諧波規範比較

將表 4.2~表 4.5 中所整理出的諧波數值與第一章所述的諧波規範 IEC 61000-3-2 來作 比較。其中由於 A 類和 D 類的應用規範較符合本論文的應用領域，因此取 IEC 61000-3-2 中的 A 類和 D 類規範內容作比較。並由表 4.6~表 4.13 整理，其中 D 類規範所定義之單 位為mA /W，表 4.10~表 4.13 之單位則為轉換過後的單位安培。其中利用下標註記的為 不滿足規範。

表 4.6 輸出功率為 300W 下諧波電流與 A 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 A 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 2.3 0.2278 0.1679 1.2380 1.1754 5 1.14 0.4504 0.0295 0.3089 0.3380 7 0.77 0.0333 0.0153 0.0214 0.0489 9 0.4 0.0256 0.0135 0.0874 0.0694 11 0.33 0.0204 0.0113 0.0761 0.0765 13 0.21 0.0170 0.0093 0.0267 0.0397 15 0.15 0.0142 0.0079 0.0163 0.0047 17 0.132 0.0122 0.0070 0.0305 0.0246 19 0.118 0.0105 0.0062 0.0207 0.0249

表 4.7 輸出功率為 400W 下諧波電流與 A 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 A 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 2.3 0.3178 0.2316 1.5559 1.1265 5 1.14 0.0684 0.04453 0.4338 0.3980 7 0.77 0.0501 0.0240 0.0567 0.1560 9 0.4 0.0383 0.0207 0.0884 0.0287 11 0.33 0.0305 0.0172 0.0978 0.0350 13 0.21 0.0251 0.0141 0.0505 0.0506 15 0.15 0.0210 0.0121 0.0057 0.0422 17 0.132 0.0178 0.0106 0.0309 0.0213 19 0.118 0.0152 0.0094 0.0310 0.0041

表 4.8 輸出功率為 500W 下諧波電流與 A 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 A 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 2.3 0.4158 0.3027 1.8814 0.9499 5 1.14 0.0964 0.0641 0.5472 0.3602 7 0.77 0.0701 0.0359 0.0940 0.2011 9 0.4 0.0533 0.0030 0.0897 0.1086 11 0.33 0.0422 0.0251 0.1158 0.0483 13 0.21 0.0344 0.0206 0.0699 0.0129 15 0.15 0.0285 0.0165 0.0122 0.0121 17 0.132 0.0238 0.0152 0.0294 0.0220 19 0.118 0.0201 0.0133 0.0369 0.0245

表 4.9 輸出功率為 600W 下諧波電流與 A 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 A 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 2.3 0.5227 0.3823 2.2209 0.7466 5 1.14 0.1296 0.0888 0.6594 0.2678 7 0.77 0.0934 0.0513 0.1269 0.1678 9 0.4 0.0705 0.0425 0.0943 0.1173 11 0.33 0.0555 0.0349 0.1329 0.0807 13 0.21 0.0447 0.0285 0.0859 0.0568 15 0.15 0.0366 0.0241 0.0211 0.0382 17 0.132 0.0302 0.0208 0.0289 0.0238 19 0.118 0.0250 0.0180 0.0411 0.0132

表 4.10 輸出功率為 300W 下諧波電流與 D 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 D 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 1.02 0.2278 0.1679 1.2380 1.1754

5 0.57 0.4504 0.0295 0.3089 0.3380 7 0.3 0.0333 0.0153 0.0214 0.0489 9 0.15 0.0256 0.0135 0.0874 0.0694 11 0.105 0.0204 0.0113 0.0761 0.0765 13 0.089 0.0170 0.0093 0.0267 0.0397 15 0.077 0.0142 0.0079 0.0163 0.0047 17 0.068 0.0122 0.0070 0.0305 0.0246

