總計畫(I)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC91-2213-E-011-109-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電子工程系
計畫主持人： 謝冠群
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢
中 華 民 國 92 年 9 月 17 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
網路遠端監控分散式電信電源供應系統關鍵技術的研 製
Internet-Remote-Control-Distributed Telecommunications Power System
計畫類別：□ 個別型計畫
n
整合型計畫計畫編號：NSC 91－2213－E－011－109－
執行期間： 91 年 08 月 01 日 至 92 年 07 月 31 日
計畫主持人：謝冠群 教授 共同主持人：
計畫參與人員：粱從主教授、莫清賢教授、羅有綱教授、邱煌仁 教授、
陳良瑞教授、林長華教授
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：
n
精簡報告 □完整 報告本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究 計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢 □涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開 查詢
執行單位：
中 華 民 國 92 年 9 月 16 日
一、中文摘要
總計畫主要在於發展中小型通信系統機組所需的電信電源系統(SMR)的核 心技術和研製方法。本總計畫內容主要包括六項子計畫：(1)網路遠端監控分散 式電信電源供應系統之電磁干擾量測與抑制，(2)分散式電信電源供應系統之功 因修正電路設計，(3)模組化電池充電及備用供電系統之研究，(4)電信電源系統 高頻緊急照明電子安定器之研製，(5)電信電源網路遠端監控系統之研製和 (6)1 - 3 K W 具 並 聯 功 能 之 零 電 壓 脈 波 寬 調 變 轉 換 器 （ Z V S - P W M C o n v e r t e r ）之研製等。第一年計畫己完成單一模組 1kW 的電信電源關鍵技術。
主要包含發展新的轉換技術、提出電源模組間的監控策略及充電技術。本總計畫 的主轉換器的控制策略，是以零電壓切換 PWM (ZVS-PWM)轉換技術結合全橋 轉換器做為電源模組的設計架構，並配合各子計畫控制策略達成電信電源系統整 合，並兼具有通信協定的監控功能、應急的不斷電的充電系統及緊急照明系統。
此外，子計畫並研發一套設計 EMI 濾波器的規範策略以利系統干擾防治。
關鍵詞：電信電源系統(SMR)、電源模組、功率因數修正器、電磁干擾、充電系 統、緊急照明系統。
Abstr act：
The major topic in our integrated project is to realize a high-efficient high -power density switching-mode rectifier (SMR) for telecommunication power source. The integrated project consists of six subprojects including main power module, charger system, system monitoring with I2C protocol, an emergency lighting system, power factor corrector and EMI etc.
The main power module with high power density is realized by phase-shift zero -voltage-switching pulse-width modulation (ZVS-PWM). The other five sub-projects are conducted by following the system control strategies based on the SMR requirements. The first year’s achievement includes single power module of 1KW, battery charge strategy, internet remote monitoring and control strategy, emergency-lighting system, and power factor corrector of 1KW, and EMI etc. We predict that the integration research in the second year will be conducted in developing key technologies for multi-module combination and control so as to be good in the future system integration.
