智慧型民生能源管理系統研究與開發( III )

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行政院國家科學委員會專題研究計畫期末報告

智慧型民生能源管理系統研究與開發(3/3)

計畫類別：整合型

計畫編號： NSC 100-2218-E-011-001-

執行期間： 100 年 10 月 01 日至 101 年 09 月 30 日執行單位：國立臺灣科技大學電子工程系

計畫主持人：陳省隆

共同主持人：阮聖彰、許孟超、林昌鴻、黃忠偉、羅有綱呂錦山、莊敏宏、陳伯奇

計畫參與人員：學士級-專任助理人員：李淑芬五專級-專任助理人員：王秀宏

碩士班研究生-兼任助理人員：林韋成碩士班研究生-兼任助理人員：廖建昇碩士班研究生-兼任助理人員：卓佩蓉碩士班研究生-兼任助理人員：胡奕強碩士班研究生-兼任助理人員：許家偉碩士班研究生-兼任助理人員：羅明揚碩士班研究生-兼任助理人員：柯岳呈碩士班研究生-兼任助理人員：陳彥名碩士班研究生-兼任助理人員：郭庭佑碩士班研究生-兼任助理人員：廖耿宏碩士班研究生-兼任助理人員：陳銘宏碩士班研究生-兼任助理人員：陳滄智碩士班研究生-兼任助理人員：陳星光碩士班研究生-兼任助理人員：董哲明碩士班研究生-兼任助理人員：劉嘉峻碩士班研究生-兼任助理人員：蔡凱全碩士班研究生-兼任助理人員：林芳毅碩士班研究生-兼任助理人員：王中蔚碩士班研究生-兼任助理人員：王明政碩士班研究生-兼任助理人員：顧乃倫

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碩士班研究生-兼任助理人員：任慶軒碩士班研究生-兼任助理人員：何友瀚碩士班研究生-兼任助理人員：宋珩郁碩士班研究生-兼任助理人員：徐鈺翔碩士班研究生-兼任助理人員：張書豪碩士班研究生-兼任助理人員：張雅惠碩士班研究生-兼任助理人員：陳冠瑋碩士班研究生-兼任助理人員：游仁龍碩士班研究生-兼任助理人員：黃柏彊碩士班研究生-兼任助理人員：葉一信碩士班研究生-兼任助理人員：趙維揚碩士班研究生-兼任助理人員：蔡孟哲碩士班研究生-兼任助理人員：蕭傑仁碩士班研究生-兼任助理人員：賴秉詳碩士班研究生-兼任助理人員：楊邵淇碩士班研究生-兼任助理人員：陳盈嘉碩士班研究生-兼任助理人員：陳偉安碩士班研究生-兼任助理人員：傅彥爾碩士班研究生-兼任助理人員：張俊淯碩士班研究生-兼任助理人員：李佳蓁碩士班研究生-兼任助理人員：陳永昌碩士班研究生-兼任助理人員：吳柏毅碩士班研究生-兼任助理人員：黃百瑞碩士班研究生-兼任助理人員：陳毅安碩士班研究生-兼任助理人員：Mehrdad 碩士班研究生-兼任助理人員：張志敏碩士班研究生-兼任助理人員：蘇琮貿碩士班研究生-兼任助理人員：莊賀任碩士班研究生-兼任助理人員：林柏辰碩士班研究生-兼任助理人員：謝函儒碩士班研究生-兼任助理人員：林宏賜碩士班研究生-兼任助理人員：方宏仁碩士班研究生-兼任助理人員：林建宏碩士班研究生-兼任助理人員：陳冠宇碩士班研究生-兼任助理人員：陳泰安碩士班研究生-兼任助理人員：徐忠楷碩士班研究生-兼任助理人員：葉秉全大專生-兼任助理人員：徐偉郡

博士班研究生-兼任助理人員：王釗桴

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報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文

公開資訊：本計畫可公開查詢

中華民國 101 年 09 月 27 日

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中文摘要：本三年計畫為研發智慧型民生能源管理系統，乃基於提升民生系統之能源使用效率為主要目標。本計畫涵蓋機電整合節能方案、智慧型節能系統、整合控制晶片與功率晶體之設計平台、系統內關鍵零組件或功率晶體之開發，以及相關節能技術，如：LED 照明驅動技術、LED 背光驅動技術，並以能源收集、能源控制管理、燈光照明、照明能源系統以及功率晶體開發，五大方向進行開發。

能源收集與控制管理系統部分主要為設計單相電源量測晶片與三相電源量測晶片，並透過 ZigBee 來建立能源收集與系統控制，研發用戶端之「雙向能源管理系統(BEMS)」軟硬體設備，根據控制管理系統來控制高效能省電控制晶片。燈光照明部分，開發設計光檢測器(CMOS Photo Detector)之感測晶片，並引用自然光(陽光)與人造光(燈具)之使用，可隨陽光強度、頻譜變動來調整室內照明的需求，以達到智慧型節能效果。照明能源系統部分為將研發適用於高功率白光 LED 與紅藍綠(RGB)混光 LED 的驅動電源，其主要目標在於採用較低成本之單級架構於室內照明應用，並研製大型液晶顯示器 (Liquid Crystal Display，LCD)用之 RGB LED 背光模組驅動電源，以提高電路效率。功率電晶體開發部分為針對預定耐壓之絕緣閘極雙極性電晶體，以減少導通電壓降及關斷時間為目標，設計出達成耐壓超過 800 伏特且導通壓降低於 3 伏特及關斷時間短於 200 奈秒之高效能溝渠式絕緣閘極雙極性電晶體，以利應用發光二極體照明電路。

本計畫從底層功率晶體開發、高效能省電控制晶片、光檢測晶片、照明能源的驅動電路、智慧型節能技術，最後透過 ZigBee 建立之雙向能源管理系統(BEMS)以達到智慧型民生能源管理系統之目標。

中文關鍵詞：智慧電網、智慧大樓、短距離無線傳輸、自然光導光系統、

LED 驅動電源、絕緣閘極雙極性電晶體、耐壓、閂鎖觸發電流、導通電壓降、高效能省電控制晶片。

英文摘要：

The goal of this project is to develop an intelligent civil energy management system for improving the energy efficiency of civil systems. This system

comprises of five major directions: mechatronic power saving methodology, intelligent energy saving system, integrated control chip and power amplifier design platform, critical components of systems or power amplifier development, and related energy efficiency

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techniques, such as LED lighting driving technology and LED backlighting driving technology. Furthermore, these five sub-projects will be proceeding

simultaneously.

In terms of energy collection and control management system, we are going to design a single-phase and a three-phase power meter chips, build an energy collection and control system based on the ZigBee sensor network and develop Bidirectional Energy Management System (BEMS) clients. Finally, the high efficiency energy saving control chip can be managed by our control management system. In terms of

illumination, we will design a CMOS photo detector and exploit both natural light (sunlight) and artificial light (lamp) to adjust indoor lighting requirements in accordance with sunlight strength and spectrum surge and to reach the goal of intelligent power saving. About illumination energy system, high performance driving power supplies suitable for high- power white-color LEDs and RGB mixed-color LEDs will be studied and developed. The main objective is the adoption of low-cost single-stage circuit topologies in indoor illumination applications. The second objective is to study and implement RGB LED

backlighting module drivers for large-scale liquid crystal displays. In connection with poweramplifier, we plan to implement high-performance trench-type Insulating-gate-bipolar transistor

(IGBT’s) with a blocking voltage over 800 volts, an on-stage voltage drop lower than 3 V, and a turn-off time less than 200 ns, for applications in LED-based illumination system.

