應用太陽能系統

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國立成功大學 航空太空工程研究所

碩士論文

應用太陽能系統

作為無人飛行載具之電力來源

Electronic Source Implementation of UAV by Using Solar Power Energy System

研 究 生:王鈺翔 指導教授:楊憲東

中華民國九十二年六月

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摘 要

論文題目:應用太陽能系統作為無人飛行載具之電力來源 研 究 生:王鈺翔

指導教授:楊憲東

本論文為應用太陽能電池作為無人飛行載具之電力來源。其主要的 原理是利用電源轉換器,將太陽能板輸出之非線性電壓電流源轉換成定 電壓輸出,驅動無人飛行載具上之負載,也就是使無人飛行載具上的 PFGA、DSP 處理器、GPS 接收器與位準轉換器透過轉換器的作用,將太 陽能板所提供的非線性電壓電流,轉換成各單晶片維持正常工作所需的 電壓值。

經由多次實驗後,發現轉換器在正常的條件下皆能驅動各個單晶片 正常運作,但是仍有些問題有待改進。換言之,雖然已能提供定電壓輸 出,但是由於太陽能板的輸出電壓電流受電池材料、太陽日照條件與環 境溫度的影響,因此吾人必須將所設計的太陽能系統作適度的改進,以 蓄電池當作主電源,太陽能電池當作輔助電源,如此才可正常運作。本 論文將在最後討論有些未如預期實驗結果的原因,並探求未來可以改進 的方向。

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Abstract

Subject:Electronic Source Implementation of UAV by Using Solar Power Energy System

Student:Yu-Shiung Wang Advisor:Ciann-Dong Yang

Electronic Source Implementation of UAV by Using Solar Power Energy System is the major study of the paper. The main principles are as fallows.

The solar cells are the sources of any kinds of payloads. Because the solar cells are nonlinear source, we must convert energy by using power converter.

Such that, the payloads on the UAV can be driven by solar power energy system. In other words, FPGA, DSP and GPS receiver on UAV can be driven by using solar power energy system.

After many times of experiments, we find that the power converter of solar cells can output constant voltage at normal operation. There are still some problems to be solved. The output voltage of the solar cells varies continuously due to materials of solar cells , the intensity of the sunshine and the temperature of the environment, so we must think up a method to improve it and make a suitable correction on solar power energy system. Like this, we can let the solar energy system on UAV work more well. Lastly, the thesis will discuss something unexpected during experiments, and research for the possible improvement in the future.

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誌謝

猶記剛入學時,與老師、學長與同學們座談時的懵懂與期待,經過 碩一專心修課,碩二寫作論文… ,此時又是鳳凰花開,該是與老師,學 長、同學與學弟們道別的時候。離別時,心中雖有不捨,但也有些祝福 的話想說。

首先,感謝老師兩年來的諄諄教誨,從老師身上所學到的不僅是知 識的獲得,更重要的是為人處世的態度以及作事情的認真態度。感謝老 師與林清一教授、溫昀哲教授、孔健君教授與孫允平教授對本論文的指 正,使得本論文更加充實完整。感謝父親、母親、弟弟、妹妹與親朋好 友的支持,讓我可以無憂無慮地完成學業。

感謝實驗室學長雄哥、其忠的課業解惑、伯偉的股市操盤解說、嘉 宏認真的求學態度;東榮、佳鋒兩年的球類競技;宜忠、德徽、宗哲、

致青學弟們的網路連線的探討;以及電機所仁義學長與智勝學弟對於轉 換器電路原理與設計的解說與幫忙;感謝在求學過程,曾經幫助過我的 人。感謝女友兆荏與女友家人對我的體貼、包容與關懷。

也希望這些幫助我、陪伴我與關心我的人,能夠開開心心的過日子,

一路上有貴人相助,心想事成。

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目 錄

授權書 簽署人須知

中文摘要 ...I 英文摘要 ... II 誌謝... III 目錄... IV 表目錄... VI 圖目錄...VII 符號說明 ... X 第一章 緒論

1.1 前言 ... 1

1.2 研究背景與文獻回顧... 1

1.3 各章概述... 4

第二章 系統架構 2.1 太陽能電池... 7

2.2 直流-直流轉換器 ... 8

2.4 遙控飛機周邊硬體設施 ... 11

第三章 太陽能電池介紹 3.1 太陽能電池基本原理... 14

3.2 太陽能電池種類 ... 16

3.3 太陽能電池輸出特性與能轉換效率... 18

3.4 太陽能電池之優劣性... 20

第四章 基本電路設計 4.1 切換式電源轉換器之種類與特性 ... 23

4.2 基本之返馳式電源轉換器... 30

4.3 功率開關元件的選擇... 35

(7)