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
總計畫：網路遠端監控分散式電信電源供應系統關鍵技術的研製 Internet-Remote-Control-Distributed Telecommunications Power System
計畫編號：NSC 92-2213-E-011-093- 執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
總計畫主持人：謝冠群教授 國立台灣科技大學電子工程學系
二、前言與目的
子計畫(1)：科技的發展使得各種行業例如通訊工業、自動化工業及計算機 科技等等，都必須大量使用多種電子設備，導致電路之間互相干擾的問題產生。
其中以電磁干擾(Electromagnetic interference, EMI)雜訊最令人感到困擾，這乃因 現今的電子產品都以符合小型化、高性能、高精度、及高信賴度等為目標。由於 電路元件的分佈密度高、體積小，更多的元件擠在很小的空間當中，增加了干擾 的機會，又因近幾年來，國際間對電源品質的重視，開始了功率因數修正（Power Factor Corrector, PFC）的電路發展。其作用是用以消除過大的諧波，以降低電廠 的負荷。由於其架構具有高頻切換，造成電壓及電流的快速變化，使其成為 EMI 的製造源。因此電磁干擾雜訊的消除更顯重要。本子計畫針對傳導性 EMI 雜訊 的量測與濾波器設計結合在一起，為一套自動化電磁干擾量測系統，並使用 PC 透過 GPIB 硬體介面控制頻譜儀之動作，以 LabVIEW 規劃量測系統之軟體控制 介面，並內建濾波器設計之介面程式，將常用之濾波器元件與其頻率特性建立一 組數位資料庫，再利用程式計算出電磁干擾濾波器之最佳元件值，經由電腦高速 運算之能力，將可大幅縮短傳導性電磁干擾問題的處理時間。藉此簡化濾波器設 計流程，節省試誤過程所浪費的時間成本，並且能夠符合相關規範，以快速的解 決傳導性 EMI 的問題。
子計畫(2)：電信科技的發展提供快速便捷的訊息傳遞方式，已經成為生活 上不可或缺的工具。電信科技的演進因數位與半導體技術的引進，更是突飛猛進 一日千里。然而，現代化電信系統則有賴於穩定、可靠的電源供應，才能將功能 淋漓盡致的發揮。
傳統的電信電源採集中式供應，由於長距離傳輸的損失，效率差；而且，一 旦故障發生，即導致系統全面當機，影響甚鉅。因此，新一代的電源大都採分散 式設計。分散式電源是各個交換機分站各自由獨立的電源供應，電力饋線損失較 小，因此效率較高，而電源故障造成的影響則僅限於局部；此外，分散式電源係 由電源模組架組合而成，較具擴充之彈性。
電信電源系統主要包含整流器、直流電源供應器和蓄電池備用電源。電力電 子技術的發展讓電源轉換技術不斷推陳出新，從傳統的閘流體整流相位控制器、
線性電源供應器，到高頻切換式電源供應器，配合不斷電電源系統和蓄電池充放 電技術，以更複雜、精密的控制，提供現代化電信系統更穩定、可靠、高效率，
而且輕薄短小的高功率密度電源。含主動開關高頻切換具有電壓調整功能的整流 器又稱為切換式整流器(Switch Mode Rectifier, SMR)。
電信電源系統首先必需將電力系統的交流電源整流濾波成直流交鏈電壓，以 供應後級轉換器所需。對電力系統而言，整流設備(不論橋式整流器或傳統的閘 流體整流相位控制器)都是非線性負載，都會造成低功率因數（大約 0.6 左右）和 高諧波失真（超過 100％），是電力系統中嚴重的污染源。這種污染以往並不受 重視，直到最近，類似的電力電子產品越用越多，容量越來越大，充斥於電力系 統中，其影響也就不容忽視了。因此工業先進國家開始制定越來越嚴格的規範以 限制這類污染的擴張。於是，高功因、低諧波失真就成為所有電力電子設備在設 計上必須具備的一個重要環節。
子計畫(3)：電信電源系統產業在我國的發展已有十年以上，早期則依賴進口 組裝，但是均以傳統 PWM 技術為主，然而絕大多數產業界，都僅止於傳統技術
拓展研究與製作。對於新的高效率及高功率密度轉換技術，則仍在摸索中。事實 上，此項電信電源系統在國內外需求很大，尤其迎合大哥大基地台的設立，將會 是持續極具發展潛力的產業；但目前仍有很多廠商僅能仰賴進口組裝，顯然發展 此項技術的重要性與必要性是無庸置疑。在本計畫中所提之模組化電池充電及備 份供電系統之研究、結合功率因數修正器及電磁干擾防治之研究，將可提升國內 電信電源系統產業的研發技術，進而可促進國內電信電源產業之整合能力更趨完 善。