In this three-year project, we will study and implement power amplifier, high-performance power saving control chip, CMOS Photo Detector,

illumination energy drivers and intelligent power saving technologies. Finally, we will also implement a BEMS based on ZigBee sensor network to achieve the objective of intelligent civil energy management systems.

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英文關鍵詞： smart grid, intelligent building, Zigbee, Natural Light Guiding System, LED Driver,

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一、前言……… 2

二、研究目的……… 3

三、文獻探討……… 4

四、研究方法……… 5

五、結果與討論(含結論與建議) ……… 13

六、計畫成果自評 ……… 25

七、參考文獻……… 27

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一、前言

近年來因全球暖化、油價波動、經濟震盪與金融危機，世界各國的科學家莫不致力於節能技術之研發，期盼降低對石化能源之依賴，減少碳量排放以延續人類未來發展。目前，

除工業生產與運輸工具外，主要的能源消耗多屬於各項民生系統之使用(如空調與照明設備等)，因此如何讓民生系統的效能提升就成為了國內節能研究的重要課題。本計畫將研發一套完整的智慧型民生能源管理系統，以提升民生系統之能源使用效率。此系統涵蓋機電整合節能方案、系統內關鍵零組件或功率晶體之開發、智慧型節能系統、整合控制晶片與功率晶體之設計平台，以及相關節能技術，如：LED 照明驅動技術、LED 背光驅動技術。以底層功率晶體研發，結合照明驅動電路設計，開發光感測晶片和高效能省電晶片，進階發展慧型節能系統，最後利用 ZigBee 所架構之能源收集與控制系統，並完成智慧型民生能源管理系統。

本計畫以一個總計劃為主，五個子計畫為輔所建構而成，其架構如下圖一所示。

總計畫：建立能源管理控制系統，根據子計畫一所建立之能源資料，進行能源控制，

再根據各子計畫節能設計，以達成智慧型民生能源管理系統。

子計畫一：結合子計畫五所發展之能源檢測晶片，再配合以 ZigBee 為傳輸基礎架構下達到能源收集以及資料傳輸之工作。

子計畫二：結合子計畫五所發展之光檢測晶片，配合引用自然光技術來發展智慧型節能系統。

子計畫三：結合子計畫四所發展之功率晶體，研發出高效能 LED 光源驅動電路。

子計畫四：配合總計畫之目標，研發絕緣閘極雙極性電晶體以利於子計畫四光源電路設計。

子計畫五：配合子計畫三，研發高效能省電控制晶片以利完成能源資料之收集。

配合子計畫二光感測器技術感，研發功耗、面積小之類比至數位轉換器 (ADC)，進而控制智慧型燈具之照明參數以達到智慧節能的目標。

【圖一】計畫建構圖

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二、研究目的

本計畫團隊之各子計畫研究目的如下所述：

在子計畫一中，台灣地區自己生產的能源有限，幾乎百分之九十八以上需要仰賴國外進口，而在目前建築相關用電情況中，我國住宅及商業用電所消耗電力占總用電百分之三十，是非工業生產最重要的耗能，因此政府正積極訂定耗電之百貨公司、辦公室及觀光旅館等建築物省能規範，使建築物之耗電減輕至最低，以達節約用電。

在目前能源逐漸缺乏的現代，節能減碳以及發展零能源大樓 (ZeroEnergy Building,ZEB)和低能源大樓 (Low Energy Building,LEB)已經是未來發展的趨勢，所以如何經由有效之系統監控與管理而減少消耗能源，此觀念即為民生能源管理系統之基本概念，對比新技術的取得和設計更具備著實際的意義。在子計畫一中以插座型控制模組與民生能源管理系統 Web Server 整合成系統，以利家庭或大樓之能源管理與監測。

子計畫二擬研發「被動式大面積之自然光收集系統」、「應用於自然光傳輸系統之光學元件」以及「自然光與人造光之耦合照明模組」等三大技術，此技術間以 ZigBee 無線感測網路作聯結，以達到智慧型控制之目的。收集系統將用於收集照射於建築物外牆的日光，並且不需使用太陽追蹤器等電子設備，擁有大範圍太陽能之再利用以及低維護成本之優勢。搭配傳輸系統與照明模組後，可提供學校與辦公室等區域日間穩定照明，也可搭配太陽能板動態選擇儲能與照明兩種功能。此技術之應用範圍大，可提高太陽能板供電效率，也可提供照明給如隧道、水族箱以及禁止電氣燈源之空間等特殊區域。

子計畫三之研究目的，因高科技產業擴張迅速、能源的需求與日俱增、以及有限能源與環保的課題，使得在電能的有效使用率方面更為講究。其中又以民生能源用電，

照明為最重要的部份。因此，本計畫以提升光源驅動效能為目的，針對顯示器與一般照明應用為主軸技術研發，並配合產學合作研製一般照明應用之高功率 LED 驅動電源。最終研發成果，將俱備高轉換效率、精準穩流控制與色溫亮度回授控制等特色。

子計畫四之研究目的，在過去幾年，巨大的進展造就 MOS 控制功率元件的延長能力，例如：功率金氧半薄膜電晶體和絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)。相對於功率金氧半薄膜電晶體在低電壓功率電子應用的熱門，IGBT 主導中高電壓功率電子系統由於它們應用的電壓容易縮放和它們功率損失很好控制。橫向絕緣閘極雙極性電晶體可易於與 CMOS 製程整合，而形成於絕緣基底上薄膜區域之橫向絕緣閘極雙極性電晶體更可提供高耐壓特性。然而，由於絕緣閘極雙極性電晶體之寄生 pnpn 結構，當閂鎖效應產生時，該閘極無法控制元件電流而限制了最大工作電流。

於此計畫中，以雙重 p 型井區佈植來形成耐壓七百伏特之橫向絕緣閘極雙極性電晶體功率元件，藉此以提高其閂鎖效應抑制能力。以橫向電晶體係形成於 SOI 晶片之磊晶矽膜上，並串聯連接空乏型金氧半場效電晶體且使金氧半電晶體閘極與絕緣閘極雙極性電晶體共通，藉由空乏型金氧半場效電晶體來限制導通電流之變化，來提高其閂鎖效應抑制能力。

子計畫五之研究目的，如圖二所示，其為高效能省電控制晶片之應用的流程方塊圖，第二年的研發重點，其功能希望達到依負載輕重做功率提供之調節以做節能之用，並依照負載的消耗將消耗功率之數位值透過 Zigbee 回傳至主控端以便紀錄及控管。（主要用來搭配智慧型燈具），此計畫為了易與數位控制電路做結合，且元件特性易掌握，高效能省電控制晶片主要是由數位脈衝寬度調變電路(DPWM)與 LED 驅動電

