串聯式升/降壓功因修正轉換器元件規格選用

由系統操作分為連續導通電流模式(CCM)，邊界導通電流模式(BCM)及不連 續導通模式(DCM)，其中由於連續電流控制具有較小的漣波電流成份，較小的輸 入電流總諧波失真，因此電路元件的耐壓以及耐流能力較不連續控制來得低，可 降低元件成本，提供較高的功率因數，加上本系統需符合廣泛的輸出功率範圍包 含250 W以上的大功率，因此選擇連續導通電流控制方式來進行功率因數修正；

開關操作採用定頻率的控制方式，以利於降低電磁干擾的影響。

以下討論與分析將根據表2.4中所設定的額定功率、工作電壓規格，進行電 感及電容值的計算，並且進一步估算各元件所需承受的耐壓、耐流，以便挑選最 合適的元件。在此，假設串聯式升/降轉換電路的效率(η)為0.9。

表 2.4 功率級元件參數與規格表

說明 標準值 單位

額定功率 500 W

工作電壓 75~300 V

電流漣波 20%

電壓漣波 5%

電容值 660 uF

電感 1.16 mH

額定電感電流 12 A

開關頻率 20 kHz

1.) 輸出電容C的設計

輸出電容的大小直接關係到輸出電壓漣波的高低；電容值小相對的輸出電壓 漣波成份增加，間接影響到後面變流器操作；如果電容值太大，輸出電壓漣波成 份是減小，可是電容的體積變大、成本也隨之升高。因此估算適當的電容值是很 重要的。輸出電壓漣波主要受到兩個因素影響：1.開關頻率，2.輸入電壓120 Hz 的漣波。由於開關頻率往往大於輸入電壓頻率甚多，對輸出電壓漣波成份的影響 較小，因此只考慮輸入電壓漣波對輸出電壓漣波的影響。在假設輸出電流固定，

電感電流漣波成份完全流經電容的前提下

o i o

i

C V

P V

t t P

i ( )=η× ^{( )}−η× (2-14)

其中 代表輸入的瞬時功率， 則表示平均輸出功率，接著探討輸出

將(2-15)代入(2-14)中

( ) ( )

將(2-18)代入(2-17)中，輸出電壓漣波為

( )

uF

本論文假設滿載功率為500 W，馬達最大轉速為3000 rpm，此時為最

大工作電壓300 V，因為壓縮機內部阻力為液態冷媒，其輸出功率與馬達 轉速平方成正比，其功率與轉速之特徵曲線如圖2.19(a)，又馬達之反抗電 動勢與馬達轉速成正比，其關係圖如圖2.19(c)所示

ε

K

e

ω

v =

(2-27)

其中 為馬達反抗電動勢常數，當馬達操作在定轉速時，變頻器將為PAM操作 模式，其直流鏈電壓與速度成正比，且其值與反抗電動勢鋒值一致

Ke

ε e

ω

dc

v K

V ≈ =

(2-28)

如圖2.10(a)所示，負載功率(Po)與壓縮機馬達轉速(ω )平方成正比，將其關係式 表示為

2 2 2

2 ω ω

ω = ∝

=

L e t

o R

K K

P (2-29)

其中Kt為速度與輸出功率之比例常數，而R_L為其等效負載電阻，最後推導下式

L dc L

e

o R

V R

P K

2 2

)

( =

= ω

(2-30)

由此式推導可知，當馬達操作在定轉速時，不論運轉速度快慢，其變頻器之等效 負載電阻R_L皆為定值。

一般在進行馬達變頻器設計時，為了同時滿足響應速度及成本考量，

會取最大電流為穩態滿載電流之三倍。由本論文之規格輸出滿載功率500 W，輸出電壓300 V，可推得穩態滿載電流為1.67 A，取其三倍為5 A，但 因為後級馬達相電流之額定值為3 A，故由此兩條件可決定VOPFC輸出最 大直流電流為3 A。

v

ε

D2之最大電流為電感電流之最大值。由式(2-33)已知升壓模式下電感電流最大值 為11.54 A，故此亦為功率元件 、S₁ S₂、D₂之耐流值。

Vin V_dc

RL

CL

D1 S1 D2

S2 V_in,ac

L

i

L

圖 2.20 升/降壓型功率轉換器電路拓墣

VOPFC穩定操作下，其電感電流命令已如前文所述，在Boost模式下與輸入 電壓成正相關，在Buck模式下則須先經過補償。兩組開關之導通電流皆與電感 電流相關；其電感電流最大值在輸出電壓最大值300 V且最大輸出功率500W時，

其電感電流由開關S1進入，由二極體D2輸出，此時之開關 及二極體 則交互 切換，S1開關持續導通，二極體 關閉，所以由此可推得流經開關S1、S2及二極 體D2之最大電流為

S2 D₂

D1

A 54 . 11

| _{_ ,max 1 ,}

max

, _Buck= _{c o inpeak} =

L v kV

I (2-34)

在Buck區域工作下，其最大輸出電壓為156 V，此時輸出電流為最大3A時，此時 電感電流之峰值為9.36 A。由式(2-33)、(2-34)所推導之電感電流最大值，可據此 推得開關S₁、S₂，二極體D₁、D₂在本論文設定規格下所需之耐流。

接下來推導各功率開關、二極體之所需耐壓，先從開關S1看起，開關S1承 受最大跨壓產生在開關關閉時，也就是電路操作在降壓型工作區，其最大跨壓為 輸入電壓之鋒值

V V

V_s1,max = 2× _in,rms =156 (2-35)

而開關S2承受最大跨壓則是在電路操作於Boost工作區；當開關關閉，輸出電壓 直接跨於開關兩端，因此最大跨壓為輸出電壓之最大值

V V

V_s2,max = _o,max =300 (2-36) 最後將其所有功率元件之耐壓及耐流規格整理成表2.5。

表 2.5 VOPFC 功率元件之耐壓及耐流規格表

限制

種類 最大跨壓(V) 最大電流(A)

串聯電感 IL,max

並聯電容 Vdc,max+ΔVdc

S1,D1 Vin,peak IL,max|Buck

S2,D2 Vdc,max+ΔVdc IL,max

在文檔中 具有可調輸出電壓功因修正器之無刷直流馬達驅動器的效率改善策略 (頁 52-59)