4.4 RCD 緩震電路 ... 37

4.5 電流模式控制 ... 40

4.6 電流模式控制電路... 43

第五章 轉換器之迴路補償設計 5.1 功率級電路小信號模型的建立... 48

5.2 電流控制小信號模型的建立... 51

5.3 迴授補償控制器之設計 ... 56

5.4 迴授補償器實例設計... 60

第六章 系統整合測試 6.1 返馳式電源轉換器實作 ... 64

6.2 太陽能板特性量測... 75

6.3 轉換器與無人飛行載具設備測試 ... 84

6.4 太陽能板、轉換器與無人飛行載具設備測試... 90

第七章 結論 7.1 結果討論... 98

7.2 未來展望... 100 參考文獻

自述

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表 目 錄

表 2.1.1 太陽能電池電氣規格... 7

表 2.2.1 線性與切換式電源轉換器優缺點比較... 11

表 3.2.1 太陽能電池效率及用途... 18

表 6.1.1 轉換器在不同輸入條件下所輸出電壓電流與轉換效率 ... 73

表 6.2.1 不同負載下太陽能板輸出電壓與輸出電流... 81

表 6.3.1 不同電壓下驅動 FPGA 所需電流... 84

表 6.3.2 不同電壓下驅動 FPGA 運作所需電流 ... 85

表 6.3.3 不同電壓下驅動 5xDSK 板所需電流 ... 87

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圖 目 錄

圖 2.1 整體系統架構圖... 6

圖 2.1.1 太陽能電池外型... 7

圖 2.2.1 線性電源轉換器的方塊圖... 8

圖 2.2.2 切換式電源轉換器的方塊圖... 10

圖 3.1.1 太陽能電池基本結構段面圖... 14

圖 3.1.2 光電轉換基本原理 ... 15

圖 3.1.3 太陽能電池構成示意圖... 16

圖 3.3.1 太陽能電池之照度-電流電壓特性曲線 ... 19

圖 3.3.2 太陽能電池之溫度-電流電壓特性曲線 ... 19

圖 4.1.1 返馳式電源轉換器 ... 24

圖 4.1.2 順向式電源轉換器 ... 25

圖 4.1.3 推挽式電源轉換器 ... 27

圖 4.1.4 半橋式電源轉換器 ... 28

圖 4.1.5 全橋式電源轉換器 ... 30

圖 4.2.1 返馳式電源轉換器之基本電路... 31

圖 4.2.2 磁化電感電壓與電流波形圖... 33

圖 4.2.3 功率開關閉合時等效電路... 33

圖 4.2.4 功率開關打開時等效電路... 34

圖 4.2.5 不連續操作模式之返馳式電源轉換器... 35

圖 4.4.1 RCD 截止型緩震電路... 39

圖 4.4.2 緩震電路實現... 39

圖 4.5.1 電流模式電路方塊圖... 40

圖 4.5.2 誤差邊? 控制法... 41

圖 4.5.3 固定截止時間長度控制法... 42

圖 4.5.4 定頻式脈衝時間導通控制法... 42

圖 4.6.1 UC3843 內部電路方塊圖... 44

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圖 4.6.2 電流模式控制電路基本架構... 45

圖 4.6.3 電流模式控制電路之比較訊號... 46

圖 5.1 電壓調整迴授控制系統... 47

圖 5.2 電壓調整線性化迴授控制系統... 47

圖 5.1.1 狀態變數之波形線性近似圖... 48

圖 5.2.1 電流控制系統方塊圖... 52

圖 5.2.2 電流控制系統之時序圖... 52

圖 5.2.3 電流控制小信號系統圖... 54

圖 5.3.1 輸入電壓至輸出電壓之小信號流程圖... 57

圖 5.3.2 負載電流至輸出電壓之小信號流程圖... 57

圖 5.3.3 落後補償放大器實作圖... 59

圖 5.3.4 改良後之迴授補償器之實作圖... 59

圖 5.4.1 迴授補償器數值... 61

圖 5.4.2 TiTv之波德圖 ... 62

圖 5.4.3 G(s)H(s)之波德圖 ... 63

圖 6.1.1 轉換器之開迴路系統模擬電路圖... 65

圖 6.1.2 轉換器之閉迴路系統模擬電路圖... 65

圖 6.1.3 轉換器實作電路圖 ... 66

圖 6.1.4 迴授電流變壓器感測電路... 67

圖 6.1.5 輔助繞組 ... 68

圖 6.1.6 返馳式電源轉換器電路實體... 69

圖 6.1.7 測試用電子設備... 69

圖 6.1.8 VGS電壓波形與變壓器之電感波形... 70

圖 6.1.9 輸出電壓與輸出電流波形... 71

圖 6.1.10 VGS電壓波形與變壓器之電感波形... 71

圖 6.1.11 輸出電壓與輸出電流波形... 72

圖 6.1.12 VGS電壓波形與變壓器之電感波形... 72

圖 6.1.13 輸出電壓與輸出電流波形 ... 73

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圖 6.2.1 太陽能板量測情形 ... 76

圖 6.2.2 不同負載之太陽能板電壓曲線圖... 76

圖 6.2.3 不同負載之太陽能板電壓曲線圖... 77

圖 6.2.4 負載為 15.4 之太陽能板電壓曲線圖 ... 78

圖 6.2.5 負載為 40 之太陽能板電壓曲線圖... 79

圖 6.2.6 負載為 15.4 之太陽能板電壓曲線圖 ... 79

圖 6.2.7 負載為 40 之太陽能板電壓曲線圖... 80

圖 6.3.1 轉換器驅動 FPGA 運作... 85

圖 6.3.2 轉換器驅動 FPGA 運作... 86

圖 6.3.3 轉換器驅動 5xDSK 板... 87

圖 6.3.4 轉換器驅動 6xDSK 板... 88

圖 6.3.5 轉換器改良後驅動 6xDSK 板... 89

圖 6.3.6 轉換器驅動 FPGA 與 DSK 板 ... 90

圖 6.4.1 空載測試 ... 91

圖 6.4.2 接上 FPGA 測試... 92

圖 6.4.3 接上 5xDSK 板測試... 92

圖 6.4.4 電源分配圖... 93

圖 6.4.5 電源轉換器... 94

圖 6.4.6 改良後太陽能光電系統架構圖... 95

圖 6.4.7 充電器方塊圖... 97

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符 號 說 明

η 太陽能電池轉換效率

Pm 太陽能電池輸出最大功率

Pin 入射光功率

Im 太陽能電池輸出最大功率時電流

Vm 太陽能電池輸出最大功率時電壓

D 開關之責任週期

v1 變壓器一次側兩端之輸出電壓

Vs 輸入電壓

Lm 變壓器之磁化電感值

iLm 變壓器磁化電感電流

t 開關導通時間

N1 變壓器一次側線圈匝數

N2 變壓器二次側線圈匝數

V0 輸出電壓

,max

IL m 電感電流最大值

Ts 功率開關切換週期

Ai 系統狀態矩陣

Bi 系統輸入矩陣

Ci 系統輸出矩陣

dˆ 責任週期小信號變動量

uˆ 輸入致動源小信號變動量

xˆ 狀態變數小信號變動量

ˆ

r 負載電阻小信號變動量

ˆ0

i 負載電流變動量

Fi 各開迴路轉移函數

L2 變壓器二次側之耦合磁化電感

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L2

R 變壓器二次側磁化電感之等效串聯 電阻

L 變壓器二次側漏電感值 Gaud CL, 閉迴路系統之聲頻敏感度 Z0 ,CL 閉迴路系統之輸出阻抗 Tv 電壓迴路增益

Ti 電流迴路增益 Fv 迴授補償控制器 Ri 電阻

ci 電容 i 常數

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第一章 緒論 1.1 前言

在各種能源逐漸用竭的今日,人類使用的能源必須由消耗性能源 轉向永久性、替代性能源。目前可能實用化的替代性能源有太陽能、

風力、波力、地熱等,其中由於後三者均受地域的限制,而且能源供 給之穩定性有待考量;而太陽能的特點是無污染、永恆、巨量、普遍 且免費性的能源。因此本論文便選擇太陽能作為無人飛行載具之電力 來源。

無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是由載具內的 控制系統自主地控制其飛行與執行任務。完整的無人飛行載具系統包 含飛機本體(Air Vehicle)、地面控制系統、機載控制系統和接收與發 射設備。無人飛行載具在各方面皆有不錯之發展潛力,以其較低的操 作成本執行冗長、單調與高危險性的工作,適合於各種軍事與民間用 途。在軍事上,包括戰術偵察、電子干擾、無線電中繼、或擔任靶機 等任務;在民間用途上,包括氣象資料收集、大地量測、交通巡邏、

緝私、農藥噴灑與巡山、森林火災預警等任務。

為了實現無人飛行載具長期滯空的目標,本論文的研究以太陽能 電池結合直流轉換器提供電源給無人飛行載具上的 FPGA 與 DSP 使 用。最後結論為:將太陽能系統與蓄電池整合起來,提供無人飛行載 具上所有硬體設備之電力來源,以增加無人飛行載具滯空時間。

1.2 研究背景與文獻回顧

成大航太所「飛行控制與模擬實驗室」於無人飛行載具之研究已 有數年,大多以直昇機之飛行控制為主。然而除了控制本體之動態模

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式不同外,其飛行控制最終的目的皆是相同的:達成無人飛行載具在 任何情況下皆可穩定飛行。

以下就實驗室以前的研究文獻作說明:

蘇宗志[1]的遙控直昇機飛行控制測試系統之建立,其整個架構 是以地面控制站為主,直昇機飛行時將其姿態與控制變數以無線電傳 輸方式傳回地面站,再以地面站的控制器算出控制命令,以遙控器發 射出控制命令改變直昇機的控制翼面。猶 如駕駛員於地面遙控直昇機 一般。

洪啟超[2]的遙控直昇機增穩系統設計與製作,其主要架構是一 台 486 級的機載電腦,以電腦作為控制核心,陀螺儀迴授之訊號直接 進入電腦處理,算出控制指令後直接經過訊號轉換控制伺服馬達。猶 如駕駛員飛機上操縱飛機。

于武強[3]的無人飛行載具導控硬體迴路設計,主要建立無人飛 行載具所需之各種硬體迴路架構,譬如 V/PWM 卡製作、自動駕駛與 地面操控系統切換等硬體迴路架構。

郭承宗[4]將飛機本體作數位化分析,並設計姿態控制器在機載 電腦上,達到即時迴授控制。

林哲生[5]利用數位晶片設計技術 FPGA 實現無人飛行載具姿態 控制系統。

傅景隆[6]應用單晶片 GPS 接受器實現無人飛行載具之導航系 統,其主要功能為無人飛行載具利用 GPS 接收器接收 GPS 訊號,獲 知目前所在位置之經、緯度,並將此訊號擷取至 DSP,透過 DSP 內 建的向量導航演算法,計算與目標點的距離及方位差異,再利用 FPGA 進行手自動切換,輸出 PWM 訊號,改變伺服馬達控制舵面角