子計畫(4)：近年來，受到全球電信市場自由化、光通訊技術的成熟、網際網 路快速的發展、以及無線通訊持續成長等各種因素的激勵之下，我國的電信網路 產業發展相當迅速，因此，破除了有形的地域疆界，縮短了人類相互連絡的時空 差距，更開闊了資訊流通管道，而電信用電源可說是電信科技發展的必備動力，
過去對於電信電源之研究大多集中在系統規劃、電力品質的管理與改善、分散式 電源的設計及充電部份的研究。其次，工業安全是繼節能與環保之後成為全世界 相當重視的一項重大政策，在國內外各種安全規範或標準中也明訂了各項緊急設 施。目前雖然各種高效能的電源供應系統不斷地推陳出新，但是有關緊急照明裝 置的研究並不多見，一般常見的緊急照明裝置，僅強調市電中斷狀況時引導避難 順利逃生，故功能相當簡易，也不須過於繁複的電路架構，但是在電信電源系統 中，緊急照明裝置除了具有一般的逃生指示，更需要在電力系統發生中斷或損壞 時，提供工程人員可靠且足夠之照明能儘速完成檢修。根據 E. E. Hammer 所發 表之螢光燈管高頻特性之實驗數據顯示，採用高頻電子安定器可大幅地降低照明 系統電力消耗並提高照明效率約 10%~20%。目前所提出之高頻緊急照明裝置並 不多，其中多以半橋式與推挽式為主，或採用單晶片為控制機制，雖然控制功能 有所提昇，相對地亦使系統成本較高。本子計畫基於系統輕、薄、短小為考量來 設計電信電源專用之緊急照明設備，採用單一切換開關之E 類電子安定器作為緊 急照明的主電路，主要是其具有電路架構簡單與效率可高達 96%的優勢；其次，
在充放電部份，傳統兩級式緊急照明系統分為一級充電器，另一級為放電器，此 種架構過於龐大故系統效能不佳。因此，本系統中是採用單級雙向充放電路的架 構。若將電路稍作修改即可適用於一般之緊急照明裝置。
子計畫(5)：為達成電信電源之遠端監控、即時監控與及時故障處理，有必要 對整個電信電源作監測、資料收集與分析，並要能即時地修正電信電源各個子系 統的工作狀態使其最佳化。為達能此目的，本研究擬建構一電信電源網路遠端監 控系統，其共分為三層，由下至上依序為模組層(Module Level)、設備層(Equipment Level)和網路層(Internet Level)，而每一層均有一控制器負責電汽信號的收集與分 析，並將結果往上層傳。經由這三層相互連結與分工合作，本研究所發展的監控 系統不僅能使電信電源具有多種的並聯供電工作模式、即時監控、即時故障處 理、系統強健指數(Robustness Index)分析和預警告知功能外，還能透過網路層的 協助，使整個電信電源具有遠端監控(Remote Terminal Monitoring/Control)的功 能。此遠端監控能力可以使工程師不用到現場就可以獲得遠處電信電源的資訊，
並對其調校或工作模式的切換。此外，借由網路層的協助，系統可進行資料的自
故障預警告知、遠端監控、電信電源系統的資料自動收集與資料庫之建立，使電 信電源系統真正達到智慧化和 e 化。
子計畫(6)：早期用於電信局的電話交換機的電信電源系統(Switching-mode rectifier, SMR)，其製作技術係採用傳統 PWM 轉換技術。基於其結構簡單、成 本低、低導通損失（conduction loss）及控制方法容易的優點，因此行之有年，
仍為產業界樂於採用。由於 PWM 轉換技術是採用硬式切換，造成 EMI 產生是 一項問題，元件上電壓和電流的瞬間變化量（dv/dt, di/dt）很大。另外，當操作 頻率提
高時，開關晶體上輸出電容所造成的切換損失（Switching loss）會因頻率增加而 呈線性增加，將嚴重降低轉換器的效率。因此在實用上，只好考慮效率而犧牲操 作頻率的提高，此將導致 PWM 轉換器的體積縮小受到限制，影響功率密度的 提昇且不適合用在高功率輸出。1980 年代諧振式 PWM 轉換技術帶動了高功率 且高功率密度電源模組的發展。此技術起源於準諧振技術的發展貢獻，準諧振式 轉換器是藉原 PWM 的架構，利用開關元件上的寄生元件及電路上配合的共振 元件 L 及 C 達到共振現象。藉此特性以改變開關晶體上的電壓或電流波形以達 成軟性切換的目的。因此，PWM 導致的 EMI 干擾可以獲得改善且可做到零電壓 或零電流切換的目的。如此，可大幅降低開關的切換損失，並可提高操作頻率、
縮小儲能元件的體積，使功率密度得以提昇。但值得注意的是，準諧振技術結合 PWM 之優良低導通損失即成為諧振式 PWM 轉換技術，使得產品化成為可行，
極適合用在各式電信電源系統的研製。
三、研究方法
在第一年的計畫執行期間，各子計畫除了按預定進度完成研究目標，並定時 舉行各子計畫之進度報告及成果討論會議，以期掌握研究進度及增進各子計畫間 之經驗交流，以下將就各子計畫之具體研究內容作簡要的說明。
子計畫(1)為「網路遠端監控分散式電信電源供應系統之電磁干擾量測與抑 制」，本子計畫主要針對整合型計畫所實現之網路遠端監控分散式電信電源供應 系統的電磁干擾問題，採用圖控式程式語言 LabVIEW 來規劃軟體介面，建立一 套以個人電腦為基礎之雜訊自動量測與濾波器設計系統，不僅能夠簡化整個雜訊 量測與濾波器設計流程，節省實際元件焊接、試誤過程所浪費的時間與人力成 本，並具備操