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Zigbee 通訊模組

ADC LPF

PWM LED

驅動電路

高效節能控制晶片

功率消耗元件單相量測晶片概念

路所組成。第三年的研發重點，其功能希望以計畫二之光感測器所感測到之光訊號，

藉由單相量測晶片將光訊號轉換成數位訊號，並將數位訊號送至 Zigbee 無線感測系統調節高效能省電控制晶片，進而控制智慧型燈具(LED 人造光源)之照明參數以達到智慧節能的目標。單相量測晶片組程包含低通濾波器(LPF)與低功耗、面積小、高精度之時域型類比至數位轉換器(ADC)組成。

【圖二】高效能省電控制晶片之應用

三、文獻探討

子計畫一中，近年來智慧大樓[1]與智慧電網[2,3]的相關應用被廣泛的研究與發展，因此以此概念下，建立出一套能源管理系統[4]，希望透過電力測量模組搭配上固態繼電器(SSR)開關機制，以及透過 Zigbee[5,6]低耗電短距無線網路技術，建構出一種智慧型插座系統。

Zigbee 在應用[7]上十分廣泛，從家庭網路，如燈光、窗簾的無線控制、水電自動抄表，至醫療看護應用，如心電掃瞄等身體資訊收集，其他應用如環境資訊蒐集、空氣品質、水質的無線自動檢測、無線玩具、門禁控制等都是 Zigbee 的目標市場。

透過智慧型插座系統，利用 Zigbee 傳送電力資料[8]給家庭能源集中系統，此系統再透過網際網路[9]將電力資料送給中央伺服器儲存起來，此系統最主要是要達成偵測電能及遠端遙控節能的功能，使用者可以透過網際網路去觀看中央網頁伺服器，知道目前插座上所接裝置其電壓、電流、耗能、用電曲線以及過去的用電資料等狀態，並可搭配著手持式裝置連上網路，可以即時的觀看以及遙控家庭中的裝置。

子計畫二中根據研究，一般商業用電中約有 30%以上之用電量為室內照明[10, 11]，為減少照明用電量，可節能減碳之自然光照明系統便引起各界重視。國外之經驗指出，安裝自然光照明系統之住宅，其室內光環境品質有顯著改善，在晴朗白天完全可以不使用耗電光源之照明，所導入之自然光完全可以滿足人們日常活動之照明和採光需求，而且對人們身體健康有利[12-14]，可明顯減少季節綜合症的發病率。長期以來，人們一直對天然光存在一種誤解，認為天然光進入室內所帶來之熱能要多於人造光源。事實上，如果提供相同之照度，天然光所帶來之熱能比絕大多數人造光源少，

因此用天然光代替人造光源進行室內照明，可以大幅減少空調負荷，有利於降低建築

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物之用電量。

目前太陽能之研發與應用大多聚焦於太陽能電池之相關領域上，僅僅少部分之研發著重於自然光之室內照明應用[15-18]，而大部份自然光室內照明之系統，皆需使用太陽追蹤器(Sun Tracking System)來提升集光效率[19-21]，帶給系統高安裝成本與高維修費用之缺點，同時也限制了使用空間，進而縮小自然光之應用範圍。根據研究，若在非洲鋪設總範圍為 700 平方公里之太陽能電池，就可產生供給全世界所需之電量，

因此太陽能具有完全取代現有能源之潛力。目前跨洲供電限制了此方案之實現性，若將此面積分散至世界各地，則太陽能可望提早取代現有之有限資源，進一步減緩溫室效應之惡化。

子計畫三之『高性能 LED 光源驅動技術』部分，背光模組是液晶顯示器之關鍵零組件[22]，其性能與可靠度直接影響到液晶顯示器的顯像品質[23, 24]。驅動 LED 之直流-直流轉換器架構，文獻中提出包括降壓式轉換器與順向式轉換器[25-27]。上述兩種轉換器之功率開關皆為硬式切換方式，此切換方式使功率開關的切換損失增高，降低效率，亦產生電磁干擾。因此，本計畫利用串聯諧振直流-直流轉換器作為 LED 之驅動電源[28]，藉此改善上述問題。其次，LED 背光源，主要分為兩種白光發光二極體與紅綠藍光發光二極體。其中，白光發光二極體長時間使用會造成白光的色溫偏移，故白光二極體僅應用於中小尺寸之手持式顯示裝置[29]。然而，為了提昇大尺寸顯示裝置之影像品質，本計畫採用紅綠藍光發光二極體作為背光源[30]，其光學回授則採用磁滯控制方式[30]，利用數位信號處理器之程式演算法[31-33]，即可達成白光亮度與色溫穩定之目的。

子計畫四中根據研究，在過去幾年，巨大的積體電路技術進展造就 MOS 控制功率元件的能力，諸如功率金氧半薄膜電晶體和絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)等之產生。

相對於功率金氧半薄膜電晶體在低電壓功率電子應用的熱門，IGBT 主導中高電壓功率電子系統由於它們應用的電壓容易縮放和它們功率損失很好控制。橫向絕緣閘極雙極性電晶體可易於與 CMOS 製程整合，而形成於絕緣基底上薄膜區域之橫向絕緣閘極雙極性電晶體更可提供高耐壓特性。然而，由於絕緣閘極雙極性電晶體之寄生 pnpn 結構，

當閂鎖效應產生時，該閘極無法控制元件電流而限制了最大工作電流[34-45]。

子計畫五之『高效能省電控制晶片與高轉換效率之光檢測晶片之設計』部分，目前 LED 驅動電路架構以及電流轉換器架構文獻[46-49]，分析其優缺點，提出電路設計，

僅需要簡單的創意概念，立即可以達到極佳的效能。本次電路設計希望透過此次機會將先前創意設計的 DPWM 在更精近實現出來，構思更為簡單的電路架構，並以類比 IC 形式去實現電路，希望如此可以提高電路之精準度，並設法減少電晶體的使用數量，

節省電路面積，提高其操作之速度，有效提升 DPWM 電路之效能。類比至數位轉換器 (ADC)希望透過此次機會將展現過去以往在電壓領域(Voltage-Dimain)進行轉換，以時間領域(Time-Domain)的方式設計 ADC，特色電路架構簡單，有效提升 ADC 電路之效。

2008 年已有人在全球最大的 IC 設計會議 ISSCC 上發表 1V 之 12 位元時域 ADC[50] ，可見時域型 ADC 的研發將會成為潮流。

四、研究方法

子計畫一的系統架構如下圖三所示。

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【圖三】Zigbee 之能源收集系統架構

其系統及通訊架構如下：(1)插座型負載監控器利用單相電源量測晶片取得負載之用電資訊，將取得的數位資料與家用型負載監控器使用 ZigBee 無線訊號並採取雙向通訊的方式，傳輸資料和系統資訊及信號命令。(2)家用型負載監控器內部執行 Linux 系統，主動與能源監控管理伺服器連線，之間使用 TCP/IP 網際網路並採取雙向通訊方式，

傳遞資料和系統資訊及信號命令，並將信號命令透過 Zigbee 傳送給插座型負載監控器。(3)能源監控管理伺服器(包含 WEB 及資料庫)建置於台電綜合研究所，與家用型負載監控器之間使用 xDSL 或 FTTB…等公眾數據網路，以 TCP/IP 網際網路為家用型負載監控器到台電綜合研究所的通訊網路，此資訊平台系統的網路通訊包括資料的上傳、下傳、系統資訊以及信號命令的雙向傳遞。

