太陽能模組結合Cockcroft-Walton 倍壓電路之高升壓比直流/直流轉換器之研製

國 立 台 灣 科 技 大 學 電 機 工 程 系

九 十 八 學 年 度 實 務 專 題 技 術 報 告

專題名稱：太陽能模組結合 Cockcroft-Walton 倍壓電 路之高升壓比直流/直流轉換器之研製

專題編號：TR - 98 - EE - B02

研究組員

洪晨軒 (B9607104) 王柏翔 (B9607108) 賴德倫 (B9607128)

組別： B02 班別： 四電機四乙 指導老師： 楊宗銘 博士

中華民國 99 年 10 月

摘要

本專題重點在於研製基於 Cockcrof t - Walton(CW) 倍壓電路之 高升壓比直流/直流升壓轉換器(簡稱 CW 升壓轉換器)，可改善傳統 升壓轉換器無法提供高升壓比之特性，本文轉換器之控制及應用分為 三組互為獨立的部分做說明，第一部分為太陽能模組結合 CW 升壓 轉換器，以擾動觀察法做為太陽能最大功率點追蹤之控制策略，使太 陽能模組在現有環境條件下有最大功率輸出，此外，轉換器之高升壓 比能改善太陽能模組低電壓輸出特性，以提供直流高電壓，第二部分 為二極體多階式鉗位變頻器結合 CW 升壓轉換器，用 Matlab 軟體 建立模擬系統，並以正弦脈寬調變(SPWM)為切換策略，產生單相 60 赫茲之可控振幅高壓交流電源，第三部分為 CW 升壓轉換器 PI 穩 壓控制，閉迴路系統搭配比利積分( PI )控制器，控制輸出維持在一穩 定直流高電壓值，本文系統架構包括有 CW 倍壓電路、太陽能模組、

多階式二極體箝位式變頻器、數位信號處理器 PIC18F8722 等。

關鍵字 : 高升壓比轉換器、最大功率點追蹤、多階式二極體鉗位變 頻器、比利積分(PI)控制器、數位信號處理器。

誌謝

本專題得以順利完成，承蒙指導教授楊宗銘老師在專題製作過程 給予細心的指導，老師在做學問的嚴謹態度及處事的認真負責，為我 們樹立了最佳典範，也感謝電力電子實驗室的眾位學長們盡心盡力指 導我們，特別感謝銘輝學長悉心的教導，使我們了解專題的發展方向，

感謝宜勳學長教會我們電路上的細節及知識，還有感謝鈞琢學長教導 我們 Protel 繪圖軟體的應用以及硬體元件的製作，偉倫與仲毅學長 不厭其煩的指導我們程式的撰寫，使我們所寫程式更加簡潔有力，感 謝實驗室提供給我們非常好的學習環境及器具提供，使得專題能夠在 預期的時間內得以完成，另外還有感謝電機系技士林祥慶先生在器材 跟儀器方面的支援，還有在專題實驗室裡同心協力的各組同學們，在 此一並致謝。