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度,進而引導無人飛行載具到達目標點。

吳朝棟[7]利用 DSP 與 FPGA 作為無人飛行載具的控制核心,設 計一套具有姿態及路徑控制等內、外迴路之飛行控制系統。

趙冠惠[8]利用場效應電晶體的特性,以地球淨電場為導引,所 設計的無人飛行載具姿態量測裝置。

本論文主要是以太陽能電池作為無人飛行載具之電力來源,以太 陽能之輸出電力提供無人飛行載具上的 FPGA 與 DSP 運作,控制無 人飛行載具之飛行姿態,使得無人飛行載具穩定飛行;最終目標為整 合實驗室所發展之無人飛行載具,希望以太陽能電池作為全機之電力 來源,達到長期滯空與自動導航之終極目標。

在國內,目前大部分的研究以太陽能車或太陽能發電系統為主,

研究的學校有台大、交大、雲科大與南台科技大學等。至於太陽能飛 機,則無相關研究出現。

國外的學術單位對太陽能飛機也有相關的研究。最著名的首推由 NASA 與 Aero Vironment 所合作之一系列之太陽能飛機[9][10]。其重 要演進史有 1979 年首度飛行之 Gossamer Penguin、第二代太陽能飛 機 Pathfinder(1995 年)、第三代太陽能飛機 Pathfinder Plus(1998 年)、 第四代太陽能飛機 Centurion(1999 年),到今日的第五代太陽能飛機 Helios。NASA 與 Aero Vironment 更準備在 2005 年推出第六代太陽能 飛機作為地球監控與氣象預報用途,其滯空時間預估可達一個月以 上。

由文獻[9][10]可知,其所發展的太陽能飛機,飛機機翼面積都非 常的大,其主要是希望以大面積的太陽能板提供足夠的電力給太陽能 飛機各個元件,使飛機能夠飛起來。而且更奇特的是:其所發展之太

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陽能飛機,還有非常多的螺旋槳,其主要的功能有:提供足夠的飛行 速度讓飛機飛行,且控制各個螺旋槳之出氣方向,達成飛機所需之姿 態控制。

太陽能飛機所需之翼展一定是要像 Boeing 747 那麼大嗎?難道 不能是微小之飛行器嗎?如此太陽能板所需之面積就不用那大。因此 本論文提出太陽能電池,配合直流電源轉換器,使得太陽能電池輸出 定電壓源。將此定電壓源提供給無人飛行載具上之 FPGA 與 DSP,最 終目標為整架無人飛行載具飛行所需之電源皆由太陽能電池來提供。

1.3 各章概述

本論文利用太陽能電池的特性,製作出一個以太陽能為輸入電 源,定電壓輸出的太陽能光電系統,以下就各章節的內容作簡要的說 明。

第一章:簡述無人飛行載具與太陽能飛機之研究背景與文獻回顧。

第二章:簡要說明系統架構。第一節說明吾人使用之太陽能電池規 格。第二節敘述直流-直流轉換器基本介紹。第三節為實驗 室計畫之硬體設備。

第三章:太陽能電池基本原理介紹。第一節說明太陽能電池基本原 理。第二節介紹太陽能電池種類。第三節為太陽能電池輸出 特性與能源轉換效率。第四節說明為何要使用太陽能電池,

太陽能電池有何優劣性。

第四章:主要說明轉換器基本電路設計。第一節說明轉換器之種類與 特性,與選擇那一類型的轉換器為本論文轉換器之基本架 構。第二節對返馳式電源轉換器之基本運作原理作說明。第

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三節說明如何選用功率開關以提高轉換器整體效率。第四節 說明藉由 RCD 緩震電路消除功率開關之電壓電流應力,以 保護開關。第五節主要說明電流控制模式原理與優缺點。第 六節介紹吾人選用的電流控制型 PWM 控制 IC。

第五章:主要說明轉換器迴授補償控制器設計準則。第一節為返馳式 電源轉換器小信號模型建立。第二節為控制迴路小信號模型 建立。第三節為迴授補償控制器設計。第四節為迴授補償器 實例設計。

第六章:介紹返馳式電源轉換器實作與全系統整合測試。第一節為返 馳式電源轉換器實作。第二節為太陽能板特性量測。第三節 為轉換器與無人飛行載具設備測試。第四節為太陽能板、轉 換器與無人飛行載具設備測試。

第七章:結果討論與未來研究方向。第一節為本論文結果討論。第二 節為未來研究方向。

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第二章 系統架構

本論文主要的研究為改善傳統無人飛行載具電源驅動方式,希望以太 陽能電池作為飛機之電力來源,配合直流轉換器將太陽能電池的輸出電壓 能夠維持穩壓輸出,將飛機上負載所需之電力以太陽能電池提供。圖 2.1 為 整體系統架構圖。其主要功能為太陽能電池輸出電壓範圍為 2 到 8 伏特,

經由一個返馳式電源轉換器將太陽能電池輸出電壓轉換成 5 伏特輸出,供 無人飛行載具上負載所需之電力,達到飛行的目的。由於轉換器輸入端,

也就是太陽能電池之輸出電壓因環境溫度、太陽照度等,將有所變化,使 得電壓無法達到穩壓輸出,所以必須對轉換器作負迴授之閉迴路控制。使 其在不同之輸入電壓,皆能得到相同之輸出電壓範圍。

圖 2.1 整體系統架構圖 太陽能

電池

直流電源 轉換器

DSP、FPGA 位準轉換器

穩壓迴授 控制電路 PWM 控

制電路

2V~8V 5V

輸出電壓

負迴授控制

責任

週期

控制

電壓

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2.1 太陽能電池

本論文採用的太陽能電池是由國內光華科技所生產製造的,材料為單 晶矽。相關電氣規格如表 2.1.1 所示。尺寸大小為 400×200×3m.m.,重量約 為 700 公克,操作溫度範圍為−1 0 ~ 8 0 C0 。值得注意:太陽能電池工作電壓 與工作電流是在日照條件為1kw m/ 2,表面溫度為25 C0 下所測量的結果。因 此在不同的工作環境下,太陽能電池的工作電壓與工作電流也會有所不 同。圖 2.1.1 為本論文太陽能電池的外型。

Parameter Symbol TYP Unit Maximum Power Pm 10 W

工作電壓 Vmp 4.32 V 工作電流 Imp 2.4 A 開路電壓 Voc 5.08 V 短路電流 Isc 2.8 A

表 2.1.1 太陽能電池電氣規格

圖 2.1.1 太陽能電池外型

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2.2 直流-直流轉換器

太陽能電池輸出電壓與電流因太陽能電池材料、太陽日照強度與環境 溫度等因素影響,為非線性輸出曲線;也就是太陽能電池的輸出電壓會不 停的改變,因此吾人必須設計一個直流-直流轉換器,使太陽能電池經過直 流-直流轉換器後,維持穩壓輸出,驅動後級負載。

一般電源的供電方式,大多數是由交流輸入電壓經由變壓器升降成吾 人所希望之電壓範圍,在經過整流、濾波與穩壓電路而轉換成直流電壓。

如果不討論整流之前的電路架構,單純只針對整流後的電路,稱之為直流 對直流轉換器。直流對直流轉換器可以簡單區分為線性電源轉換器(Linear Mode Power Converter)和切換式電源轉換器(Switch Mode Power Converter)

[11]。

線性轉換器是傳統電源轉換器的設計方法,由於功率開關元件工作於 主動區( active region)故取其名,優點是電路架構簡單,如圖 2.2.1 所示為 線性轉換器的方塊圖。

基極控制 60Hz低頻降

壓變壓器

二極體 整流器

誤差放大器

0,ref

V

參考電壓

C0

V0 0

C E d

V =VV

Vd

Va c

圖 2.2.1 線性電源轉換器的方塊圖

輸出電壓V0的調整是藉由參考電壓V0,ref 與輸出電壓的誤差來調整功率 開關之基極電流,使得輸出電壓(V0 =VdVCE)等於V0,ref ,此時功率開關工 作於主動區,其基射極上存在於一個電壓值,同時集極電流流經負載,功