表 4.11 輸出功率為 400W 下諧波電流與 D 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 D 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 1.36 0.3178 0.2316 1.5559 1.1265 5 0.76 0.0684 0.04453 0.4338 0.3980 7 0.4 0.0501 0.0240 0.0567 0.1560 9 0.2 0.0383 0.0207 0.0884 0.0287 11 0.14 0.0305 0.0172 0.0978 0.0350 13 0.118 0.0251 0.0141 0.0505 0.0506 15 0.103 0.0210 0.0121 0.0057 0.0422 17 0.091 0.0178 0.0106 0.0309 0.0213 19 0.081 0.0152 0.0094 0.0310 0.0041

表 4.12 輸出功率為 500W 下諧波電流與 D 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 D 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 1.7 0.4158 0.3027 1.8814 0.9499 5 0.95 0.0964 0.0641 0.5472 0.3602 7 0.5 0.0701 0.0359 0.0940 0.2011 9 0.25 0.0533 0.0030 0.0897 0.1086 11 0.175 0.0422 0.0251 0.1158 0.0483 13 0.148 0.0344 0.0206 0.0699 0.0129 15 0.128 0.0285 0.0165 0.0122 0.0121 17 0.113 0.0238 0.0152 0.0294 0.0220 19 0.101 0.0201 0.0133 0.0369 0.0245

表 4.13 輸出功率為 600W 下諧波電流與 D 類規範比較

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 D 類(安培)

理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 3 2.04 0.5227 0.3823 2.2209 0.7466 5 1.14 0.1296 0.0888 0.6594 0.2678 7 0.6 0.0934 0.0513 0.1269 0.1678 9 0.3 0.0705 0.0425 0.0943 0.1173 11 0.21 0.0555 0.0349 0.1329 0.0807 13 0.178 0.0447 0.0285 0.0859 0.0568 15 0.154 0.0366 0.0241 0.0211 0.0382 17 0.136 0.0302 0.0208 0.0289 0.0238 19 0.122 0.0250 0.0180 0.0411 0.0132

根據表 4-6~表 4-13 的結果，觀察可發現，當還未將控制器中的 2 個補償迴路忽略前，

無論是 A 類或是 D 類規範，在模擬得到之數據皆可滿足其要求。但將 2 個補償迴路忽 略後，可發現三次諧波的值無法滿足 D 的規範。若規格需求只需要滿足 A 類規範，那 無論是否有忽略 2 個補償迴路皆可滿足;反之需求要滿足 D 類規格，只能使用未忽略的 控制架構。

第五章 電路實作

5.1 現場可規劃邏輯陣列(FPGA)

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 以規劃任意邏輯電路；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，其行為亦非常接近等效之類 比控制器，而且不但能保留其優點，如無計算上的延遲(No Calculation Delay)、更高的 頻寬(Higher Bandwidth)等；更能將其缺點排除，如參數漂移(Parameter Drifting)、較低的 積分層級(Poor Level of Integration) [17]。除此之外，FPGA 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 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則相當的費時且容易發生錯誤，因此利用硬體描 述語言的設計方式成為主流，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，由於其接近 C 語言的的語法撰寫，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，以及訊號時序的正確性，因此在程式撰

寫的概念上有別於 C 語言以及 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)，藉此可以了解所 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 電路之撰寫及模擬。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

昇壓型切換式整流器之無電流感測控制實作，利用 FPGA 作為實現無電流感測實作

平台，並有數位類比轉換電路及開關驅動電路，當昇壓型切換式整流器主電路和 FPGA 之間的媒介。大致上昇壓型切換式整流器之無電流感測控制實作架構如圖 5.2 所示，數 位類比轉換電路分別為 A/D 轉換電路和 D/A 轉換電路，A/D 轉換電路是迴授輸出電壓 及輸入電壓，D/A 轉換電路是對 FPGA 內部訊號進行觀察，雖 D/A 轉換電路並非無電流 感測控制所必須，其目的為確保數位訊號正確性。開關驅動電路從 FPGA 接收 PWM 信 號，進行隔離放大以驅動昇壓型切換式整流器中唯一主動元件 IGBT 開關。實際實作電 路照片由圖 5.3 呈現。

v

s

T C

o

i

L

v

o

v

s

i

s

Load D

5

L

D

1

D

₂

D

3

D

₄

Isolation amplifier vo

vs

圖 5.2 實作電路組成

圖 5.3 實際實作電路照片

5.2.1 數位類比轉換電路(A/D Circuit & D/A Circuit)