目錄

摘要... I 誌謝... II 圖索引... V 表索引... IX

第一章 緒論... 1

1-1 研究動機 ... 1

1-2 系統描述與研究方法 ... 2

1-3 內容摘要 ... 6

第二章 太陽能發電特性... 8

2-1 獨立太陽能系統模組 ... 8

2-2 太陽能光伏電池工作原理 ... 8

2-3 太陽能光伏電池分類 ... 9

2-4 太陽能光電版特性 ... 10

2-5 太陽能最大功率點追蹤(MPPT)之擾動觀察法介紹 ... 16

第三章 基於 Cockcroft-Walton 升壓轉換器之控制 ... 19

3-1 Cockcroft-Walton(CW) 倍壓器架構介紹 ... 19

3-2 基於 CW 轉換器之操作模式 ... 21

3-3 基於 CW 轉換器之輸出電壓漣波數學模型 ... 28

3-4 基於 CW 轉換器結合太陽能模組之控制 ... 36

3-5 基於 CW 轉換器結合多階式二極體鉗位變頻器 ... 38

3.5.1 多階式二極體鉗位變頻器電路架構分析... 39

3.5.2 多階式二極體鉗位變頻器開關控制策略... 41

3-6 基於 CW 轉換器之比例積分(PI)控制 ... 44

3.6.1 PI 穩流控制 ... 46

3.6.2 PI 穩壓控制 ... 47

第四章 硬體架構與軟體規畫... 48

4-1 前言 ... 48

4-2 硬體架構 ... 48

4.2.1 系統電路... 48

4.2.2 周邊電路... 52

4-3 軟體規劃 ... 54

4.3.1 數位微處理控制器... 54

4.3.2 類比數位轉換比例設計... 55

4.3.3 程式流程介紹... 56

第五章 模擬與實做量測... 69

5-1 前言 ... 69

5-2 基於 CW 直流/直流轉換器之輸出電壓漣波紀錄分析 ... 69

5-3 基於 CW 與傳統之直流/直流轉換器升壓比比較 ... 73

5-4 CW 轉換器結合太陽能模組之最大功率點追蹤記錄與效率分析 ... 75

5-5 CW 轉換器結合多階式二極體鉗位式變頻器之模擬與量測 ... 82

5.5.1 三階二極體鉗位變頻器輸出電壓模擬與實做... 83

5.5.2 CW 轉換器結合三階二極體鉗位變頻器輸出電壓模擬與實做 .... 89

5-6 CW 轉換器之 PI 穩壓測試 ... 94

5.6.1 PI 穩流實做 ... 95

5.6.2 PI 穩壓實做 ... 98

第六章 結論與建議... 101

6-1 結論 ... 101

6-2 建議 ... 102

參考文獻... 104

附錄... 106

圖索引

圖 1-1 基於 Cockcroft-Walton(CW) 直流/直流升壓轉換器 ... 3

圖 1-2 CW 轉換器結合太陽能模組系統架構圖 ... 4

圖 1-3 CW 轉換器結合三階二極體鉗位變頻器系統架構 ... 5

圖 1-4 CW 轉換器之閉迴路 PI 穩壓控制系統架構圖 ... 6

圖 2-1 獨立太陽能電力系統示意圖 ... 8

圖 2-2 太陽能光伏電池光電轉換原理 ... 9

圖 2-3 太陽能光電板等效電路 ... 11

圖 2-4(a) 不同照度下之 I-V 曲線圖 ... 14

圖 2-4(b) 不同照度下之 P-V 曲線圖 ... 14

圖 2-5(b) 不同溫度下之 P-V 曲線圖 ... 15

圖 2-5(a) 不同溫度下之 I-V 曲線圖 ... 15

圖 2-6 擾動觀察法方塊圖 ... 17

圖 2-7 最大功率轉移示意圖 ... 17

圖 2-8 擾動示意曲線圖 ... 18

圖 3-1 非理想之升壓式轉換器 ... 20

圖 3-2 N/2 階之 CW 倍壓電路 ... 20

圖 3-3 基於 CW 倍壓器之高升壓比直流/直流轉換器 ... 22

圖 3-4 電路架構之主要波形 (責任週期 D = 0.6 ) ... 23

圖 3-5 模式一 ... 23

圖 3-6 模式二 ... 24

圖 3-7 模式三 ... 24

圖 3-8 模式四 ... 24

圖 3-9 輸入方波電流源之三階 CW 倍壓電路 ... 29

圖 3-10 輸入方波電流源之與二極體導通關係 ... 29

圖 3-11 太陽能光電板之最大功率點追蹤控制流程圖 ... 38

圖 3-12 單向變流器電路圖 (a)二階層電路 (b)三階層電路 ... 40

(c) N 階層電路 ... 40

圖 3-13 三階二極體箝位型變頻器電路 ... 41

圖 3-14(a) 正弦式脈寬調變開關切換示意圖 ... 43

圖 3-14(b) 輸出電壓 Van 波形與對應之正弦波基波示意圖 ... 44

圖 3-15 PI 穩流控制架構示意圖 ... 46

圖 4-1(a) CW 轉換器結合太陽能模組完整系統硬體架構 ... 50

圖 4-1(b) CW 轉換器結合多階式二極體鉗位變頻器 ... 50

(三階)完整系統硬體架構圖 ... 50

圖 4-1(c) CW 轉換器 PI 穩壓控制完整系統硬體架構 ... 51

圖 4-2 IXGH24N60CD1 (a)實體圖 (b)電路元件符號 ... 52

圖 4-3 電壓感測電路圖 ... 52

