定書且目前並無減量責任，但依國際環保公約之經驗，我國 即使不簽署公約及享受權利，相關義務卻仍需履行，除此之外，我國更基於環保、避免 國際制裁、提升國家競爭力等觀點，應積極提出降低溫室氣體排放之解決方案。再者，

2009 年世界經濟論壇(WEF)指出，為避免地球平均溫度上升超過攝氏 2 度，全球從現在 至 2030 年間，每年應投資清潔能源 5,150 億美元。為因應此一趨勢，政府刻正推動「國 家節能減碳總計畫」十大標竿方案，設訂具體節能目標(未來 8 年每年提高能源效率 2%) 與減碳目標(2025 年排放量回歸到 2000 年水準)。

面對全球節能減碳的浪潮，綠色能源產業已經是各國將持續至本世紀中期最重要的 新興產業。我國政府亦一再宣示推動綠色能源產業的決心，並陸續公布與展現推行的各 項政策與措施。面對全球金融海嘯及氣候變遷威脅，世界各國均推動綠色振興方案(Green stimulus package)，以具體行動發展低碳、具資源效率的綠色經濟。換言之，綠色新政已 成為全球施政的新潮流，根據聯合國環境規劃署(UNEP)「全球綠色新政」報告研究，2010 年全球經濟振興方案規模達 3 兆 163 億美元，其中有 15.4%(4,633 億美元，占全球 GDP 比率 0.7%)的財政支出投入綠色經濟相關領域。依我國行政院環保署資料，2009 年我國 用於綠色新政相關預算 1,339 億元，約占 GDP 的 1%，與各國比較不遑多讓。

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為發展綠能產業之各國積極於綠色新政投資規模，其中，美國用於發展替代能源、

智慧電網與再生能源發展規劃的能源相關經費規模約 1070 億美元，德國投資在因應氣候 變遷基礎投資與節能規模約 1048 億美元，日本投資在加速實現低碳社會及開發節能型交 通工具的主要能源相關政策約 75 兆日圓，韓國在四年內投資 LED 產業、綠色運輸系統 及先進綠色城市的主要能源相關政策約 50 兆韓元(380 億美元)，而台灣政府在「因應景 氣振興經濟方案」提高購置節能設備、獎勵購置節能標章產品及提高再生能源設置補助 等項以納入 10%綠色內涵獎勵投資約 500 億元台幣。此外，2009 年 4 月經濟部更提出「綠 色能源產業旭升方案」以能源光電雙雄與能源風火輪獎勵方案，推動太陽光電、LED 照 明、 風力發電、生質燃料、氫能與燃料電池、能源資通訊與電動車輛等選定重點加以扶 植，估計在六年內總產值會有 5~10 倍的成長，是為未來六年很重要的新興產業，積極從 事綠能科技應用的相關研究是未來提升台灣競爭力相當重要的課題。

1.2 研究動機與目的

另一方面，近來由於高科技產業的迅速發展，電能在科技發展中扮演非常重要的角 色，不論是工業製造、交通運輸與通訊傳輸等皆需要電能之供給，此電能的有效利用已 成為推動科技進步的關鍵之一。再者，近年來民生及工業電力設備對電力的需求日益增 加且半導體技術與半導體功率元件發展迅速，使得電力電子技術得以快速發展，因此電 能的轉換變為更加容易；進一步地也由於電力電子技術之進步與發展，電源轉換之技術 得以突飛猛進，輕薄短小且效率高的訴求，普遍為市場新產品的主流，當然切換式電源 電源供應器(switching mode power supply, SMPS)或充電器(charger)也不例外。2010 年美國 環保署估計，在美國每個人擁有 9 個外接式電源供應器，全美國總數多達 27 億個。從電 路架構的改變、切換的頻率的提高到軟式切換(soft switching)技術的使用[1-6]，現今之技 術於體積縮小與轉換效率提高已有相當之成效。然而從經濟成本的設計觀點而言，要達