ADG508 FPGA XC3S250E A0

8

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，在產生足夠大的電

5.3 控制器合成

每一次開關週期查一次表，亦即查表的時間間隔為 20 sμ 所以各自只需建立 417 筆。每 次查表所需跳的位置為 1，而 S#10 到 S#11 為將此查表位置累加，而進入 S#12 和 S#13 的查表位置分別查S₁(ωt)和S₂(ωt)。而後 S#14 到 S#16 分別乘上補償的係數產生控制訊 號。S#17 為 PWM 的模組，利用 S#16 所產生的控制訊號，經過 PWM 模組可以產生開 關訊號。而整個控制迴路利用20us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500kHz和50kHz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 內部信號，對於 FPGA 的合成有很大的幫助。表 5.1 為兩種架構下之 FPGA 使用率。

表 5.1 各種架構下之 FPGA 使用率

無電流感測控制 簡化之無電流感測 可使用 已使用

(使用率)

已使用 (使用率)

4 Input LUTs 4896

499 (10%)

476 (9%) D-type Flip-Flops 4896

1438 (29%)

692 (14%) IOBs 158

40 (25%)

40 (25%) Block RAMs 12

0 (0%)

1 (8%) MULT 18X18s 12

7 (58%)

5 (41%)

5.4 無電流感測之實作

本節中將以實作結果來驗證 FPGA 所實現之數位無電流感測控制架構，是否能在理 想輸入電壓和失真輸入電壓皆能達到輸出穩壓和功因校正之功能。實作上考慮輸出電壓 命令為V^* =300V，輸入電壓為分別為理想輸入電壓V =110Vrms和失真輸入電壓。接下

變動由 50%切載至 100%。

100V

10A

ms

s 5 v

is

(a)

V 100 A

10

ms 5 vs

is

(b)

100V

A 10

5ms vs

is

(c)

圖 5.9 使用無電流感測控制之理想輸入電壓穩態波形:

(a)300W ;(b)500W; (c)600W。

5.4.2 失真輸入電壓之穩態實作

圖 5.10 為THD_v ≈5%的失真輸入電壓為輸入電壓，在輸出電壓命令V_o^* =300V 及輸 出功率P_o =400W 時，實驗中所得穩態響應。電感電壓控制命令為Vˆ_L ≈−2.9V ，總電流 諧波失真THD_i約7.34%。可驗證在失真輸入電壓下，控制器仍然有改善輸入電流波形的 效果。圖 5.10 為圖 5.11 條件下，不同輸出功率所得到輸入電壓和輸入電流波形，如同 圖 5.9 相似當輸出功率變大時，輸入電流會在下一個週期前就提前歸零，會使得輸入電 流總諧波值上昇，會無法通過諧波規範。

V 100

A 10 vs

is

ms 5

d

ms 5 vo

2 . 0

02 . 0

1 cont,

v

2 cont,

v

∧

VL

V 300

% 100

% 80

% 60

9 .

−2 5 .