圖 4-4 電流感測電路圖 ... 53

圖 4-5 功率開關元件驅動電路 ... 54

圖 4-6 PWM 信號產生示意圖 ... 55

圖 4-7 CW 升壓轉換器結合太陽模組系統程式流程 ... 59

圖 4-8 CW 升壓轉換器結合太陽模組系統 (a)主程式流程圖 ... 60

(b)中斷副程式流程圖 ... 60

圖 4-9 太陽能最大功率點追蹤控制流程圖 ... 62

圖 4-10 (a) CW 升壓轉換器結合多階式二極體鉗位變頻器系統程 ... 64

式流程圖 (b)低優先中斷副程式流程圖(除頻程式) ... 65

圖 4-11 高優先中斷副程式流程圖(正弦波控制信號查表) ... 65

圖 4-12 CW 升壓轉換器 PI 穩壓控制系統程式流程圖 ... 67

圖 4-13 PI 穩壓主程式流程圖 ... 68

圖 5-1 功率開關 Sd1 、Sd2、Sc1、Sc2 觸發波型 ... 70

(ch1~ch4 : 20V/div ; t : 50us/div) ... 70

圖 5-2 功率開關 Sd1 、Sc1、IL、VAB ... 70

(ch1、ch3:20V/div;ch4:500mA/div;ch2:100V/div;t:50us/div) ... 70

圖 5-3 不同交替頻率 fc 與升壓責任週期下之 ... 72

輸出電壓漣波δvo 曲線圖... 72

圖 5-4 傳統升壓式直流/直流轉換器於不同責任週期下之 ... 74

開迴路電壓增益比曲線圖... 74

圖 5-5 基於 Cockcroft- Walton(CW)倍壓電路直流/直流轉換 ... 74

器於不同責任週期下之開迴路電壓增益比曲線... 74

圖 5-6 CW 轉換器結合太陽能模組完整系統實體 ... 75

圖 5-7 寶球公司生產 SM-125 五片串接式太陽能模組 ... 76

圖 5-8 太陽能最大功率點追蹤掃描式驗證功率圖 ... 76

圖 5-9 未使用太陽能最大功率點追蹤控制策略之整日曲線圖 ... 77

(a)太陽能輸出功率(b)太陽能電壓(c)太陽能電流 ... 77

圖 5-10 使用太陽能最大功率點追蹤控制策略之整日曲線圖 ... 78

(a)太陽能輸出功率(b)太陽能電壓(c)太陽能電流 ... 78

圖 5-11 使用太陽能最大功率點追蹤控制策略之整日轉換器輸 ... 79

出曲線圖(a)輸出功率(b)輸出電壓(c)輸出電流 ... 79

圖 5-12 轉換器數據資料(a)效率-時間曲線圖(b)升壓比-時 ... 80

間曲線圖(c)效率-功率 ... 80

圖 5-13 CW 轉換器結合三階二極體鉗位變頻器完整系統實體 ... 82

圖 5-14 CW 轉換器結合三階二極體鉗位變頻器完整系統模擬 ... 83

圖 5-15 ma = 1 的模擬 Van波型圖 (5V/div)，2.5ms/div) ... 84

圖 5-16 ma = 1 的實際 Van波型圖 (5V/div)，2.5ms/div) ... 84

圖 5-17 m_a = 0.8 的模擬 Van波型圖 (5V/div)，2.5ms/div) ... 85

圖 5-18 ma = 0.8 的實際 Van波型圖 (5V/div)，2.5ms/div) ... 85

圖 5-19 ma = 0.75 的模擬 Van波型圖 (5V/div)，2.5ms/div) ... 86

圖 5-20 ma = 0.75 的實際 Van波型圖 (5V/div)，2.5ms/div) ... 86

圖 5-21 ma = 0.5 的模擬 Van波型圖 (5V/div)，2.5ms/div) ... 87

圖 5-22 ma = 0.5 的實際 Van波型圖 (5V/div)，2.5ms/div) ... 87

圖 5-23 ma = 0.25 的模擬 Van波型圖 (5V/div)，2.5ms/div) ... 88

圖 5-24 ma = 0.25 的實際 Van波型圖 (5V/div)，2.5ms/div) ... 88

圖 5-25 D^*= 0.3、ma * = 1 的模擬開關觸發信號波形 ... 90

(20V/div)，2.5ms/div)... 90

圖 5-26 D^*= 0.3、ma * = 1 的實際開關觸發信號波形 ... 90

(20V/div)，2.5ms/div)... 90

圖 5-27 D^*= 0.3、ma * = 1 的模擬 Van波型圖 ... 91

(40V/div)，2.5ms/div)... 91

圖 5-28 D^*= 0.3、ma * = 1 的實際 Van波型圖 ... 91

(40V/div)，2.5ms/div)... 91

圖 5-29 D^*= 0.5、ma * = 1 的模擬開關觸發信號波形 ... 92

(20V/div)，2.5ms/div)... 92

圖 5-30 D^*= 0.5、ma * = 1 的實際開關觸發信號波形 ... 92

(20V/div)，2.5ms/div)... 92

圖 5-31 D^*= 0.5、ma * = 1 的模擬 Van波型圖 ... 93

圖 5-32 D^*= 0.5、ma * = 1 的實際 Van波型圖 ... 93