控簡單、資料自動擷取與記錄、易懂、易學的特性，讓操作者不須經過專業、特 殊的儀器操作訓練，即能快速熟悉系統的使用。且挾電腦高速的運算能力，以及 友善的人機介面，可大幅縮短電磁干擾雜訊問題的處理時間，不僅加速了產品的 開發時程，也更能夠為電信業者所接受。本子計畫以一部 1kW 電信電源供應系 統(220V 交流輸入, 50V/ 20A 直流輸出)為對象，實際量測其電磁干擾雜訊準位，
且設計出合適的濾波器元件，使其能夠符合 VDE Class A 規範要求。
子計畫(2)為「分散式電信電源供應系統之功因修正電路設計」，本子計畫針 對分散式電信電源系統所需的整流電路，進行模組化功因修正電路之設計製作。
首先對各式可能的功因修正電路進行評估製作，基於電位隔離與提供大範圍輸入
及輸出電壓，計畫採用馳返式轉換器作為功因修正基本電路架構；並以一個控制 電路單元同時控制多組並聯的功因修正模組，藉以提升系統的總功率容量，並隨 負載需求彈性運用。計畫應用模組相移控制的方式，倍數增加輸入電流諧波的頻 率，降低諧波電流，減小前置高頻被動濾波器的容量和體積。本期計畫完成以五 模組並聯，並以實驗電路量測結果驗證其效能，達到 1kVA 最大輸出功率，功因 高達 0.995 以上，總諧波失真率則抑制在 5%以下。
子計畫(3)為「模組化電池充電及備用供電系統之研究」，本子計畫提出一個 模組化電池充電及備份供電系統，利用一雙向 Buck-Boost 電路來實現，當市電 正常供電時，充電器將電能傳送至電池，充電之階段有定電流、定電壓與浮充等 過程，而當市電不正常時，此為緊急供電系統，電池之能量經 DC/DC 轉換器提 供負載電力，由於電池儲存能量之狀態與負載需求有升壓與降壓模式。最後並以 實做一雙向 Buck -Boost 電路雛型，經由實驗結果來驗證其功能均符合需求。
子計畫(4)為「電信電源系統高頻緊急照明電子安定器之研製」，主要提出一 種應用於電信電源供應系統之高頻緊急照明裝置，主要架構包括採用 E 類(Class E) 換流器為主電路之電子安定器、市電偵測電路及單級雙向充放電電路，其主要特 徵是電路簡單、故障率低、維修容易且具高效能。本文中除了詳細說明電路架構 外，並提出一設計實例，最後以量測結果驗證所提架構之正確性，所採用之電路 架構經初步估計可將緊急照明系統之效率由傳統的 70%提升為約 91%，因此可 大幅地延長系統之使用工時。
子計畫(5)為「電信電源網路遠端監控系統之研製」，主要研究擬透過網際網 路建構一適用於電信電源的遠端監控系統，其共分為三層，由下至上依序為模組 層(Module Level, ML)、設備層(Equipment evel, EL)和網路層(Internet Level,IL)。
模組層負責收集電信電源系統內各個模組(子系統)的工作狀態資料(如電壓、電 流、溫度等)，同時對這些資料進行簡易分析，並將資料送給設備層。第一年所 完成的工作主要為模組層的開發，計有 PFC 監控模組、DC/DC 轉換器監控模組 及電信電源設備輸出/入電源監控模組之硬、軔體設計，與 I2C 通信介面之開發。
子計畫(6)為「1 - 3 K W 具 並 聯 功 能 之 零 電 壓 脈 波 寬 調 變 轉 換 器
（ Z V S - P W M C o n v e r t e r ）之研製」，第一年的研究重點在於發展電信電源系 統 的 主 電 源 轉 換 器器 部 份 。 主 電 源 轉 換
是以零電壓切換脈波 度調變 (ZVS-PWM)
轉換技術結合全橋轉換器做為電源模組的設計架構。第一年以 1KW DC/DC 電源 模組作為研製目標，本子計畫目前己達成 1KW 電源模組組態的研究及設計，並 實際製作一部 1KW 電源模組裝置系統。本子計畫研究之 DC/DC 轉換器可分為 五個轉換狀態，包括功率傳送狀態、兩個諧振狀態、能量保持狀態及轉換狀態。
本子計畫研製之 DC/DC 轉換器於重載時輸出效率可達 93%以上，各項性能均符 合規格需求，可順利和其它子計畫結合。
四、結果與討論
本總計畫在第一年之執行上已有具體成果，在縱向的發展上，各子計畫均已 按預定時間完成研究進度，具體成果已個別邀請國內廠商參觀並撰寫成多篇論文 陸續發表於國內外學術性會議或期刊，將有助於鞏固我國國際學術研究之地位。
其次，藉由各子計畫的成果推展，應可提起產業對本研究的興趣，提昇國內產業
向的連結上，各子計畫間不論作系統組合或測試，均能發揮群組合作的關係，有 效利用現有資源並相互支援，以達到「完全整合」的目標（各子計畫間的整合圖，
如圖 1）。有關本年度完成之工作項目及具體成果之詳細內容，請參閱各子項計 畫報告。
網路遠端監控分散式電信電源供應系統關鍵技術的研製 整合研究群
子計畫一 網路遠端監控分散式 電信電源供應系統之 電磁干擾量測與抑制 子計畫五 電信電源網路遠端監控 系統之研製
子計畫二 分散式電信電源 供應系統之功因 修正電路設計 子計畫三
1-3KW電池充電 系統之研製
子計畫四 電信電源系統高 頻緊急照明電子 安定器之研製 子計畫六
1-3KW零電壓脈波寬調變 電信電源的研製
圖 1 總計畫之整合圖示