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到上述目標，總是在作一連串的比較與抉擇；如電路架構成熟度、設計變壓器時鐵心損 失與銅線繞組損失的平衡、零件的選擇與廢熱的處理、濾波器的儲能與損失平衡及成本 效益的平衡等等。這些考量決定了電路架構、變壓器設計以及機構佈局。彼此之間高度 相依，尤其是變壓器之設計與選用，更是牽一髮而動全身。[7-10] 此外，近十餘年來由 於能源短缺的問題日益嚴重，全球石油蘊藏供應量每年以 0.9%竹年遞減中，預估 2050 年 全球石油蘊藏供應量僅能提供現今需要之 85%。在全球倡導綠色環保及節能概念的前提 下，除了要求降低電子產品待機功耗(standby power dissipation)之外，同時也定訂不同負 載變動下之電源轉換效率的標準。具統計澳洲家用產品於 2000 年有 11.6% 能量消耗於輕 載之待機 standby 模式。換言之澳洲家用產品於 2000 於輕載之待機模式造成 5 億元美元 的能源浪費並產生約 5 百萬噸之 CO2。近年來歐洲、大陸、美國等皆以訂出電器產品於 輕載之待機 standby 模式之最高功率消耗。美國能源之星(Energy Star)，除了規範消費性 電子產品之待機功耗標準外，同時也針對 1/4 載、半載、3/4 載以及滿載之下電源轉換效 率訂定日趨嚴苛的標準。再者，美國能源之星 80 Plus 的規範，更定訂了 PC/SERVER 等 多組輸出之 AC/DC 電源電源供應器在低負載(20%額定功率)、中負載(50%額定功率)與高 負載(100%額定功率)下所使用的目標效率值。

近年來推出的多組輸出電源供應器，幾乎都採用升壓電源供應器並加上磁性元件來 作為隔離元件以建構一最高輸出電壓之單組輸出之電源供應器，其他低於最高輸出電壓 之各組輸出電壓分別以具同步整流 [11-14]之單一非隔離式直流-直流降壓型電源供應器 來得到個別負載所需的電壓，並完成多組輸出(multiple output)之架構[15-19]。另一電路架 構，則是藉由升壓電源供應器再串接直流一直流電源供應器，來解決負載交錯變動時之 輸出電壓調整率欠佳的問題。雖然此種架構雖可以提升效率並同時改善多組輸出之交錯 調節(cross regulation)欠佳的問題來符合規範要求，但由於此架構比傳統架構更複雜外，

除雙級電力轉換外，每個電源供應器都須要有一個自己的控制器與迴授控制線路。再者，

由於每個控制器彼此之間一般並未做同頻同步控制，故彼此間存在著差頻雜訊干擾的問

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題，因此必須加入更多的機制及更多的電路，導致設計複雜、零組件增加及成本提高。

另一種多組輸出負載電路架構[20-23]，則是採用具雙組輸出之隔離式 LLC 直流-直流電源 供應器。然而由於兩組輸出電壓相互關聯，因此依然存在著電壓調整率不佳之問題。為 解決此一問題，一般則是在隔離式 LLC 直流-直流電源供應器的雙組輸出端加入虛負載 (dummy load)，並額外加入一組具定電流控制之非隔離式直流一直流升壓電源供應器。此 舉雖然解決了雙組輸出之隔離式 LLC 直流-直流電源供應器之電壓調整率欠佳的問題，但 同時也降低了電源供應器的整體效率。

另，為了讓多組輸出電源供應器各組輸出皆能有高精度之輸出電壓，傳統多繞組輸 出架構會在二次側加入線性電壓調節器(Linear Regulator)、耦合電感[24]-[28]、次極端後 穩壓器(Secondary-Side Post Regulator)、磁放大器[29,30] 或變壓器控器策略[31,32]等方法 來達到穩定輸出電壓的目的。但是若於無回授控制輸出端使用線性電壓調節器將會使得 系統效率降低；若使用耦合電感，則容易造成大的電路循環電流於兩輸出側之間且易造 成輸出電壓漣波變大，導致整體電路效率下降；若使用磁放大器，由於磁性放大器之鐵 鋅材料為非線性，在實際應用上控制較為困難，且當電源供應器工作在高頻時，會產生 較大的鐵芯損失，導致系統效率下降；若使用變壓器控制策略，此方法須在二次側多增 加一輔助繞組，致使整體系統之體積及成本增加。

顯示系統中通常包括照明模組和控制模組。照明模組包括一或多個光源，例如，多 組發光二極體（LED）鏈。控制模組通常包括微控制器、音頻處理器和視頻處理器。控 制模組控制照明模組的啟動/關閉以及亮度，並處理音頻、視頻信號。照明模組和控制模 組對於電力的需求可能不同。因此，需要有雙組輸出電源供應器以提供第一直流電壓以 及第二直流電壓已分別為照明模組和控制模組供電。

為了提升雙組輸出電源供應器效率並同時改善雙組輸出之交錯調節(cross regulation) 欠佳的問題，本論文提出一分時控制方法，當負載交錯變動時能自動調節電壓，使其穩

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定在合理之誤差範圍內外，並由一次側開關之脈波寬度中加入一高頻脈波寬度來調控另 一組輸出電壓，藉此以實現獨立調控並使得各組輸出皆能具有好的電壓調節率之目的。

最後，藉由理論推導、模擬及實作來驗證所提架構之可行性及有效性。

1.3 論文架構

本論文架構可分為五個章節：

第一章：緒論

說明論文研究背景及研究動機與目的。內容簡要介紹雙組輸出直-直流電源轉換器 的優異特性其應用。