(40V/div)，2.5ms/div)... 93

圖 5-33 CW 轉換器 PI 穩壓控制完整系統實體照 ... 95

圖 5-34 輸入電壓 10V，iL* = 1A，實際 iL= 1.13A，電流漣波 840mA... 96

(ch1:1A/div，ch2、ch3:20V/div，ch4:100V/div，1ms/div) ... 96

圖 5-35 輸入電壓 20V，iL* = 1A，實際 iL = 1.10A，電流漣波 840mA ... 96

(ch1:1A/div，ch2、ch3:20V/div，ch4:100V/div，1ms/div) ... 96

圖 5-36 輸入電壓 10V，iL* = 1.5A，實際 iL = 1.53A，電流漣波 1.28A ... 97

(ch1:2A/div，ch2、ch3:20V/div，ch4:100V/div，1ms/div) ... 97

圖 5-37 輸入電壓 20V，iL* = 1.5A，實際 iL = 1.53A，電流漣波 1.28A ... 97

(ch1:2A/div，ch2、ch3:20V/div，ch4:100V/div，1ms/div) ... 97

圖 5-38 輸入電壓 25V，Vcw* = 170V，實際 Vcw = 170.5V， ... 99

電壓漣波 2.72V。 ... 99

圖 5-39 輸入電壓 30V，Vcw* = 170V，實際 Vcw = 170.0V， ... 99

電壓漣波 2.72V。 ... 99

(ch1:2A/div，ch2、ch3:20V/div，ch4:100V/div，2.5ms/div) ... 99

圖 5-40 輸入電壓 25V，V_cw^* = 200V，實際 Vcw = 198.0V， ... 100 電壓漣波 3.12V。 ... 100 (ch1:2A/div，ch2、ch3:20V/div，ch4:100V/div，2.5ms/div) ... 100 圖 5-41 輸入電壓 30V，Vcw*

= 200V，實際 Vcw = 206.0V， ... 100 電壓漣波 3.44V。 ... 100 (ch1:2A/div，ch2、ch3:20V/div，ch4:100V/div，2.5ms/div) ... 100

表索引

表 2-1 各種太陽能光電板之比較 ... 10

表 2-2 SM 125 太陽能光電板電氣特性(25 、1kW/m²) ... 13

表 3-1 三階二極體鉗位型變頻器功率開關狀態與對應 Van 電壓 ... 41

表 3-2 三階二極體鉗位型變頻器功率開關控制策略 ... 42

表 4-1 數位微處理控制器 PIC18F8722 基本規格 ... 54

表 5-1 不同交替頻率 fc 與升壓責任週期下之輸出電壓漣波 δvo 數據 ... 71

第一章 緒論 1-1 研究動機

基於能源危機的隱憂、地球暖化與環保意識高漲，以及減少石化 能源之使用，再生能源是目前各國極力發展的政策目標，但隨著經濟 發展與科技對於能源之需求量上升，使太陽光電產業近年來快速成長，

全球與台灣都可以明顯感受到此產業的高速發展，在未來具有不可小 覷的發展潛力[1]，近年來由於太陽能電池、電力電子及微電子技術 快速發展， 使系統能與再生能源做結合，達到高效率使用能源之目 的。

台灣地區是屬於海島型國家，能源短缺需仰賴進口，且位於亞熱 帶地區日照時間較長，很適合太陽能發電技術的開發，以往太陽能電 池昂貴的發電成本、以及光電轉換效率，為令人卻步的原因，但近年 來由於製程技術的進步，使太陽能電池的光電轉換效率有顯著的提升，

且價格明顯的降低，因此太陽能發電系統越來越具競爭力。太陽能發 電系統之效率，除了取決於光電轉換的效率之外，還頇仰賴具強健性、

良好性能的控制器，使系統能應付各種環境之變化，始終能讓太陽能 光電板維持最大功率輸出的表現[1][2]。

1-2 系統描述與研究方法

本文系統架構及應用主要分為獨立三部分來做介紹，第一部分為 CW 升壓轉換器合太陽能模組，第二部分為 CW 升壓轉換器結合多 階式二極體鉗位變頻器，第三部分為 CW 升壓轉換器 PI 穩壓控制，

此三部分之重點核心在於 CW 升壓轉換器之應用及控制，電路架構 如圖 1-1 所示，電路主要分為兩個部分，第一部分包含了直流電源 輸入、升壓電感 L

s

c1

c2

c

c

d1

d2

d

d1

d2

階數為兩階(每一階由兩個二極體及兩個電容所組成)[3]，以下對三種 CW 轉換器之應用與控制做介紹說明。

S _d1

S _d2

S c1

S _c2

v _c1

v _c2

v _c3

v _c4 D ₁ D ₂ D ₃ D ₄ L _s i _L

i r

+ V _r

-

- +

B A

- v _cw + -

V in +

R _load - +

- +

- +

圖 1-1 基於 Cockcroft-Walton(CW) 直流/直流升壓轉換器

第一部分 : CW 升壓轉換器結合太陽能模組

如圖 1-2 所示，CW 升壓轉換器直流電源輸入端接至太陽能模 組，為增加太陽能模組之能量利用率，本文採用擾動觀察法作為最大 功率點追蹤( Maximum Power Point Tracking ，縮寫為 MPPT)之控制 策略，藉由回授太陽能模組輸出電壓 V