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率開關的動作就好比是一個可變電阻,用來吸收整流後之濾波電壓Vd與輸 出電壓V0之間之電壓差(VCE =VdV0),交流電源電壓經過整流與濾波而得 的電壓值Vd是一個可變動的範圍,因此,輸出端的低頻變壓器其匝數的選 擇必須使得輸出電壓V0低於漣波電壓的最小值Vd,min。所以,線性電源轉換器 的功率消耗很大,整個系統需要很大的散熱片,導致效率無法提昇,而低 頻變壓器的體積與重量與線性電源轉換器的輸出功率成正比,當輸出功率 越大時,變壓器與電感所需的體積與重量更加龐大。一般要求輸出電壓漣 波較小時,其輸出濾波電容器的電容量與體積也相對增大。

切換式電源轉換器在電力電子中屬於直流對直流轉換器的電路架構,

如圖 2.2.2 所示。其廣泛地使用在電腦相關產品與設備,通訊與網路系統、

軍事與航太工業、醫療設備、工業與儀器用設備、高效率之電源供應器、

直流馬達驅動、照明設備、消費性與民生用產品的應用上。其輸出端通常 是由市電交流電壓整流而得之直流電壓,再經由直流對直流轉換器將此直 流輸入電壓轉換成一個可控制之直流輸出電壓。電路中使用功率開關如 BJT、MOSFET 或 IGBT 作為切換元件,利用功率開關導通或截止的切換動 作,將輸入的直流高壓切割成高頻方波的訊號,再經由輸出端的低通濾波 器濾除高頻訊號,而得到所需之直流輸出電壓。輸入電壓與輸出電壓的關 係由工作週期(duty cycle)來決定,將輸出電壓迴授與參考電壓做比較來 控制功率元件的工作週期。因此控制器必須藉由調整工作週期的大小來穩 定所需的輸出電壓。

切換式電源轉換器的功率開關式其功能為處理能量而不是訊號,主要 工作在飽和區(saturation region)與截止區(cut-off region)而避免停留在 主動區。也就是說,功率開關會經過主動區是為了進行切換動作,這是為 了減少電力轉換時的功率損失。當功率開關導通時,集極電流流過功率功

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存在一個固定的電壓差,也就是功率開關元件本身所消耗的功率非常小,

所以切換式電源轉換器具有較高之能源轉換效率。

固定直 流電壓

電源轉換器電路

變壓器

整流與濾波電路

變化負載

PWM控制與 誤差放大器

電路 補償網路

參考電壓

V0

0,ref

V

圖 2.2.2 切換式電源轉換器的方塊圖

電源轉換器是各種儀器設備與應用產品中所必須之動力來源,為了符 合現代產品輕薄短小、優柔效省的需求,實現的方法就是採用切換式電源 轉換器的設計方式,藉由提高切換頻率來減少佔有絕大數體積與重量的變 壓器與電感。切換式電源轉換器一般工作在 20KHz 到 100KHz 之間,若配 合零電壓切換(zero voltage switching)與零電流切換(zero current switching)

的技術,工作頻率可達 200KHz 以上,可有效之提供系統之功率密度。

隨著半導體元件的開發與材料的進步,切換式電源轉換器除了趨於輕 薄短小後,切換頻率也越來越高。當切換頻率提高時,將會增加切換損失 與電磁干擾的問題發生。在高頻切換時,電壓與電流波形具有非常快速的 上升與下降時間,電壓與電流的急遽變化是造成電磁干擾產生的主因,極 大的電流變化率di dt/ 與電壓變化率dv dt/ 經由導線而傳導出去,不僅對本身 的線路元件造成嚴重傷害,也可能經由電源傳輸線而影響其他的電器設 備。因此,如何提高效率密度、減少損失與電磁干擾,彼此之間如何取得 平衡,這是設計者在產品開發過程中相當重要的課題。表 2.2.1 為線性轉換

(24)

器與切換式電源轉換器的優缺點比較。

由以上之結果,本論文決定採用切換式直流對直流轉換器作為吾人電 路主要架構。一般切換式直流-直流轉換器依其輸出入電壓的關係又可分為 三種形式:昇壓形式、降壓形式、昇降兩用型[12][13][14][15][16]。由於太 陽能電池輸出電壓與電流的值會因操作環境、電池材料與電池表面溫度有 關,所以其輸出電壓變動很大,有時候其輸出電壓會大於指定之參考電壓

(輸出電壓),有時候其輸出電壓會小於指定之參考電壓,所以本論文選擇 直流-直流轉換器為具有隔離型的返馳式電源轉換器,以達成輸出電壓大小 為 5 伏特。第四章中將會對返馳式電源轉換器之基本原理與操作詳盡地介 紹。

線性轉換器 切換式電源轉換器

優點

電路結構簡單 輸出電壓漣波較小 電磁干擾問題小

電路可靠度與穩定度高

體積小、重量輕 轉換效率高

寬廣之輸入電壓範圍 功率密度高

缺點

重量與體積龐大 效率差

電路結構與控制複雜 輸出電壓的漣波較大 雜訊與電磁干擾問題嚴重 電路穩定度易受溫度影響 表 2.2.1 線性與切換式電源轉換器的優缺點比較

2.3 無人飛行載具負載

本論文初步的構想為:太陽能電池所產生的電力經由電源轉換器的能 量轉換以定電壓輸出給無人飛行載具上的單晶片,也就是把 FPGA 單晶片、

(25)

GPS 接收器、位準轉換晶片與 DSP 數位訊號處理器當作是本論文的負載。

以下便對這些實驗室所使用的單晶片作簡單的介紹。

(一)、FPGA 晶片

實驗室「無人飛行載具自動導航」計畫中,FPGA 晶片主要的用途為 負責輸出入管理,也就是周邊硬體與單晶片溝通橋樑。FPGA 的全名為 Field Programmable Gate Array,它是由許多個邏輯單元胞(Logic Cell)經由可程式 的垂直通道(Vertical Channel)及水平通道(Horizontal Channel)的連線所構成 [17]。

本實驗室計畫所選用的 FPGA 實驗板是向新竹雅普公司所購買,該板 上配置一塊 FPGA 及六種測試模組。型號為 Altera , FLEX 10K20RC240-4。

(二)、GPS 接收器[6]

全球衛星定位系統( Global Positioning System,簡稱 GPS),由 24 顆衛 星組成,以每天繞行地球兩週的速度,分別在六個軌道上運行;軌道面的 傾角約 60 度,因此無論地球的任何一個角落、任何時間在地平線上均可以 接收到數顆 GPS 衛星的訊號,即使是處於南北兩極也沒有問題。只要配備 一個 GPS 接收器,接收天空中 4 顆以上的 GPS 衛星訊號疊代求解經度、緯 度、高度及時間四個變數,就可以知道自己的位置,進而求解出移動速度、

方位等其他之資訊。

實驗室採用 的 GPS 接收器是臺灣飛鷹航太公司所製造,型號為 TFAG10,輸出頻率為 1Hz。GPS 接收器接收 GPS 衛星訊號,使用的是 RS232 序列埠,以 4800 buad, 8-N-1 的格式傳輸訊息。GPS 接收器在無人飛行載具 上主要是依導航的要求,擷取出位置、速度與時間三樣資訊,經由適當的 運算決定出無人飛行載具的動態。

(三)、位準轉換晶片[6]

實驗室使用的 FPGA 晶片與 DSP 處理器皆為 TTL 訊號格式,GPS 接收

(26)

器為 RS232 訊號格式。由於彼此位準不同,因此需透過位準轉換晶片將訊 號格式作轉換。如此一來,GPS 接收器、FPGA 晶片與 DSP 處理器才可正 確的運作。實驗室使用的轉接 IC 為 MALAY 公司所生產的 ICL232 晶片。

(四)、DSP 數位訊號處理器

本實驗室計畫所選用的 DSP 數位訊號處理器是 TI(德州儀器)公司所 生產,去年使用的為 TMS320C5x 而今年是 TMS320C67x 晶片[18]。兩塊 DSP 處理器皆為 16 位元固定點數(Fixed Point)的記憶體架構。兩者最大 的差別為 6xDSP 處理器專為影像處理所使用,而且可以透過 MATLAB 的 toolbox 與 simulink,可以非常輕易的設計所需的運算式子,因此今年選用 67x 晶片。因為考慮 DSK 板能實現無人飛行載具自動導航的目標,因此需 具備單板運作(stand-alone)的功能,所以實驗室最後使用 TMS320C6711 的 DSK 板。其主要的功能為運用 DSK 板上的類比 I/O(輸出入裝置),也 可將其 Daughter Port 插槽做為數位的 I/O,擷取 GPS 傳輸的經緯度訊號,