子計畫二應用自然光源於建築上之系統，主要可分為三部分：第一為涉及光電轉換的太陽能系統(太陽能板)，第二為利用光學結構的反射、散射與透射等光學特性的光學系統(Shading System)，第三為光學結構搭配電力系統(向日葵集光器)。第一類之太陽能系統之缺點為價格昂貴成本回收時間過久與轉換功率問題；第二類之光學系統之缺點為能量分布不均無法傳輸至內部深處、收集面積相對過小；而第三類之光學結構搭配電力系統之缺點為收集面積相對過小、儀器昂貴、儀器精準度影響其效率。

為了改善收集面積相對過小之缺點，亦即將建築結構外在受光面積使其能充分運用到室內照明，並降低成本與維護費用，本計畫將開發低成本、低維護費用、安裝簡易之應用系統，使太陽能之應用擴增至生活層面。研發能量聚焦於自然光集能技術，

開發自然光源之收集元件。集光元件使用直角稜鏡為基本單元進行設計，此元件可將面光源之日光轉為線光源，進一步以相同方式降低光源之維度而獲得點光源，達到收集日光之目的，此元件將以類似磁磚之概念，鋪設於建築物外觀；不涉及光電轉換程序為本計畫所要展現此系統之特色。

靜態集光元件之主要概念是將原本為面光源之日光，透過光學元件將其降低一個維度而轉為線光源，進一步以相同方式使日光轉為點光源以利傳導。本計畫將設計一個高效能的自然光收集光學元件以利用於室內照明的光學結構，此結構必須可以像磁磚般地鋪設在建築物的外表，以便大範圍地回收照射於建築物外牆的陽光。為了設計出能如磁磚般排在建築物外牆的光學結構，計畫將以相同單位元的方式來組成此光學結構。當元件串聯使用時會具有收集、壓縮光線的效果，此元件可以收集太陽光，並將之傳遞至鄰近的單位元。

其設計方式之ㄧ將利用一個傾斜角為 45 度之稜鏡結構為系統單元件，由單元件組成將面光源轉成線光源之集光元件，並在線光源出口端接上相同設計之稜鏡結構，進一步藉由此結構將線光源轉點光源。另一設計方式將運用共焦原理與平板概念，設計

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鋸齒面或曲面之元件，單位元將會有兩個輸入與一個輸出，分別為自然光之輸入端、

自前一個單位元所收集光之輸入端以及單位元本身之輸出端。

智慧照明燈具其組成元件包括側發光光管(Lightpipe)、補償光源(LED)、以及光偵測器(Optical Sensor)，此模組將根據外界自然光的強弱動態調整補償光源，以提供穩定的照明環境。並且由 ZigBee sensor 所偵測到的照明量與質(照度、色溫等參數)，將可回饋到控制機構，視使用者與環境的需求自動調節陽光與 LED 光源的組合，達到智慧型控制的目的。

然而，以往自然光照明系統®中的傳光裝置皆是以光纖做為傳輸媒介，其價格成本高、傳光面積較小且長距離傳輸效率損耗高，因此我們提出一新式具有光學結構設計之高效率傳光管，可提高其光線在整個系統中之傳輸效能，且此設計價格成本低，且改善光纖長距離傳輸效率不佳之缺點，因此可望在未來能取代光纖在自然光照明系統®

作為主要的傳光裝置。

另外，自然光照明系統®必須依靠各子系統間的配合才能提供一個高品質的室內照明，但隨著光線入射集光系統時入射角度的不同，造成集光系統所輸出的配光曲線發生變化，而傳光系統對於入射其系統之光線角度皆有限制，故大角度光線無法有效進入傳光系統傳遞，造成光能從集光系統進入傳光系統時一開始便產生 40%以上的損耗，

甚至增加傳遞時與傳光系統的碰撞次數不利光傳遞，因此需要一個有效的光學耦合器來解決此問題。在眾多的二次光學元件設計中，自由曲面以其元件自由度高，可達一般二次光學元件較難達到的效果，如特殊配光曲線的控制，本子計畫即利用自由曲面設計概念將能量重新分佈來完成耦合器設計。

在自然光照明系統®中的傳輸元件末端上我們設計了一放光元件，使自然光均勻的分布於室內空間，讓人覺得明亮且不會有不舒適的眩光，但是為了使光線能夠長距離並有效率的傳輸，傳光元件通常把結構設計成可以使光線非常準直，這是為了減少光線在界面間的碰撞次數，即可減少能量的損失，但是如此準直集中的光線，難以用於室內大範圍的照明，本子計畫提出一光學結構可有效使光線角度展開，並使用田口法調整各結構曲面之曲率與位置作最佳化參數設計，提高自然導光照明系統之照明品質。

子計畫三之研究內容如下，首先依 RGB 的 LED 陣列規格設計串聯諧振直流-直流轉換器之規格，後端，設計均流電路使每串 R、G、B 之 LED 亮度皆相同。本文之 RGB LED 陣列驅動架構如圖四所示，其中包括三組直流-直流轉換器、RGB LED 陣列、LED 陣列驅動電流平衡模組、擴散板、色彩感測器(Color Sensor)與數位信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)。

(1) 電源架構：三組直流-直流轉換器

本文中直流-直流轉換器採用串聯諧振轉換器，其電路架構如圖五所示，圖五之初級側元件反射至次級側之等效電路如圖六所示，串聯諧振直流-直流轉換器之規格下所示：

 SRC 之電路效率，  90 %

 輸入電源 Vs = 240 V (可依照實際需求而調整)

 諧振頻率，fr = 50 kHz

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DC-DC

Converter Red LED Arrays

Curent Balance Controllers

Green LED Arrays

Blue LED Arrays

Diffusion Plant

Color Sensor Red Light

White Light

Green Light

Blue Light Curent Balance Controllers

Curent Balance Controllers DC-DC

Converter

DC-DC Converter

White Light

PSPWM Dimming Signal

A/D Converter Hysteresis

Control Algorithm

Digital Signal Processor

【圖四】驅動 RGB LED 陣列之背光模組架構

C_r

N_p : N_s L_r

L_m

R_L S₁

S₂ V_S

v_Np

D_f1

D_f2

C_f T₁

【圖五】串聯諧振直流-直流轉換器

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C_r/n² n²L_r

n²L_m R_o

nV_s/2 V_o

Z₁

Z₂

【圖六】串聯諧振直流-直流轉換器之初級側元件反射至次級側之等效電路 (2) 電源架構：雙極直流-交流轉換器

雙級式 LED 電源驅動電路可分為前級 PFC，以及後級 DC-DC 轉換器，前級採用 Boost PFC 架構，負責功率因數校正，後級則採用 Flyback DC-DC 轉換器，以提供合適的電壓輸出給負載。其動作原理如圖七所示：