pv

pv

^*

圖 1-2 CW 轉換器結合太陽能模組系統架構圖

第二部分 : CW 升壓轉換器結合多階式二極體鉗位變頻器

如圖 1-3 所示，CW 升壓轉換器輸入端接至一穩定低壓直流電 源，輸出接至多階式二極體鉗位變頻器(本文採用三階)，控制器負責 下達轉換器之升壓責任週期命令 D

^*

a *

^*

a *

可控制輸出交流電壓振幅之大小。

I_pv

Sd1

Sd2

Sc1

Sc2

vc1

vc2

vc3

vc4

D1 D2 D3 D4

Ls iL

i_r

+

-

- +

B

- v

+

Rload

- +

- +

- +

+

-

圖 1-3 CW 轉換器結合三階二極體鉗位變頻器系統架構

第三部分 : CW 升壓轉換器之閉迴路 PI 穩壓控制

如圖 1-4 所示， CW 升壓轉換器之輸入端接至一可變動低壓直 流電源，藉由回授控制器之輸出電壓 V

cw

L

- v

+

S

S

S

S

- v

+

D

D

a

S

S

S

S

v

v

v

v

D

D

D

D

L

i

i

+ V

-

- +

B A

V

R

- +

- +

- +

n

S _d1

S _d2

S _c1

S c2

v _c1

v c2

v _c3

v c4

D 1 D 2 D 3 D 4

L s i _L

i _r

+ V _r -

- +

B A

- v _cw + -

V _dc +

R _load - +

- +

- +

圖 1-4 CW 轉換器之閉迴路 PI 穩壓控制系統架構圖

本文之控制核心採用 Microchip 公司所生產之 PIC18F8722 數 位信號處理器，具有 10 位元 A/D 轉換器以電壓電流回授電路擷取 類比信號，可輸出脈波寬度調變（Pulse Width Modulation，縮寫為 PWM）信號來觸發功率開關元件，以及中斷功能(含中斷優先權控 制)。

1-3 內容摘要

本文分為六個章節，並包含參考文獻及附錄。

第一章 緒論 : 簡述本論文之研究動機，系統描述與研究方法，並 說明本文之內容大綱。

第二章 太陽能發電特性 : 介紹太陽能系統模組、光伏電池分類及 特性，以及最大功率點追蹤(MPPT)原理說明。

第三章 基於 Cockcroft-Walton(CW) 直流/直流升壓轉換器之控制 : 說明基於 Cockcroft - Walton(CW) 倍壓器之高升壓比直流/

直流轉換器操作模式 、電壓漣波數學模型之推導、以及 CW 轉換器應用在三種互為獨立部分的控制介紹。

第四章 硬體架構與軟體規畫 : 說明系統中所有電路元件之規格、

周邊電路與 PIC18F8722 數位控制器及程式流程之介紹。

第五章 模擬與實作量測 : 分析不同交接頻率 f

c

及 CW 轉換器結合變頻器及轉換器 PI 穩壓控制之模擬與 實測。

第六章 結論與建議 : 作為本論為最後之總結，以及對系統需要加 強改進之部分加以討論。

第二章 太陽能發電特性 2-1 獨立太陽能系統模組

圖 2-1 為獨立太陽能電力系統示意圖，太陽能模組與轉換器及 負載共地，經由轉換器做最大功率點追蹤控制，使太陽能模組輸出當 時環境條件下所能輸出之最大功率，並轉移給負載。

圖 2-1 獨立太陽能電力系統示意圖

2-2 太陽能光伏電池工作原理

太陽能光伏電池之電路特性與 p-n 接面二極體相近，如圖 2-2(a) 所示，當光量子射在 P 型半導體上時，會使被光量子所激發出之價 電子受接面電場所吸引而往 N 型半導體上移動。但由於 N 型半導體 中電洞數目很少，所以在 N 型半導體中之電洞數目復合機會並不大，

造成在 N 型 半導體上存有 P 型半導體之電子，此電子移動數目與 日照成正比，同理可知，在 N 型半導體受光照影響後會產生與 P 型 半導體一樣類似效應，使其 P 型半導體中存有來自 N 型半導體的 電洞，造成 P-N 接面二極體內部電荷不平衡，可等效成儲存電荷之電

最大功率追蹤 直流負載

日照量

太陽能板模組

池，如圖 2-2(b) 所示。當在電荷不平衡情況下，在 PN 接面二極體 之外部引線端串接負載，使其內部電荷可由外部所提供負載路徑，使 電洞往 N 型半導體移動，電子往 P 型半導體移動，直到太陽能板 內部電荷平衡[1][4]，如圖 2-2(c) 所示，但由於光持續照射，電荷不 平衡現象一直存在，使得電洞與電子一直藉由負載路徑來達到平衡得 目的，以負載觀點來看即為太陽能電池供給負載能量。