−5

圖 5.10 輸出功率 400W 下使用無電流感測控制之失真輸入電壓穩態波形

V 100

A 10

ms

s 5 v

is

(a)

V 100 A

10

ms

s 5 v

is

(b)

V 100

A 10

ms

s 5 v

is

(c)

圖 5.11 使用無電流感測控制之失真輸入電壓穩態波形 (a)300W ;(b)500W; (c)600W。

5.4.3 暫態響應

藉由輸出功率的變動，了解無電流感測控制架構的暫態響應。圖 5.12 為當輸出功率 由 50%變動至 100%時的波形。控制器中的電壓控制器為了輸出電壓調節，變動控制命 令Vˆ ，進而達到輸出電壓之調節。由圖 5.12 可以發現，無論輸入電壓是否失真，當輸_L 出功率變動時可達到輸出電壓調節於300V 。可驗證本控制架構擁有輸出電壓調節之功

vo

∧

VL

vs

is

V 100

A

−10

−11 0 +11

V 300

ms 20

(a)

vo

∧

VL

vs

is

V 100

A

−10

−11 0 +11

V 300

ms 20

(b)

圖 5.12 輸出功率變化從 50%至 100%之實作波形:

(a)理想輸入電壓；(b)失真輸入電壓。

5.5 簡化之無電流感測控制實作

根據圖 3.5 將控制器中 2 個補償迴路忽略，簡化控制器複雜度。圖 5.13 為理想輸入 電壓之穩態波形，圖 5.14 為失真輸入電壓之穩態波形。可發現當輸出功率越高時，總電 流諧波成分大幅度增加。

100V 10A

ms 5 vs

is

(a)

100V 10A

5ms vs

is

(b)

V 100 10A

5ms vs

is

(c)

V 100 A

10

ms 5 vs

is

(d)

圖 5.13 使用簡化無電流感測控制之理想輸入電壓穩態波形:

100V 10A

ms

s 5 v

is

(a)

V 100 A

10

ms

s 5 v

is

(b)

V 100 A

10

ms

s 5 v

is

(c)

V 100 A

10

ms

s 5 v

is

(d)

圖 5.14 使用簡化無電流感測控制之失真輸入電壓穩態波形:

(a)300W;(b)400W;(c)500W;(d)600W。

5.6 諧波規範比較

以下列出各輸出功率下所得電流諧波成分與 A 類和 D 類規範做比較。圖 5.15 為理想 輸入電壓和失真輸入電壓不同輸出功率所得總電流諧波失真THD 。 _i

表 5.2 輸出功率 300W 各狀態的量測結果

無電流感測控制 簡化之無電流感測控制 諧波次數 A 類規範

(安培)

D 類規範

(安培) 理想輸入電壓 失真輸入電壓 理想輸入電壓 失真輸入電壓 基本波 X X 2.8992 2.9147 2.9462 3.0295

3 2.300 1.02 0.2057 0.1078 0.5552 0.3767 5 1.140 0.57 0.0337 0.1716 0.1606 0.2729 7 0.770 0.3 0.0161 0.0555 0.0913 0.1374 9 0.400 0.15 0.0110 0.0217 0.0392 0.0460 11 0.330 0.105 0.0099 0.0318 0.0095 0.0184 13 0.210 0.089 0.0067 0.0225 0.0071 0.0119 15 0.150 0.077 0.0036 0.0106 0.0103 0.0056 17 0.132 0.068 0.0038 0.0104 0.0089 0.0183 19 0.118 0.061 0.0029 0.0097 0.0060 0.0211 總電流諧波失真THD _i 7.56% 7.00% 19.97% 16.25%

3 2.300 1.02 0.2057 0.1078 0.5552 0.3767 5 1.140 0.57 0.0337 0.1716 0.1606 0.2729 7 0.770 0.3 0.0161 0.0555 0.0913 0.1374 9 0.400 0.15 0.0110 0.0217 0.0392 0.0460 11 0.330 0.105 0.0099 0.0318 0.0095 0.0184 13 0.210 0.089 0.0067 0.0225 0.0071 0.0119 15 0.150 0.077 0.0036 0.0106 0.0103 0.0056 17 0.132 0.068 0.0038 0.0104 0.0089 0.0183 19 0.118 0.061 0.0029 0.0097 0.0060 0.0211 總電流諧波失真THD _i 7.56% 7.00% 19.97% 16.25%

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