圖七雙級式 LED 電源驅動電路架構圖 1、Boost PFC 動作原理

圖八所示的為一昇壓型功率因數校正器(Boost PFC)架構。由橋式整流 D1 對輸入交流電壓作全波整流後，經由一升壓電感 L，並以適當的控制信號控制功率開關 Q，使輸入電流與輸入電壓同相位，以達到功率因數修正，並且調節輸出直流電壓準位。

圖八昇壓型功率因數校正器架構 2、Flyback DC-DC 轉換器動作原理

如圖九所示為 Flyback DC-DC 轉換器架構，其工作原理可分為二個狀態

圖九 Flyback DC-DC 轉換器架構狀態一：

當功率開關 Q 導通時，變壓器 T 的一次繞組 N1 由輸入電源儲存能量，此時，由於變壓器一次繞組與二次繞組的極性相反，因此，二極體 D 被逆向偏壓，故沒

(16)

有能量傳送至負載，此時輸出至負載的能是由電容 C 提供如圖十所示。

圖十 Flyback DC-DC Q 導通；D 截止之等效電路狀態二：

當功率開關 Q 截止時，如圖十一，變壓器 N1 繞組的電流會降為零，當磁通密度方向改變時，變壓器上所有繞組的極性也隨之反轉，並使二極體 D 導通，而變壓器 N1 繞組的能量也將轉移至 N2 繞組上，並對電容以及負載提供能量。

圖十一 Flyback DC-DC Q 截止；D 導通之等效電路 (3) RGB LED 陣列規格：驅動架構元件設計

SRC 驅動 36 顆串列且三條並列之紅光 LED 陣列，需提供之電壓為 362.5 = 90.0 V，且根據表一可知 SRC 需提供之輸出電流 Io,max 為 500 mA，因此，輸出最大功率為 900.5

= 45.0 W。其次，SRC 驅動 36 顆串列且三條並列之綠光 LED 陣列，需提供之電壓為 363.8 = 136.8 V，且根據表一可知 SRC 需提供之輸出電流 Io,max 為 375 mA，因此，

輸出最大功率為 900.375 = 51.3 W。再者，SRC 驅動 36 顆串列且三條並列之藍光 LED 陣列，需提供之電壓為 363.6 = 129.6 V。根據表一可知 SRC 需提供之輸出電流 Io,max 為 330 mA，輸出最大功率為 900.33 = 42.8 W。

最後可求得三組之轉換器揩振元件如表二所示，本計畫所採用之元件型號如表三所示。

【表一】 SRC 提供之輸出平均電流驅動 RGB LED 陣列

Red LED 陣列 Green LED 陣列 Blue LED 陣列

I_o,max(mA) 500 375 330

Io,rated (mA) 330 250 220

Io,min (mA) 165 125 110

(17)

【表二】三組串聯諧振直流-直流轉換器之諧振槽元件 Red LED

陣列

Green LED 陣列

Blue LED 陣列計算之諧振電感值(Lr)

實際採用之諧振電感值

計算之諧振電容值(Cr) 20.66 nF 23.55 nF 19.64 nF 實際採用之諧振電容值 22.00 nF 22.00 nF 18.00 nF 變壓器初級側圈數(Np) 59.00 turns 59.00 turns 59.00 turns 變壓器次級側圈數(Ns) 45.00 turns 68.00 turns 64.00 turns 激磁電感(Lm) 9.70 mH 9.70 mH 9.70 mH

【表三】 SRC 採用之元件

元件型號

功率開關 (S1 與 S2) IRF-830

控制器及功率開關驅動器 L6598

諧振電感(Lr) CM270060

諧振電容(Cr) Metallized polypropylene capacitor 變壓器(T1) EER28L ferrite core

整流二極體(Df1 與 Df2) Ultrafast rectifier, MUR120 濾波電容(Cf)

子計畫四的研究方法，圖十二顯示了形成於絕緣基底上矽薄膜之絕緣閘極雙極性電晶體，於絕緣基底上形成有磊晶矽薄膜或多晶矽，其厚度約為 2 微米，然後，於 950 度 C 成長約 370 埃之二氧化矽，再以 P^(10 keV, 210¹² cm^2)進行佈植並於 1100 度 C 退火 16 小時以形成 n 型漂移區，之後定義主動區域，其大小約為 13 m  100 m，

再移除二氧化矽並另成長一 100 埃之二氧化矽，隨後進行 P^(60 keV, 610¹² cm^2) 之 n 型緩衝區佈植，並進行 1100 度 C8 小時的退火驅入，隨後，再進行雙重 p 型井區離子佈植，其使用低能量之 B^(60 keV, 110¹² cm^2) 與退化之高能量 B^(600 keV, 810¹³ cm^2). 並以 950 C 退火兩小時，隨後再以 As^(50 keV, 110¹⁵ cm^2) 進行 n+源極區佈植. 並以 BF₂^(35 keV, 210¹⁵ cm^2)進行 p+陽極區佈值，隨後移除遮蔽氧化層並形成一 100 奈米之閘極氧化層，再定義接觸孔洞及金屬電極區域。

(18)

【圖十二】(a) 【圖十二】(d)

【圖十二】(b) 【圖十二】(e)

【圖十二】(c) 【圖十二】(f)

至於子計畫五為了實現低功耗、低成本及高解析度之產品之研究，本計畫在設計 DPWM 晶片方面，將提出全然不同於以往的 DPWM 設計概念，打破傳統架構概念，使用脈衝縮減/放大緩衝器進行設計。將以下列方式去實現低功耗、廉價及高解析度的產品。

DPWM 的主架構中採用簡單卻效果極佳之脈衝縮減延遲元件的架構配合數位選擇器的來完成，其中的數位選擇器與控制電路的部份，將透過數位合成的方式來完成，

如此便能夠輕易達到電路複雜度低、小面積和低功耗等目標。在穩定性及精準度上除了透過內部連續趨近暫存器（Successive Approximation Register, SAR）電路概念來做自行校正或是由外部做調整控制，以確保每一級之脈衝縮減延遲級之縮減幅度，也確

(19)

保輸出週期訊號的精準性及正確性。

Time-Domain ADC，是打破傳統概念在時間領域進行轉換，首先由電壓至時間轉換器(VTC)將輸入電壓轉為時間脈波寬度，然後再經由時間至數位轉換器(TDC)將時間脈波寬度轉換成數位值，並將結果輸出。

由於轉換器電路需要做校正，以改善積體電路在製程生產之誤差，故在一開始將使用數位校正電路(SAR)來做校正的動作。

五、結果與討論(含結論與建議)

綜合上所述總計畫的執行成果可以得知，目前從實體層的電晶體和晶片設計到上層的控制系統設計及研發已經初步完成智慧型能源管理系統整合功能，正朝向在有限能源的資源底下從開源與節流雙方面去執行，以達到最有效率之節能效果。並且架構在此計畫之下積極培育各項專長領域的技術人才，進而提升研發創新新產品及獨立思考作業之能力。目前各子計畫之總結分析報告如下說明：

子計畫一目前進度已完成插座型控制模組面積縮小，如圖十三所示，並且電器可直接插進此插座型控制模組。

【圖十三】插座型控制模組

完成民生能源管理系統 Web Server 架設，於 Android Phone 與 iPad 上可透過無線網路觀看負載用電歷史用電訊息，如圖十四所示，可透過民生能源管理系統 Web Server 網頁遠端控制負載開關。