圖 2-2 太陽能光伏電池光電轉換原理

2-3 太陽能光伏電池分類

太陽能光伏電池是一種能量轉換之光電元件，經太陽光照射後，

將光能轉換成電能，太陽能光電板的種類可以依照材料來分類，其種 類及特性如表 2-1 所示[1]，一般常見是以單晶矽太陽能光伏電池與 多晶矽太陽能光伏電池最為普遍。

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P-type N-type

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P-type N-type

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P-type N-type

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---- ----

---- ----

I

+ V

-

(a) (b) (c)

表 2-1 各種太陽能光電板之比較

2-4 太陽能光電版特性

太陽能光電板主要目的是將光能轉換成電能，可將太陽能光電板 視為一 PN 接面半導體結構。等效電路如圖 2-3 所示，在圖中 I

_ph

_j

_j

sh

_s

_o

種類 理論效率 成本 應用與問題

單晶矽 19~29% 高 獨立發電、價格高 多晶矽 10~17% 中 模組效率差

Ⅲ-Ⅴ族化合物 19~32% 特高

太空發電及特殊用途價 格高

非晶矽 8~15% 低

在短時間內有效能衰退 問題

鎘碲薄膜 10~15% 高

原料取得困難 鎘有毒性

矽薄膜 13~19% 高 大量生產有困難

(2-2) 及 (2-4) 等方程式來表示：

v

V

pv

pv

s

p

^-

^-

T 為太陽能光電板表面溫度(∘K) I

rs

圖 2-3 太陽能光電板等效電路

I ph

R j I rs

D j

R sh

R s

I pv

+ V pV

-

R o

式子 (2-1) 中之逆向飽和電流 I

rs

g

-

(2-2) 其中

T

r

I

rr

r

g

-

^-

-

I

scr

r

為太陽能光電板短路電流溫度係數 S 為太陽日照量(kW/m²)

由 (2-1) 至式 (2-4) 可計算出輸出功率 P

pv

v

_{v v}

將 式子 (2-1) 帶入 (2-5) 乘開後可得 (2-6) 式

v

_v

v

_v

由上述方程式可了解太陽能光電版之特性，並可描繪出在不同日 照量與太陽能版表面溫度變化情況下，太陽能光電版輸出電壓、電流 與功率之曲線圖[1][5]。

本專題使用的太陽能光電版是寶球公司所生產的 SM-125 五片 串接式模組，在溫度 25 與太陽日照量為 1kW/m² 時，其單片太 陽能光電板電氣特性如表 2-2 所示，可由式子 (2-1)、(2-6) 繪製出 不同日照量下輸出電壓與電流及輸出電壓與功率之曲線圖，分別為圖 2-4(a) 與圖 2-4(b) 所示，以及在不同溫度下輸出電壓與電流及輸出 電壓與功率之曲線圖，分別為圖 2-5(a)與圖 2-5(b) 所示。

表 2-2 SM 125太陽能光電板電氣特性(25 、1kW/m²)

最大輸出功率(W) 125W

最大輸出功率之額定電流(A) 7.2A 最大輸出功率之額定電壓(V) 17.26V

輸出短路電流(A) 8.136A

輸出開路電壓(V) 22.6V

短路電流溫度係數(mA/∘C) 2.5mA/

圖 2-4(a) 不同照度下之 I-V 曲線圖

圖 2-4(b) 不同照度下之 P-V 曲線圖

圖 2-5(b) 不同溫度下之 P-V 曲線圖

圖 2-5(a) 不同溫度下之 I-V 曲線圖

2-5 太陽能最大功率點追蹤(MPPT)之擾動觀察法介紹

Maximum Power Point Tracking（MPPT）最大功率點追蹤，一般 常見追蹤控制策略有電壓回授法、功率回授法、擾動觀察法、增量電 導法、直線近似法等控制策略，來完成最大功率點追蹤目的，以上幾 種最大功率點追蹤法，其基本概念是相同的。皆是利用太陽能光電板 輸出電壓與電流，或是兩者都使用下來做最大功率點追蹤法策略程序，