並且在運算處理後輸出至 FPGA 處理。因此,DSK 板實驗室計畫中的角色 為負責運算處理。吾人的工作便是希望所設計的轉換器能夠驅動這兩塊實 驗室既有的 DSP 處理器。

經由以上說明可知,吾人必須提供一 5 伏特電壓輸出至 FPGA、位準轉 換晶片與 DSP 處理器,維持其正常運作。本論文的目的即希望製作出一個 太陽能光電系統,提供 5 伏特穩壓輸出至無人飛行載具上負載。其最終目 標為運用太陽能電池增加無人飛行載具滯空時間。

(27)

第三章 太陽能電池

太陽能電池之原理與技術源自於 1954 年,由美國 Bell 實驗室 Pearson 所發表的,至今約五十年。本章將以太陽電池之基本原理、

種類、輸出特性及能源轉換效率、優劣性作討論。

3.1 太陽能電池基本原理

太陽能電池其實是一種大面積的 p-n 半導體晶片,其斷面構造如 圖 3.1.1 所示[19]。

圖 3.1.1 太陽能電池基本結構斷面圖[20]

由結構圖上可知,基本上先生成 p 型半導體,接著在其上生成一 n 型半導體區域,產生 p-n 接面,因為要使得光子容易通過,所以 n 型半導體區域製成非常的薄,通常只有幾個埃的厚度。基本上 p 型板 導體的厚度也不需太厚,可是太薄又會影響晶片結構的機械強度進而 造成搬運問題,所以在製程上通常會增加 p 型區域的厚度,但這對材

(28)

料使用上是一種浪費。而目前新的製成技術中,研究將半導體材料

「鍍」在特殊強化玻璃基材上,這可使半導體材料節省許多,既環保 又經濟,但尚有一些關鍵技術有待克服。最後在半導體 p-n 材料的上 下方引出電極(一般為銀的化合物,如鋇化銀),太陽能電池即告完 成。

圖 3.1.2 光電轉換基本原理。(1)基本結構;(2)受光照射時載 子分離;(3)載子堆積;(4)加上負載可引出電流[20]

太陽能電池其實是利用光電轉換效應原理直接發電,它只要一照 到光,瞬間就可輸出電壓及電流。至於光電轉換效應由圖 3.1.2 可知,

太陽光子照射太陽能電池 n 型表層,適當波長的光子能量可在半導體 內產生許多的電子電洞對,並且在 p-n 接面內部電場牽引之下,電子 會往上層(n 層)移動,電洞會往下層(p 層)移動。因此太陽能電 池光起電力的端電壓大小,由 p-n 半導體內部電場所決定,不同的半 導體材質會產生不同的接面電壓。而由外部上、下兩端電壓,可引出

(29)

堆積的載子產生電流,而取得之電流大小,與被照射之光子束密度密 度(單位時間之光子照射密度)成正比[19]。值得注意的是,並不是 所有的光波波長都對太陽能電池有光電轉換效應(又稱光起電力效 應),不同光譜波長所產生的轉換效率也不盡相同。

由於單一太陽能電池所輸出的電力有限,為提高其發電量,可以 將許多太陽能電池經串並聯組合封裝後,作成模組,成為太陽能電池 模組(solar module)。若輸出電力仍不敷使用,可將若干太陽能電池 模組組合而成方陣或陣列( array)。圖 3.1.3 即為太陽能電池構成示意 圖。

圖 3.1.3 太陽能電池構成示意圖

3.2 太陽能電池種類[20]

太陽能電池可由多種材料製成,其中主要之原料為矽(silicon,

Si),為電腦產業之副產品,至 1998 年為止,以矽為材料之太陽能電 池其市場佔有率為 96%,其中單晶矽(Mono-crystalline)為 39%,

多晶矽(Multi-crystalline)為 44%,而非晶矽(Amorphous)佔 33

%(Tomas Markvart,2000)。以下對這三種以矽為材料之不同種類的 太陽能電池作簡單說明。

太陽能電池(cell)

太陽能電池模組

(module)

太陽能電池陣列

(array)

(30)

(一)、單晶矽太陽能電池

單 晶 矽 太 陽 電 池 是 目 前 效 率 最 高 之 晶 矽 太 陽 能 電 池 ( 約 15~24%),它與多晶矽太陽能電池都是以矽結晶半導體製成,所不同 的是:多晶矽電池在提煉出高純度結晶矽後直接混合加壓,形成結晶 塊後再切割成晶元;而單晶矽電池在製造過程中加入拉晶(長晶)程 序,使結晶程序往同一方向前進,因此光電轉換率較高,成本也相對 增加。

單晶矽電池為增加光電流量,在製程上需製成淺接面構造(一般 0.1-02µm),若接合面太深,則表面生成之少數載子不易達成,再加 上在表面之載子結合速度大時,生成之電子電洞對將更減少。所以為 使短波長領域之感度增加,n層需變薄;為使少數載子之擴散距離變 大,不可增加不純物(dopping)。圖 3.1.1 中無反射塗覆用途是減少 入射光之反射量,而製成凹凸類金字塔形狀,是為增加入射光量。上 部引出電極通常使用銀的化合物(一般鋇化銀),面積不宜過大,否 則影響入射光量,而採埋入式電極設計,可降低接觸電阻,增加載子 吸收。

(二)、多晶矽太陽能電池

單晶矽電池效率高,一般使用在大面積電力轉換的發電系統或太 空衛星電力,但成本高是一般業界較難接受的。而多晶矽太陽能電池 的光電轉換效率不如單晶矽高(一般 8~15%)但成本比單晶矽低許 多,製成上也較簡單,其他原理與單晶矽太陽電池大致相同。

另一點要提出說明的是:晶矽電池在製成後因結晶構造初期並不 很穩定,所以剛開始使用的前一、二年會發生結構劣化問題,這會使 得轉換效率降低。不過還有,這種劣化現象會慢慢減少,一般在三年

(31)

後會停止。晶矽電池在光劣化後轉換效率下降幅度較低,最多不會超 過 20%;而非晶矽電池則下降幅度較大,有些材質甚至超過 50%。

(三)、非晶矽太陽能電池

非晶矽太陽能電池是矽合物(SiH4)所製成,其方法大都為用氣 體激發解離成薄膜而成。一般效率都不高,約只有(3-8%),但近來 研發技術朝向柔軟與耐用度發展,並與建築材料相結合,可使用在大 樓外牆塗裝,或製成半透光玻璃材質,以增加建築結構的附加價值。

市售成品不多,大都在研發階段,相信日後投入更多的人力、物力,

要提昇效率降低成本的機會很高。表 3.2.1 表為太陽能電池之效率和 用途[21]。

材料 理 論 轉 換效率

實際達到 轉換效率

耐用

成本 用途

單晶矽

25-30%

34%(集 光型)

24%(實驗室)

14-17%( 商 業 化 產品)

太空電力 中央發電系統 獨立電源

少數民生用消費 性產品

多晶矽 20%

17.7%(實驗室)

11-14%( 商 業 化 產品)

獨立電源

少數民生用消費 性產品

III-V 族 35% 27.8%(實驗室) 很高 太空電力

非晶矽 15% 13.5%(實驗室)

5-7%(商業化) 普通

民生用消費性產

少數獨立電源

II-VI 族 17-18% 15.8%(實驗室)

無商業化模板

民生用消費性產

少數獨立電源 表 3.2.1 太陽能電池效率及用途

3.3 太陽能電池輸出特性與能源轉換效率

太陽電池的輸出特性主要是受到日照強度以及太陽電池的表面

(32)