【圖十四】智慧型控制平台

子計畫二智慧照明燈具基本包含自然光照明系統、人造光照明系統以及光敏電阻電路系統，此概念可透過提供室內穩定照明亮度下，擴增陽光導光系統的應用範圍，

在搭配本系統的整體架構下，可提供住戶節能且健康的照明環境。更進一步的，智慧照明燈具可結合太陽能電池系統，有效地主動管理所收集到的太陽光；也可結合分光

(20)

系統，創造室內情境照明的氛圍；或可結合多色 LED 混光系統，讓室內光線更加柔和且一致。下圖十五、十六為智慧照明燈具於 2010 台北國際花卉博覽會未來館的應用設計圖以及內部電路架構圖。

【圖十五】智慧照明燈具應用設計圖

【圖十六】智慧照明燈具電路架構圖

靜態集光元件之主要概念是將原本為面光源之日光，透過光學元件將其降低一個維度而轉為線光源，進一步以相同方式使日光轉為點光源以利傳導。本計畫將設計一個高效能的自然光收集光學元件以利用於室內照明的光學結構，以便大範圍地回收照射於建築物外牆的陽光。計畫將以相同單位元的方式來組成此光學結構，如圖十七所示。當元件串聯使用時會具有收集、壓縮光線的效果，此元件可以收集太陽光，並將之傳遞至鄰近的單位元。

(21)

【圖十七】多尺度集光元件之架構

其設計方式之ㄧ將利用一個傾斜角為 45 度之複合式透鏡結構為系統單元件，由單元件組成將面光源轉成線光源之集光元件，並在線光源出口端接上相同設計之透鏡結構，進一步藉由此結構將線光源轉點光源，如圖十八之左所示。另一設計方式將運用共焦原理與環型概念，設計鋸齒面或曲面之元件，其結構概念如圖十九之右所示，單位元將會有多層的環狀輸入端口與一個輸出端口，分別為自然光之輸入端、自前一個單位元所收集光之輸入端以及單位元本身之輸出端。

【圖十八】新型設計結構示意圖

(22)

【圖十九】圓形結構模組

為將傳光子系統部分達到模組化概念，我們可推得傳光管出口端的光線張角需與入口端光線張角一致，因此我們將第二透鏡的位置做些調整，調整到距離傳光管出口 30 公分，

如圖二十三所示，可達到出口端光線張角與入口端相似，如圖二十二所示。當我們確定第二透鏡的位置後，因第二透鏡前後曲率相同，因此在第二透鏡前 30 公分處也要具有相同的光線角度，這樣一來便可推得我們須修改第一透鏡的擺放位置，將調整至距離光源 5 公分，

由圖二十、圖二十一、圖二十二可看出光源、傳光管出口端、第二透鏡前 30 公分處有相同的光線出光角度。這樣一來便完成了第一個傳光管模組的設計，如圖二十三所示，整體效率可高達 82.097%。接著我們將沿用第二透鏡作為複製，每個模組內擺放兩個透鏡，利用先前提到的模組化概念，便可讓光傳導於空氣中而不與外圍光管接觸，近而大大提升傳導效率，如圖二十四、圖二十五、圖二十六分別為兩個模組、三個模組、四個模組的光線示意圖。

圖二十光源發光角度圖

(23)

圖二十一光線經由第一透鏡集中發散後的光線角度

圖二十二光線經由第一模組集中發散後的光線角度

圖二十三第一模組之光線追跡圖

圖二十四前兩個模組之光線追跡圖

(24)

圖二十五前三個模組之光線追跡圖

圖二十六前四個模組之光線追跡圖

在耦合端部分，反射罩耦合器輸入端面積與集光器的輸出端面積相等為 33.64 mm×16.5 mm 矩形，輸出端為非軸對稱的多邊形半徑約為 42 mm，外觀呈現放射狀其長度為 110 mm，

近似於拋物面罩。如；圖二十七所示。

圖二十七 (a) A 區塊為輸入端，B 區塊為輸出端 (b) 反射罩輸出端正視圖圖二十九是光能量通過單一傳光管模組後傳光效率的比較圖。圖中藍線代表使用反射罩耦合器前，集光器輸出端直接銜接傳光管的傳光效率，而紅線則是使用反射罩耦合器後的傳光效率。圖中可以觀察到反射罩耦合器的使用明顯提升傳光之效率。同樣以入射光角

度為 0o 垂直入射集光器為例，經由反射罩耦合器收斂光線後傳輸效率由原本的 60.44%上升至 84.06%，並且當光線入射集光器的角度越大時其傳光效率改善更加明顯；入射角度為 -33o~-45o 與 20o~33o 時，傳光效率改善平均可達 10 倍以上，而整體傳輸效率也有 2 倍以上的改善。同時比較圖二十八與圖二十九可以發現，兩圖的曲線的趨勢明顯一致，當耦合效率較高時其對應的導光效率也相對較高，趨勢相同也證實光線經由反射罩耦合器修正後以小角度輸出會有利傳光系統之傳輸。

(25)

圖二十八反射罩耦合器使用前後光收斂效率比較圖

此反射罩耦合器最大的特點在於可同時針對不同的配光曲線進行修正，修正後由圖二十八與圖二十九的曲線趨勢可以觀察出原本因不同光線入射角度導致收斂效率變動幅度過大進而影響傳輸效率的現象得到了一定了改善，故此本文提出之反射罩耦合器可以提升自然光照明系統®一個更穩定的室內照明效果。

圖二十九反射罩耦合器使用前後傳光效率比較圖

放光裝置基本結構的各項品質特性為:均勻度:24.546 %、放光元件效率:71.364%、放大率:8.976 倍，如圖三十(b)所示。未加上放光元件的系統的各項品質特性為:均勻度:23.592 %、

放光元件效率:97.943%、放大率:1，如圖三十(a)所示。

(a) (b)

圖三十觀察面之照度圖:(a)未加放光元件之照度圖 (b)加上放光元件之照度圖

(26)

表四加與未加放光元件結果比較表

表五初始設計與最終設計的結果比較

放光子系統部分，我們設計一放光元件是由兩個凹透鏡與一控制均勻度之透鏡組成，可有效地使光線拉開，並將其應用於自然光照明系統®中(通常光線經傳光系統後會變得非常準直)，由表四可看出加與未加放光元件結果得比較，套上放光元件後，均勻度與放大率均大幅提升。之後再使用田口法調整各結構曲面之曲率與位置作最佳化參

數設計，並利用田口法對系統進行分析，得知要如何選取參數才能使各項品質特性達成最佳化，但是參數的選取在這三種品質特性的考慮下或多或少都有一些衝突，所以必須在這之間做一些折衷，於是同時考量所有品質特性去設計而得到一組最佳解，使均勻度提升 23.564%、效率提升 18.850%、放大率稍稍下降 1.047%，如表五。接下來排列最終設計的元件形成放光模組，可使照射範圍更廣、照射區域更均勻，以應用於更大區域之室內照明。

子計畫三的前兩年度目標在於，依 RGB 的 LED 陣列規格設計三組串聯諧振直流- 直流轉換器之規格，後端加上均流電路使每串 R、G、B 之 LED 亮度皆相同，並加入