主要差別在於最大功率點的判斷與實現不同[1][2]，以下就本文所選 之擾動觀察法來做說明。

擾動觀察法，其方塊圖如 2-6 [1]所示，首先回授太陽能光電板 之輸出電壓 V

pv

pv

c

pv

c

圖 2-6 擾動觀察法方塊圖

圖 2-7 最大功率轉移示意圖

如圖 (2-8) 所示，基本動作原理藉著週期性增加或減少負載的大 小，以改變太陽能板的輸出電壓 V

pv

pv

pv

pv

也就是增加開關責任週期 D ；反之若負載變動為增加，但輸出的功 率卻比變動前來的小，則需往反方向移動，也就是減少負載，如此反

系統電路

I _pv

Z _pv Z _c

+

V _pv

-

控制器 太陽能 轉換器

光電板 負載

Ipv

擾動觀察法 控制策略

覆地擾動、觀察及比較，使太陽能光電板能輸出達到最大功率點。

當追蹤到最大功率點附近時，擾動之動作將不會停止，而會在最 大功率點上來回震盪，因而降低能量損失而降低太陽能光電板之效率，

當大氣環境變化緩慢時，能量耗損的情況更加嚴重，此為擾動觀察法 最大之缺點[1][2]，雖然可以縮小每次擾動的變化量，可降低在最大 功率點上擾動之能量損失，但是當日照亮或溫度大幅變化時，會造成 追至最大功率點之速度變為緩慢，因此擾動量的取捨是擾動觀察法的

圖 2-8 擾動示意曲線圖

High Duty Cycle Low Duty Cycle 電壓(V _pv )

功率(P _pv ) 最大功率點

(MPP)

責任週期 D 減少

責任週期

D 增加

第三章 基於 Cockcroft-Walton 升壓轉換器之控制 3-1 Cockcroft-Walton(CW) 倍壓器架構介紹

本專題主要研製一具有高升壓比之直流/直流升壓轉換器，並用 Cockcroft-Walton(CW) 倍壓電路來取代升壓變壓器，基於 CW 之高 升壓比來改善太陽能模組之低電壓輸出的特性，因此本文提出之電路 架構無需使用升壓變壓器即可得到高電壓輸出，並也改善傳統升壓轉 換器因電感等效串聯電阻等非理想特性元件，所造成之輸出電壓劇降，

而導致無法提供高升壓比之特性[3]，由於全球原油持續的消耗及價 格不斷的上漲，衍生之替代能源廣為興起，然而此類能源大多屬於低 電壓的型態，如太陽能電池等，為有效利用此類能源，高電壓增益之 轉換器為本文發展之重點核心，高電壓直流電源供應器可應用於許多 場合，如工業、軍用、醫界等等，又例如靜電除塵即是一很好的例子，

電壓越高其除塵效果越佳。理論上，傳統式升壓直流轉換器在開關責 任週期接近為 1 時，可提供接近無限大之電壓增益，實際上由於元件 之非理想特性，如圖 3-1 中電感之等效串聯電阻 rL，使得高責任週 期下之電壓增益受到限制。

+ V

1

-

L

1

+ C -

+ V

o

- R

o

r

L

S

₁

圖 3-1 非理想之升壓式轉換器

圖 3-2 所示為一 Cockcroft-Walton(CW) 倍壓電路，常被用於 高壓直流設備中，理論上一 N/2 階之 CW 倍壓電路輸出直流電壓為 輸入電源電壓 V

r

v c1

v c2

v c3

v _c4 D ₁ D ₂ D ₃ D ₄

v cN

D _(N-1) D _N

R _load

+

V _r

-

- +

第一階 第二階 第

/2 階

-

v o +

- +

- +

- +

- +

- + v c(N-1)

圖 3-2 N/2 階之 CW 倍壓電路

由於傳統 CW 倍壓電路之輸入電源頻率為市電電源頻率 50 或 60 Hz，因此輸出電壓漣波大，為改善此現象，本文提出之轉換器可 產生一交替頻率電源供給 CW 倍壓電路，如圖 3-2 之 V

r

r

3-2 基於 CW 轉換器之操作模式

本文提出一具有高升壓比之直流/直流轉換器是基於 Cockcroft – Walton(CW) 倍壓器之高升壓比特性，因此，本文所提出之電路架構 可改善傳統升壓轉換器因電路元件之非理想特性，所造成的輸出電壓 劇降，而導致無法提供高升壓比之性，在 5-3 節中有本文提出之電 路架構與傳統直流升壓轉換器做升壓比之比較，本文提出之電路架構 如圖 3-3 所示。

Sd1

S_d2

Sc1

Sc2

vc1

v_c2

D1 D2 D(N-1) DN

Ls iL

ir

+

-

- +

B

- v

+

Rload

- +

- +

- +

VcN

圖 3-3 基於 CW 倍壓器之高升壓比直流/直流轉換器

其電路架構包含一個直流電壓源、一個升壓電感、四個功率開關 ( IGBT 型號為 IXGH24N60CD1 ) 接成 H 橋的架構，及 N/2 階的 CW 倍壓電路(每一階是由兩個二極體及兩個電容所組成，其中功率 開關 S

c1

c2

c

c

d1

d2

d

d1

d2

以下的理想情況是被假設的 :