溫度兩大因素所影響[22]。而風向、風速與溼度亦有所影響,但程度 不大,故評估時常予以忽略。圖 3.3.1、圖 3.3.2 所示為在不同照度(照 度分別為 0.5kW/m2、0.75kW/m2,1kW/m2)及不同表面溫度(溫度 分別為 250C、500C、750C)下的太陽能電池輸出特性曲線[23]。

圖 3.3.1 太陽能電池之照度-電流電壓特性曲線[19]

- 圖 3.3.2 太陽能電池之溫度-電流電壓特性曲線[19]

(33)

由圖中可以看出,太陽電池與一般直流電源最大的不同,是在於 它並非電壓源也非電流源。在日照強度變大時,其輸出電壓會上升,

幅度變化不大,但其輸出電流卻明顯的增加了許多,所以其輸出功率 會隨著日照強度而增加,大約是成正比的關係;而當電池表面溫度上 升時,雖然輸出電流有些許增加,但輸出電壓卻降了更多,整體而言 功率會略為下降。所以電池的溫度和輸出功率大約是成反比的關係。

此外,不論是哪一條輸出功率曲線上均會有一個最大功率點 [26][27][28](Maximum Power Point,MPP)的存在,而此最大功率 點即為太陽能電池最佳的能量轉換工作點。

太陽能電池的轉換效率乃是定義為輸出電功率對入射光功率的 比值[24],而對最大功率輸出,可寫成

100% 100%

m m m

in in

P I V

P P

η= × = × (3.3.1)

其中

Pm:太陽能電池輸出最大功率

Pin:入射光功率

Im:太陽能電池輸出最大功率時電流

Vm:太陽能電池輸出最大功率時電壓

太陽能電池的最大可能電流及最大可能電壓分別為IscVoc。比 值 m m

sc oc

I V

I V 稱為填充因數,填充因數為太陽能電池可實現功率的一種 量度。典型的填充因數是藉於 0.7 至 0.8 之間。

3.4 太陽能電池之優劣性[25][29][30]

由於太陽能電池受其材料、製程與發電原理之因素影響,主要之

(34)

優劣點整理如下:

(一)、太陽能電池之優點:

1. 太陽的壽命對人類而言幾乎是永恆的(根據推測太陽的壽命還有 四十五億年),所以太陽能可以說是能夠永續利用的能源。

2. 太陽能電池直接透過光的能量轉換成電能,為一種 量子效應

(quantum effect),所以不會產生污染物質,又無傳統發電原理上 之可動部份,故不會有噪音出現。

3. 供電能力隨日射強度而定,故適合日照充足的地方,如台灣南部。

4. 太陽能系統構成簡單(與其它發電形式相比),無迴轉機械及高溫 高壓部分,不會產生機械磨耗,維護容易。

5. 無論其規模大小,均有一定之發電效率,不像火力發電或核能發 電,其電廠之大小均需達一定規模以上,才可達到一定之發電效 率。

6. 構造模組化,易於量產。

7. 即使是陰雨天,也會對應於入射光之強度而發電,這是利用量子 效應發電之優點。

8. 雖然目前量產之太陽能電池發電效率僅有 10%至 15%,但使用的 太陽光為免費之能源。與其它能源相比,如使用石化燃料之火力 發電,其效率雖為 38%左右,但仍有 62%之浪費相比,意義非比 尋常。

9. 直接將電力輸送至使用場所,減少輸電線路之架設費用,特別適 合偏遠或電力不易到達之處。

(二)、太陽能電池之缺點:

1. 目前設備成本及發電成本與傳統能源相較仍屬偏高,不易推廣。

(35)

2. 因太陽能電池之特色為稀薄性(能量密度低)、間歇性(隨季節及 早晚變化)、隨機性(來源受天候影響,不易預測),故天候之影 響極大,並非所有地區均能適用。

3. 發電量受架設面積之限制,以轉換效率為 10%估計,若需產生 1kW 之電力,則面積需有 10 平方公尺。

4. 若需裝設蓄電池發電,不但設備成本提高,並會對環境造成污染

(一般蓄電池之壽命約 2000 次循環,以每年 250 循環計算,約可 使用八年)。

5. 若為家庭供電用,因輸出為直流電,仍需透過轉換(過程中會有 能量損失)方可為一般家庭負載使用。

(36)

第四章 基本電路之介紹

太陽能電池之輸出電壓與電流為非線性曲線,也就是輸出電壓與 電流會因環境溫度、太陽照度等,其輸出電壓與電流並不固定。吾人 為了要得到一個穩定直流電源輸出,必須在太陽能電池後級加入一直 流轉換器,使得其輸出電壓維持固定值。返馳式電源轉換器是由降壓 型與昇壓型轉換器演變而來,適合於低功率場合應用,而且單一主動 式開關的電路架構使得驅動電路較容易設計,因此本論文便是使用返 馳式轉換器作為電路基本架構。稍後於文中將會對基本之返馳式電源 轉換器的動作原理作說明。

4.1 切換式電源轉換器之種類與特性

切換式電源轉換器之種類眾多,常見的有:返馳式電源轉換器

(flyback converter)、順向式電源轉換器(forward converter)、推挽 式電源轉換式( push-pull converter)、半橋式電源轉換器( half-bridge)

與全橋式電源轉換器(full-bridge converter)[31][32]等。以下將描述 各種電源轉換器之特性與優缺點,並說明以返馳式電源轉換器作為本 論文之電路架構之依據。

(一)、返馳式電源轉換器

圖4.1.1所示為基本之返馳式電源轉換器之電路架構。返馳式電源 轉換器乃是由昇降壓型電源轉換器演變而來,電路中之變壓器T其實 是一個具有二次線圈之電感器,因此,返馳式電源轉換器在輸出部分 就不需要額外的電感器,但是在實際的應用中,為了要抑制高頻之轉 換雜訊波尖,通常還是會在二次側二極體與輸出電容器間加裝小型之

(37)

濾波電感器。在圖4.1.1中,當開關導通時,電流會流經具有二次線圈 之電感器,並將能量儲存於其中,此時二極體D被逆向偏壓,因此,

沒有能量傳送至負載。當開關截止時,具有二次線圈之電感器中之能 量才被釋放並傳送至負載。

圖4.1.1 返馳式電源轉換器

返馳式電源轉換器的應用非常地廣泛。許多返馳式電源轉換器的 相關研究論文中均有提到,由於返馳式電源轉換器僅具單一主動式開 關,擁有電路架構簡單、單一功率轉換級以及在雙向功率轉換應用中 控制容易等特性,因此,返馳式電源轉換器被廣泛地使用在低功率之 應用領域中[33][34]。返馳式電源轉換電路中之變壓器是一個具有二 次線圈之電感,可提供能量儲存與電氣隔離之雙重目的。所以,與其 它電源轉換器,如順向式電源轉換器相較起來,理論上可大大降低磁 性元件所佔之大小與體積。同時,輸出的部分僅需用到二極體與電容 器,即可達到多組輸出的目的。

返馳式電源轉換器之缺點為其開關元件必須承受相當大之電壓 應力(voltage stress)與電流應力(current stress)。當開關截止時,

必須承受至少二倍之輸入電壓。因為返馳式電源轉換器只需要較小之 輸出濾波電感器以及其具有較佳之閉迴路響應,因此,返馳式電源轉

(38)

換 器 通 常 被 操 作 在 不 連 續 導 通 模 式 ( Discontinuous-Conduction Mode;DCM)下。然而,操作在不連續導通模式下,將導致開關必 須承受較大之高峰值電流應力與高均方根值電流應力,以及需要較大 之輸出濾波電容器,其為一個相當特殊所必須考量的問題[35]。因此 吾人經過適當的設計將轉換器的操作模式設計為負載輕載時操作在 DCM,重載時操作在CCM。

(二)、順向式電源轉換器

圖4.1.2所示為一基本之順向式電源轉換器之電路架構。順向式電 源轉換器為一降壓型之電源轉換器。而順向式電源轉換器之電路與返 馳式電源轉換器之電路非常相似,但實際上,此二種電路之操作原理 有明顯之不同。順向式電源轉換電路中所使用之隔離元件為一純正之 變壓器,因此,必須在輸出端裝置一電感器,以作為儲存能量之元件。