(27)

新式相位調光功能。本計畫目前已成功研究出 RGB 三色背光模組驅動電源，包括三組直流-直流轉換器、並加入 LED 陣列驅動電流平衡模組，目前成功點亮 RGB LED 陣列。

第三年度為設計出高效率薄型化的 LED 驅動電路，具有以下特性：

一、薄型設計：磁性元件採用 EFD303C90 鐵心，可讓驅動電路具有輕薄短小優點，省下許多空間。

二、高效能：功率級電源轉換效率達 90%(額定負載)，並符合相關安全規範。

三、高瓦數：比一般家庭的電燈瓦數高，亮度跟光照度更好，再搭配上調光電路讓室內環境明亮度都能很適中。

而在效率上也相當的優異，如圖三十二上可看到在 100%的負載上可達到 85.84%的效率，符合節能的規範。

圖三十一實測圖片

(28)

調光信號 (%)

負載電 流(A)

輸出電 壓(V)

輸入電

流(A) THD PF 效率 (%)

100%

PWM 調光信號

Io1

=0.72

Vo1

=31 0.4905 7.50 0.976 85.84 Io2

=0.732

Vo2

=31.3

90%

Io1

=0.655

Vo1

=30.5

0.4475 8.04 0.971 83.72 Io2

=0.654

Vo2

=30.7

50%

Io1

=0.366

Vo1

=28.5

0.2642 12.21 0.933 75.53 Io2

=0.353

Vo2

=28.5

10%

Io1

=0.07

Vo1

=26.6

0.0848 56.78 0.685 53.10 Io2

=0.058

Vo2

=26.5

圖三十二測試數據

子計畫四圖三十三顯示了以傳統 p 型井形成方式及退化雙重佈值方式所形成 p 型井區之縱向濃度分佈，與習知井區形成方式相較，該退化雙重佈值方式可於薄膜較深處形成一高摻雜濃度並於表面區域形成一較低摻雜濃度，故藉由該該摻雜濃度可降低 p 型井電阻而提高閂所效應抑制力，圖三十四顯示了以退化雙重佈值方式可顯著提升閂所觸發電流。此外，圖三十五亦顯示退化雙重佈值方式不會使耐壓能力劣化，且可微幅改善順向導通特性，圖三十六顯示操作於 50 微安/微米之電流下，其壓降可為僅 3 伏特。圖三十七亦顯示了該絕緣閘極雙極性電晶體元件於不同溫度下的導電電流與壓降之關係，其於低溫下可因較佳 MOSFET 特性而具有較大的導通電流。

(29)

【圖三十三】【圖三十四】

【圖三十五】【圖三十六】

【圖三十七】

圖三十八顯示了此橫向絕緣閘極雙極性電晶體之橫向結構，而圖三十九顯示了本計畫所採用之串聯空乏型金氧半場效電晶體之絕緣閘極雙極性電晶體之電路架構圖，圖四十則顯示了該空乏型金氧半場效電晶體之結構圖，一般而言，如圖四十一所示，相較於功率金氧半電晶體，絕緣閘極雙極性電晶體可獲得明顯較大的導通電流，然而，該絕緣閘極雙極性電晶體則會有閂鎖效應產生之可能。

(30)

藉由串聯連接空乏型金氧半場效電晶體且使金氧半電晶體閘極與絕緣閘極雙極性電晶體共通，其於元件關斷時，耐壓係橫跨於絕緣閘極雙極性電晶體上，而元件導通時，其導通電流係由空乏型金氧半場效電晶體所限制，而可避免閂鎖效應。圖四十二顯示了使用串聯空乏型金氧半場效電晶體後之明顯閂鎖效應改善情形，而圖四十三則顯示了導通電壓降並不會有顯著的劣化，特別是使用高耐壓的絕緣閘極雙極性電晶體時。結果地，與一般習知元件結構相較，該串聯空乏型金氧半場效電晶體之絕緣閘極雙極性電晶體可獲得極佳的閂鎖效應抑制能力且不會劣化耐壓能力，且導通電壓降亦不會有顯著衰退。

圖三十八圖三十九

圖四十圖四十一

(31)

圖四十二圖四十三

子計畫五目前對於 ADC 模擬結果與各項優點如下：本設計採用 TSMC 0.18m 製程，核心面積僅有 0.084 mm²、解析度高達 14bit、INL 誤差僅有-0.82~+0.88 LSB、驅動電壓只需 1V、功耗僅有 50  W 、取樣頻率為 10kHz，效果極佳，目前晶片製作完成，

開始進行測試電路板製作與量測工作。

六、計畫成果自評

子計畫一以電源量測晶片為基礎，研發插座型控制模組，配合 Zigbee 無線模組可將負載的電源消耗資訊傳送到家用型負載監控器，之後監控器在透過網路將資訊傳送到民生能源管理系統 Web Server 裡保存，這樣一來，只要具備網際網路，便能隨時隨地的的觀看歷史用電資訊以及控制家中的負載電器。更進一步的，未來 Zigbee 無線模組可以跟 LED 照明燈具結合，配合家用型負載監控器 Zigbee 主控端，我們可以使用智慧型控制平台，透過網路傳送命令給家用型負載監控器，來達到 LED 照明燈具亮度的控制。

子計畫二以自然光導光系統為基礎架構，研發智慧型燈具。此燈具將結合 LED 照明燈具以及光敏電阻提供室內穩定的照明環境，更可進一步結合太陽能電池，擴增燈具運用能源的多樣性。在既有的自然光導光系統上，正著力於如何如何將整體系統安裝置建築物上，並考慮整體效能、施作、工時、成本的因素。燈具部分，設計 LED 控制電路，搭配光敏電阻設計一線性電路系統，提供線性補償的人造光照明系統，未來將可採用 PWM 概念，以消除色偏的現象。我們投入的研究不侷限於集光子系統的研發，傳、放子系統皆有更進一步的研究成果，往後將持續投入更長的時間和更多的精力於自然光照明系統後端之研究，以期整套系統可以用於更大的建築設施裡。研究內容已發表相關論文與申請專利[51-79]。

子計畫三善用國內外產學界在電力電子領域的研發素有基礎，整合 LED 照明應用技術方面也正積極發展極。以國內為例，目前由能源委員會主導的節能策略中，長期研發項目之一即為照明科技的省能研發與應用推廣，主要的研究重點包括高效率 LED 驅動電源的開發及高性能照明品質控制技術等。國內主要電源供應器產業包括台達電、光寶、中國電器、台灣日光燈公司及其他電子安定器公司，目前皆已結合半導體產業共同研發 LED 光源的照明應用，可預見未來新照明技術的發展將會帶動國內相關

(32)

產業的新紀元。本計畫將基於高效率及照明品質導向，研發高效率的 LED 光源驅動電源與自動調色調光設備，完成空間的整體照明控制系統，提升液晶顯示器背光模組效能，以節約電能的使用，降低電費的支出，並協助產業界開拓市場，推動照明節能。