(1) 全部的元件皆為理想(無損失)。

(2) 全部的電容值足夠大，使得穩態下之電容電壓為一固定值 。 (3) 電路是操作於連續電流模式下 。

(4) CW 倍壓電路之任一時間下，只有一個二極體為導通，當 V

r

圖 3-4 電路架構之主要波形 (責任週期 D = 0.6 )

圖 3-5 模式一 S

_c1

t S

c2

S

_d1

S

d2

V

AB

i

L

t

₀

₁

₂

₃

₄

t

t

t

t

t

S

S

S

S

L

i

i

+ V

- B A

-

V

v

v

D

D

D

D

- +

- v

+ R

- +

- +

- + V

V

圖 3-6 模式二

圖 3-7 模式三

圖 3-8 模式四

S

S

S

S

L

i

i

+ V

- B A

-

V

v

v

D

D

D

D

- +

- v

+ R

- +

- +

- + V

V

S

S

S

S

L

i

i

+ V

- B A

-

V

v

v

D

D

D

D

- +

- v

+ R

- +

- +

- + V

V

S

S

S

S

L

i

i

+ V

- B A

-

V

v

v

D

D

D

D

- +

- v

+ R

- +

- +

- + V

V

上圖 3-4 為本文所提出電路架構之主要波形，其操作模式可分 為四部分，如圖 3-5 ~ 3-8 所示，其操作模式說明如下 :

(a) 模式一 :

在圖 3-4 中時段區間為 t0 到 t1 ，當功率開關 S

d1

c1

此操作模式為模式一狀態，其電路導通圖如圖 3-5 所示， 此時電感 為儲能之狀態，其電感電流方程式可表示為

(3-2) i

L

L

on

(b) 模式二 :

在圖 3-4 中時段區間為 t1 到 t2 ，當功率開關 S

d2

c1

^-

-

(3-4)

i

L

L

off

AB

r

v

(3-5) 假設當二極體 D

2

r

c2

c1

m

4

r

c4

c2

c3

c1

m

^-

(c) 模式三 :

在圖 3-4 中時段區間為 t2 到 t3 ，當功率開關 S

d2

c2

極體會被連續的電感電流迫使導通；而模式三則是將 CW 倍壓電路 操作於負半週導通的模式，也就是奇數二極體會被連續的電感電流迫 使導通[3]。

(d) 模式四 :

在圖 3-4 中時段區間為 t3 到 t4 ，當功率開關 S

d1

c2

如圖 3-4 中時段區間 t3 到 t4 所示，模式二與模式四的差別與模式 一與模式三的差別相同，其模式二是將 CW 倍壓電路操作於正半週 導通的模式，而模式四則是操作於負半週導通的模式。藉由上述電路 操作模式的說明，可知本文所提出之電路架構的操作類似於傳統升壓 式轉換器 (boost converter)，其差別僅在於本文所提出之電路架構能 產生一交替可變頻率的電源供給 CW 倍壓電路，其交替的頻率是由 功率開關 S

c1

c2

c1

c2

in

AB

^-

-

d1

d2

其中 T

d

d1

d2

on

d

在一個 N/2 階的 CW 倍壓電路中，其 CW 倍壓電路之輸出電壓為 輸入端電壓的 N 倍，因此系統電路之輸出電壓 V

o

in

的電壓比可表示為

-

3-3 基於 CW 轉換器之輸出電壓漣波數學模型

目前倍壓電路之輸出電壓漣波分析，大致都是使用電壓源型式，

僅少數分析討論是用電流源的型式，但為了簡化 CW 倍壓電路之輸 出電壓漣波分析，本文採用電流源型式的分析方法，且為了簡化分析 的複雜度，本文利用三階的 CW 倍壓電路，來做輸出電壓漣波大小 之說明及推導。除此之外，由於功率開關 S

d1

d2

d

c1

c2

c

f

c

如圖 3-9 所示，為一個方波輸入電流源之三階 CW 倍壓電路。

於穩態的情況下，若方波電流源之正半週與負半週交替能量是相等的，

則可容易的判斷出二極體的導通狀態，其導通狀態如圖 3-10 所示。

D ₁ D ₂ D ₃ D ₄

+

v _r

_

i _r

D 5 D 6

i c2 i c4 i _c6

R load

i o

- v _o +

- +

- +

- +

- +

- +

- + v _c1

v _c2

v _c3

v _c4

v _c5

v _c6

圖 3-9 輸入方波電流源之三階 CW 倍壓電路

D 6

t

₁

₂

₃

₄

₅

₆

T

_c

_c

T

_c

_r

I ^m

-

^{I m}

0

D 4 D 2 D 5 D 3 D 1

圖 3-10 輸入方波電流源之與二極體導通關係