圖4.1.2 順向式電源轉換器

由圖4.1.2中,當開關導通時,二極體D1為順向偏壓,因此,能 量從輸入端傳送至負載。當開關截止時,二極體D1為逆向偏壓,D2 為順向偏壓,使得輸出電路獲得一連續電流,此時,輸入端沒有能量 傳送至負載。

順向式電源轉換器之應用亦非常地廣泛,其廣泛的應用領域包含

(39)

電腦、通訊以及家電等。順向式電源轉換器適合中低功率之應用,其 通常被操作在連續導通模式下,具有較低之輸出電流漣波之特點。順 向式電源轉換器亦僅具單一主動式開關,因此,電路架構簡單,驅動 電路易於設計,且開關所承受之電壓約為二倍之輸入電壓。順向式電 源轉換器可提供多組之隔離輸出,每一組輸出均需要額外之二極體與 電感器,在產業上是最常被使用之電源轉換器架構之一[36]。

傳統之順向式電源轉換器其變壓器因需第三繞組來提供變壓器 之重置,因此,使得順向式電源轉換器之變壓器結構比起其它單一主 動式開關之切換式電源轉換器變得較為複雜。此外,也同時增加了變 壓器之體積與重量,致使電源轉換器之整體重量與體積加大。順向式 電源轉換器在開關切換期間,變壓器之一次側與二次側會產生較大之 電壓突波(voltage surge),導致開關元件必須承受較大之電壓應力 與 功 率 損 失 。 此 電 壓 突 波 主 要 是 由 變 壓 器 之 漏 電感 ( leakage inductance)與雜散電容(stray capacitance)所產生。

(三)、推挽式電源轉換器

圖4.1.3所示為一基本之推挽式電源轉換器之電路架構。推挽式電 源轉換器也是一種降壓型的電源轉換器,其由二個反相位工作之順向 式電源轉換器組合而成,電路中的二個開關交互導通,在每一半週 時,均會將能量從一次側傳送至負載,因此,變壓器的使用率高於順 向式電源轉換器。

推挽式電源轉換器並不像返馳式電源轉換器與順向式電源轉換 器般被廣泛地應用。推挽式電源轉換器的應用電路可提供良好之負載 調整,同時,沒有主開關導通時間不均等時所引起之磁通囤積現象。

此外,推挽式電源轉換器儲存在變壓器寄生電感中之能量若無一個適

(40)

當的路徑釋放,將導致主開關發生過電壓( voltage overshoot)現象,

因此,為了要解決上述之問題,通常必須加入主動箝制( active clamping )或被動箝制(passive clamping)電路加以克服。再者,配 合共振電路的應用,可使推挽式電源轉換器具有輸入端僅有單一元件 之壓降,近乎連續之電力潮流(power flow)讓峰值電流降到可共振 之程度,以及開關可實現零電壓導通等優點[37]。

圖4.1.3 推挽式電源轉換器

推挽式電源轉換器包含二個主動式開關,因此,比僅具單一主動 式開關之電源轉換器(如順向式電源轉換器)驅動電路較為複雜。此 外,推挽式電源轉換器二個開關之責任週期必需被限制在0.5(50%)

以內,以避免二個開關同時導通造成電源短路的危險發生。再者,推 挽式電源轉換器中的二個開關其導通時間必須相等,否則電路中的直 流電壓成分將造成變壓器飽和。

(四)、半橋式電源轉換器

圖4.1.4所示為一基本之半橋式電源轉換器之電路架構。電路中之 電容器C1與C2用來均分輸入之直流電壓。二個主動式開關交互導

(41)

通,因此,落在開關上之電壓僅為一半輸入電壓,但其缺點為開關導 通時,流經開關之電流會加倍。此外,電容器C1與C2可以阻隔直流 成分進入變壓器一次側,以降低二主動式開關導通時間不均等時所引 起之變壓器飽和的危險性。與其他類型之直流電源轉換器(如返馳式 電源轉換器)相比,半橋式電源轉換器有最小之元件電壓額定值,以 及儲存在漏電感中之能量可回昇至輸入電源端等優點。

圖4.1.4 半橋式電源轉換器

半橋式電源轉換器中的二個主動開關為串連形式,因此,驅動電 路通常必需互相隔離,因而增加了驅動電路之複雜性。半橋式電源轉 換器一般較適合應用在降壓型電壓調整的形式,其額定輸出功率通常 介於300 ~1200W 之間。

傳統半橋式與推挽式電源轉換器為了要穩定輸出電壓,必須控制 二個開關有一段相同之空白時間(deadtime),然而,在此期間內,

(42)

儲存在變壓器中之能量會在開關上產生一些高頻電壓震盪(voltage ringing),此時,若其中一個開關導通,將會產生切換損失與電流波 尖(current spike),進而導致效率與可靠度降低[38]。

(五)、全橋式電源轉換器

圖4.1.5所示為一基本之全橋式電源轉換器之電路架構。全橋式電 源轉換器具有四個主動式開關,開關S1與S4 會同時導通,S2與S3會 同時導通,使得變壓器一次側線圈上之電壓在+Vin與-Vin間擺動,

因此,當開關截止時,落在開關上之電壓絕不會超過Vin,同時,流 經開關之電流亦僅為等效半橋式電路之一半。因此,全橋式電源轉換 器通常被應用在大功率的輸出上。在相同之開關元件額定值之情況 下,全橋式電源轉換器之輸出功率可達到半橋式電源轉換器輸出功率 之二倍。

工業上一般在將交流電壓轉成直流電壓時,常會使用二級之轉換 器,亦即交流至直流電源轉換級(整流級)以及有隔離之直流至直流電 源轉換級。通常在整流級會使用昇壓型之電源轉換器,因為昇壓型之 電源轉換器可以修正輸入線電流之波形,以達到功率因數改善之目 的,並使其諧波成分符合一些協會之標準,譬如:IEC 1000-3-2。而 在直流至直流轉換級的部分,當需要較大之輸出功率時,全橋式電源 轉換器通常會被選擇使用[39]。

全橋式電源轉換器之缺點是必須使用到四個主動式開關,且因為 S1與S4會同時導通,S2與S3會同時導通,使得每一開關之驅動電路 必須互相隔離,因此,電路變得非常複雜,同時也大幅增加電路之製 作成本。

(43)

圖4.1.5 全橋式電源轉換器

(六)、電源轉換器之選定

由於太陽能電池之輸出電壓為變動值,變動電壓範圍約為2~8伏 特,並經由上述各種電源轉換器之特性比較,由於返馳式電源轉換器 之電路架構簡單,可大幅降低電路製作之成本。又因為返馳式電源轉 換器適合於低功率之應用,符合本論文輸出功率範圍要求。此外,返 馳式電源轉換器驅動容易,因此本論文最後決定選擇返馳式電源轉換 器作為本論文之主要電源電路。

4.2 基本之返馳式電源轉換器[14][16][31][32]

本節將詳盡地介紹基本之返馳式電源轉換器的動作原理。圖 4.2.1 所示為返馳式電源轉換器之基本電路。當開關導通時,一次側線圈會 有初級電流流過,此時能量會儲存在其中。不過由於變壓器一次側與 二次側之繞組極性是相反的,因此二次側之二極體會被逆向偏壓,所 以沒有能量轉移至負載,輸出之能量由二次側之輸出電容所提供。當 開關截止時,一次側之電流會降為零,由於變壓器之磁通密度向負的

(44)

方向改變,所以在變壓器上所有繞組上的極性將會反轉,並使得二次 側二極體導通,此時儲存在變壓器上之能量會經由二極體,傳送至輸 出電容器與負載上。

圖4.2.1 返馳式電源轉換器之基本電路[14]