子計畫四以雙重 p 型井區佈植方式來形成耐壓七百伏特之橫向絕緣閘極雙極性電晶體功率元件於此被研究，該橫向電晶體係形成於 SOI 晶片或多晶矽之絕緣基底上。

藉由使用較低的熱預算，並以高能量硼佈植而於較深的薄膜區域形成較高的雜質濃度，並以一額外的低能量硼佈植來避免金氧半電晶體表面的擊穿。結果地，與一般習知製程相較，以雙重 p 型井區佈植方式可獲得較佳的閂鎖效應抑制能力及較大的導通電流且不會劣化耐壓能力。研究橫向絕緣閘極雙極性電晶體功率元件閂鎖效應之抑制方式，其利於與標準積體電路製程作一整合並可提升元件之可靠度，該橫向電晶體係形成於 SOI 晶片之磊晶矽膜上，並串聯連接空乏型金氧半場效電晶體且使金氧半電晶體閘極與絕緣閘極雙極性電晶體共通，藉由於元件關斷時，耐壓係橫跨於絕緣閘極雙極性電晶體上，而元件導通時，其導通電流係由空乏型金氧半場效電晶體所限制，而可避免閂鎖效應。結果地，與一般習知元件結構相較，該串聯空乏型金氧半場效電晶體之絕緣閘極雙極性電晶體可獲得極佳的閂鎖效應抑制能力且不會劣化耐壓能力，且導通電壓降亦不會有顯著衰退。

子計畫五的第二年度計畫預計完成電源量測晶片電路之研發與整合、電源量測晶片之量測與分析、電源量測晶片與總計劃的整合以及論文與專利撰寫，目前電源量測晶片之相關設計皆以完成，並如上所述，晶片量測電路功能正確運作，操作頻率範圍極廣，並且以 SAR 電路的概念依據輸入頻率不同正確運做扼流機制，使輸入在操作頻率範圍內依數位選擇皆可產生 Duty 為 0％～100％之輸出訊號，並且數位輸入與輸出 Duty 呈現極佳線性關係，證明此電路設計確實優於目前其他 DPWM 電路之設計，不僅只操作範圍極寬廣，面積小、功耗低、高解析度皆為其優越特性。

本晶片 DPWM 在今年參加第十一屆旺宏金矽獎，榮獲設計組評審團銀獎，並且也是今年唯一獲得第十一屆旺宏金矽獎設計組評審團大獎的技職院校，出席頒獎典禮的教育部技術與職業教育司李彥儀司長對於台科大獲獎深表肯定。且在場的還有前中央研究院院長李遠哲博士，透過劉正偉與劉彥宏同學對李博士介紹本團隊研發成果，了解台科大電子所本次參賽之具有創意、創新的 DPWM 電路，給予肯定與鼓勵，讓該團隊備感榮幸。第三年度計畫預計完成單相量測晶片電路之研發與整合，目前低功耗、

低成本及高解析度之時域型 ADC 晶片已製作完成，將著手於今片量測。

Pulse Shrinking Delay Line Vbias Generator Multiplexer

SAR

Dead-Time Control

【圖四十四】DPWM IC 顯微照片圖

(33)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 -0.5

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

DPWM INPUT

INL(LSB)

2M Hz INL

【圖四十五】2M Hz 操作頻率下之 INL

七、參考文獻

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[57] “Using prismatic structure and brightness enhancement film to design cascadable unit of static solar concentrator in natural light guiding system,” Shu-Hua Yang, Yi-Yung Chen, and Allen Jong-Woei Whang, Proc. SPIE 7423, 74230J (2009)

[58] “Design method of secondary optical element for LED applications,” Yi-Yung Chen and Allen Jong-Woei Whang, Proc. SPIE 7428, 74280E (2009)

[59] “Design and optimization of dot pattern in illumination lightpipe of natural light guiding system,” Zong-Yi Lee, Yi-Yung Chen, and Allen Jong-Woei Whang, Proc. SPIE 7429, 74290A (2009)

[60] “An optical switch of natural light guiding system based on cubic structure with fresnel surface,” Kao-Hsu Chou, Yi-Yung Chen, and Allen Jong-Woei Whang, Proc. SPIE 7428, 74280O (2009)

[61] “A beam splitter of natural light guiding system based on dichroic prism for ecological illumination,” Yu-Chi Li, Yi-Yung Chen, and Allen Jong-Woei Whang, Proc. SPIE 7429, 742909 (2009)

[62] “An optical coupler of natural light guiding system based on stepped structure,” Po-Hsuan Pan, Yi-Yung Chen, and Allen Jong-Woei Whang, Proc. SPIE 7423, 74230I (2009)

[63] “集光板,” 黃忠偉、陳怡永、吳柏毅、莊鈞憲、游鎮名、卓俊賢、陳西姬, 中華民國發明專利, 申請中 (2008/04/16)

[64] “稜鏡陣列及其耦合接頭,” 黃忠偉、陳怡永, 中華民國新型專利, 申請中 (2009/01/06) [65] “稜鏡陣列,” 黃忠偉、陳怡永, 中華民國發明專利, 申請中 (2009/01/06)

[66] “可堆疊式稜鏡結構輔以增亮膜結構之靜態式集光元件,” 黃忠偉、陳怡永、楊淑樺, 中華民國新型專利, 申請中 (2009/11/06)

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[67] “自然光照明開關,” 黃忠偉、陳怡永、周高旭, 中華民國發明專利, 申請中 (2009/11/06)

[68] “Light-Concentrating Panel,” 黃忠偉、陳怡永、吳柏毅、莊鈞憲、游鎮名、卓俊賢、

陳西姬, 美國發明專利, 申請中 (2009/04/15)

[69] “Prism Array,” 黃忠偉、陳怡永, 美國發明專利, 申請中 (2009/08/05)

[70] “可排列式新型日光準直系統,” 黃忠偉、陳怡永、劉政言, 中華民國發明專利, 申請中

[71] “固定式集光器,” 黃忠偉、陳怡永、黃瑋, 中華民國發明專利, 申請中

[72] “自然光照明導光柱,” 黃忠偉、陳怡永、李宗嶧, 中華民國發明專利, 申請中

[73] “自然光階梯式光學耦合器,” 黃忠偉、陳怡永、潘柏軒, 中華民國發明專利, 申請中 [74] “自然光稜鏡式分光器,” 黃忠偉、陳怡永、李昱麒, 中華民國發明專利, 申請中 [75] “主動式自然光照明模組,” 黃忠偉、陳怡永、陳麒安, 中華民國發明專利, 申請中 [76] “自然光隧道路燈系統,” 黃忠偉、陳怡永、陳正南, 中華民國發明專利, 申請中 [77] M. H. Juang, et al., “Fabrication of trench-type insulated gate bipolar transistors by using

self-aligned cobalt silicided scheme “, has been submitted for publication in Solid-State Electronics, August, 2010.

[78] M. H. Juang, C. C. Hwang, D. C. Shye, J. L. Wang, and S. L. Jang, “Formation of 30-V power DMOSFET’s by implementing p-counter-doped region within n-type drift layer”, Solid State Electronics, vol. 54, pp. 724-727, 2010.

[79] M. H. Juang, J. Yu, C. C. Hwang, D. C. Shye, J. L. Wang, “Trench MOS barrier Schottky rectifier formed by counter-doping trench bottom implantation”, Microelectronics

Reliability, in press, 2010.