返馳式電源轉換器有三種工作模式:連續導通模式、連續導通模 式與不連續導通模式之邊界,以及不連續導通模式。以下將針對三種 工作模式加以說明。

然而在分析時,所使用的假設條件為 1. 輸出電容很大,使得輸出電壓為常數。

2. 電路操作於穩態下,即所有電壓與電流都是呈周期性變化的。

3. 開關之責任比為D,且閉合時間為DTs,打開時間為(1−DTs)。

4. 開關與二極體皆為理想狀態。

A. 連續導通模式

圖4.2.2為返馳式電源轉換器在連續導通模式(又稱連續電流導通 模式)之電壓與電流波形。圖4.2.3與圖4.2.4為返馳式電源轉換器在功

(45)

率開關閉合與打開時之等效電路。

當開關導通時,其等效電路圖為圖4.2.3所示,因此在變壓器電源 側之電壓為

v1 Vs Lm diLm

= = dt 當 0≤ ≤t ton (4.2.1)

其中v1為變壓器一次側兩端之電壓,Vs為輸入之電壓,Lm為變壓器之 磁化電感值,iLm為變壓器磁化電感電流,ton為開關導通時間。由4.2.1 式中,吾人可解得變壓器磁化電感在開關閉合時電流變化量為

Lm s s

m

V D T

i L

∆ = (4.2.2)

由於二次側之二極體截止,所以吾人又可以得到

i2 = =i1 0 (4.2.3)

所以,當開關閉合時,磁化電感Lm內之電流會線性增加,且理想變壓 器模型內之繞組沒有電流。此意味在實際變壓器內,一次側繞組電流 線性增加,而二次側繞組沒有電流存在。

當開關打開時,由於磁化電感Lm內之電流,所以在Lm兩端產生 一電壓為

1 0 1

2

Lm m

di

v V N L

N dt

= − = 當 ton ≤ ≤t Ts (4.2.4)

其中V0為輸出電壓,N1N2分別為變壓器一次側與二次側的線圈匝 數。由4.2.4式中,吾人可解得變壓器磁化電感在開關打開時電流變化 量為

0 1

2

(1 ) s

Lm

m

V D T N

i L N

− −

∆ = (4.2.5)

(46)

圖4.2.2 磁化電感電壓與電流波形圖

因為在穩態操作下,一週期之電感電流淨變化量必須為零,利用 4.2.2式與4.2.5式可得輸出電壓與輸入電壓之關係

0 2

1 1 s

D N

V V

= D N

− 其中 on

s

D t

= T (4.2.6)

D稱為責任週期(duty cycle)。

圖4.2.3 功率開關閉合時等效電路[14]

iLm

v 1

DT s T s t

iLm

V s

1 0

2

V N

N

t

(47)

圖4.2.4 功率開關打開時等效電路[14]

B. 連續導通模式與不連續導通模式之邊界

返馳式電源轉換器在連續導通模式與不連續導通模式之邊界 時,即為磁化電感電流iLmtoff結束時剛好為零。

C. 不連續導通模式

返馳式轉換器之不連續導通模式(又稱非連續電流模式),當開 關閉合時變壓器電流線性增加,如連續導通模式。然而,當開關打開 時,變壓器磁化電感內電流在下一個切換週期開始之前會到達零,如 圖4.2.3所示。當開關閉合時,電感電流之增加如4.2.2式所述,因為電 流從零開始,可由4.2.2式求得最大值為

L m,max s s

m

I V DT

= L (4.2.7)

不連續導通模式之輸出電壓可藉由分析電路之功率關係求得。假 設元件為理想,直流電源所提供之功率與負載所吸收之功率會相同。

電源所提供之功率為直流電壓乘平均電源電流,而負載所吸收功率為

2 0 / V R

(48)

圖4.2.5 不連續操作模式之返馳式電源轉換器 平均電源電流為圖4.2.5(b)三角波下面積除以週期,可得

Is =V D Ts 2 s/ 2Lm (4.2.8)

電源功率等於負載吸收功率

V D Ts 2 s/ 2Lm=V02/R (4.2.9)

由4.2.9式可解得返馳式轉換器在不連續導通模式操作下之輸出電壓 與輸入電壓關係,其關係為

V0 =V D T Rs s / 2Lm =V D Rs / 2L fm

(4.2.10)由4.2.10式吾人可知,當返馳式轉換器操作在不連續導通模 式下,其輸出電壓與負載阻抗呈非線性關係,也就是說,輸出電壓會 隨著負載不同而有不同之輸出電壓。為了避免這種情形發生,因此在 設計電源轉換器時,吾人將輕載的操作模式設計為DCM,重載的操 作模式設計在CCM。

4.3 功率開關元件的選擇[11][43]

由 4.2 節分析可知,轉換器要達成能量轉換輸出必須靠功率開關

iLm

i s

DT s T s t

t (a)

(b)

(49)

之閉合與開啟動作。所以本節針對功率開關之特性作介紹,並且選擇 適當元件之功率元件作為本轉換器的開關。一般而言,基本功率開關 元件有兩種,分別為 BJT(雙極性接面二極體)與 MOSFET(金氧半 場效接面二極體)。以下分別對 BJT 與 MOSFET 兩種不同種類之功 率開關比較其優缺點:

MOSFET 為多數載子元件,其閘極與源極間必須存在適當的電 壓才能使 MOSFET 維持導通狀態。正常狀態下沒有閘極電流的流 動,但是在導通與截止的切換過程中會有閘極電容的充放電電流。而 且由於功率型 MOSFET 它是直接由電壓控制驅動,因此可以不需介 入功率的放大,因而在設計直流電源供應器時就很方便。此外,當輸 出的電壓或電流之比有所改變時,我們只要在驅動電路上,作小小的 調整即可。

功率型 MOSFET 最主要簡化了電源供應器的設計,這是由於它 的高輸入阻抗,此因素使得整個功率輸出,具有非常低的驅動電流,

因而單一個驅動電路,能夠很容易的去驅動一個或多個的功率型 MOSFET,此功率輸出範圍非常的大,所以一系列之穩壓電源就能得 到。而雙極性電晶體(BJT)的功率輸出為基極電流驅動的直接函數,

如需得到不同之功率輸出準位時,就需要不同的驅動電路,所以不易 驅動。

功率型 MOSFET 沒有像雙極性電晶體在集極-射極高壓下,有二 次崩潰(secondary breakdown)的特性,所以不須有保護裝置。而且 雙極性元件的負溫度係數,會產生熱逃脫(thermal runaway)現象,

使得元件會在迴路上作自身破壞(self destruction),其系統之穩定度 也不如功率型 MOSFET。

(50)

功率型 MOSFET,其交換速度較雙極性電晶體來得更快,因此 它可以操作在更高的交換頻率(Switching Frequency)。這是因為 MOSFET 並不會有如雙極性元件在操作的情況下,被固有少數載子

(Minority-carrier)所延遲。MOSFET 的交換時間(Switching Time)

主要是由自身電容及電路中的電感所決定。其典型的交換時間約為 30ns 至 50ns,較雙極性元件快 10 倍以上。此高速的交換速度有助於 使用更小的磁性元件及濾波電容及電磁干擾( EMI)濾波器,因而體 積可以縮小許多。

功率型 MOSFET 為了降低雜訊,在製程技術上產生了源-閘極重 疊,也因此天生存在了一個二極體特性,一般稱之為本質二極體(body diode)。這個二極體是一個較為慢速的二極體,用來降低雜訊、提昇 功率 MOSFET 之耐壓與突波能力。

就其功率損失來說,整個雙極性電晶體的功率損失也比MOSFET 之功率損失來得大。所以經過以上種種因素考量,本論文選擇功率開 關元件為功率型MOSFET。元件名稱為IRF3710[46],其特色具有非 常低之導通電阻,約為15毫歐姆,可以有效降低功率元件之損失。一 般而言,功率元件之導通損失為I R2

4.4 RCD緩震電路[11][40][41][42]

當功率元件導通或截止時,其功率損失都很小,但開關切換時

(ON-OF 或 OFF-ON)因電壓與電流會有重疊現象而加大開關損失。

當功率元件以高頻切換時,此開關損失更大,不僅降低系統的效率,

對元件所造成的衝擊也隨之加大,因此系統的可靠度也隨之降低。另 外由於電路中的雜散電感與寄生電容的影響,使得功率元件在切換時

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