第一章 緒論

第一章 緒論

1-1 研究背景與動機

近年來，由於能源的缺乏及石化能源價格的高漲，如何提高電能 輸送及使用效率乃成為電能轉換設備共同追求的目標。而達到節能最 好的方式就是提高電器產品的功率因數與效率。

在功因改善方面，有主動功因改善電路與被動功因改善電路兩 種。由於被動式電路其體積大、重量重，因此較不受歡迎；主動式功 因改善方式體積小、重量輕，已成為現今電源產品的主流。其中兩級 串聯式功率因數改善(Power Factor Correction, PFC)電路架構具有兩個 開關，包含兩個能量轉換的過程。第一級功能為功率因數改善，藉由 適當的電路控制方式讓輸入電流波形與輸入電壓波形同相位且成比 例。第二級為直流電力轉換器則用來穩定輸出電壓。這種兩級的架構 電路雖具有高功率因數，輸入電流無高次諧波，且能調節輸出電壓等 優點，但缺點是電路所使用元件較多、成本較高、功率密度低和損耗 較大。因此在中低功率應用上，不具經濟效益。於是將功因改善電路 與直流電力轉換器功能合而為單級隔離型電源轉換器就應運而生。單

級隔離型電源轉換器雖然有著低成本和低功率應用上的吸引力，但效 率低，且為了控制儲能電容電壓，電路結構複雜。

針對這些問題，本文乃以 boost-flyback 功因改善電路及直接能量 轉換器為基礎，發展高功因及高效率之轉換器，並進行相關之模擬及 實作。

1-2 國內外相關研究概況

電路主要包括兩級串聯式、並聯路徑式和單級隔離式三大類。兩級串 聯型式在功因改善電路後串接一級直流轉換器以降低輸入電壓，提供 一穩定的電壓給負載使用。其前級多為昇壓式或昇降壓式結構[1-6]，

藉由使用兩個獨立控制器和完整的功率級，提高功率因數和穩定輸出 電壓。其缺點是成本比較高，體積較大，在低功率的應用上較不具吸 引力。

為解決此問題，文獻 7 至文獻 11 提出單級隔離型式之電路架構，

將功率因數改善電路與直流對直流電力轉換器整合為一功率級。單級 隔離型式之電源轉換器，依電路結構又可區分為開關共用式(Switch

sharing)與磁性開關式(Magnetic switch)兩大類[7-11]。共用開關式將輸 入電感電流操作在不連續導通模式下，以獲得電路本身固有之高功率 因數特性[12-13]，因而無需額外設計控制電路來改善電路之功率因 數。但當輸入電感操作在連續導通模式時，功率因數改善能力會明顯 的降低。此外，在連續導通模式下，因整流後的輸入電壓與負載大小 無關，負載越輕，累積在儲能電容器上的不平衡能量就越多，導致電 容上的電壓應力變大，必須提高元件耐壓的要求。

為了讓直流對直流轉換電路能操作在連續導通模式下，且有效的 控制儲能電容器上之電壓應力，磁性開關式因而被提出[14]。這類電路 利用變壓器之一輔助繞組作為磁性開關，用以減少跨在儲能電容兩端 之高電壓應力。此法缺點是輸入電流有死區(dead band)的存在，而使功 率因數值下降。其死區的大小由輔助繞組與電路主變壓器間的匝數比 而定。匝數比越小儲能電容器兩端之電壓越小，但相對的功率因數值 會越低，因而無法達到單位功因的需求[15-16]。另外，單級隔離型電 源轉換器在低功率應用上雖然有低成本的吸引力，但效率低。而且為 了控制儲能電容電壓，整體電路結構較為複雜[17-19]。

單級與兩級架構之轉換器，都先藉由功因改善電路，將交流輸入 轉換成脈動直流，並將電能儲存在中間的儲能電容中。再藉由直流對 直流轉換器傳送給輸出負載。如此雙重電源轉換處理過程，導致轉換 效率低。針對這個缺點，近幾年來已有許多改善能量處理路徑的方法 被提出來。在這些方法中，電能只被處理一次，因此稱為直接能量轉 換( direct power transfer, DPT ) [20-39]。其中文獻 20 至文獻 25 所提出 之並聯功率因數改善方法因電路結構複雜實用性不高。文獻 26 至文獻

31 提出減少多餘能量處理過程的方法，將整體電路分為主轉換器和輔 助轉換器。主轉換器為功因改善電路，輸入端直接連接於交流線路上，

輸出直接接於負載；輔助轉換器採用降壓型和昇降壓型兩種架構。其 缺點是主轉換器與輔助轉換器需要兩個不同控制系統。文獻 32 至文獻

39 提出一簡易架構實現 DPT，其中只使用一耦合電感與二極體達成功 率因數改善功能，不僅減少電路的複雜度，同時也具有降低儲能電容 器電壓之功用。文獻 32 至文獻 38 中之轉換器架構採用單級單開關，

當開關導通時，功因改善電路之電感電流，與直流對直流轉換器之變 壓器電感電流，同時流過同一顆開關，使開關導通損失增加，而降低 效率。同時開關之電流應力也較大。針對此問題，文獻 39 提出解決方

案，但其電路架構會造成輸入電流死區之產生，因而降低功率因數值，

並使儲能電容電壓上升，開關電壓應力增加。

為解決上述問題，本文使用 boost-flyback 功因改善電路及直接能 量轉換方式，將一部分的輸入能量直接傳遞給負載達到提高系統整體 效率之功用。第二級為順向式轉換器，用來穩定輸出電壓。在電路實 現方面，使用單一顆 PWM 控制元件，並提出雙開關法，以提升整體 轉換器效率，所獲得成果及貢獻如下所述。

1-3 研究貢獻

本文所提之前述轉換器架構，經由電路特性分析、模擬與實驗，

證明其輸入電流波形可以緊密追隨輸入電壓波形，功率因數值高達

0.99。此外，在交流輸入電壓 110V 之下，也能將儲能電容器電壓有效 的降低至 280V，比起傳統 400V 低許多。在整體轉換器效率方面，滿 載時高達 82%，比起單開關架構之效率來的高。同時，探討輸出電壓 調整特性，結果顯示輸入電壓為 110V 時，輸出由 12.34V 降至滿載的 12.29V，電壓調整率在 1%範圍之內。由此證明本文所提轉換器的電路 特性良好。

1-4 論文架構

本論文內容共分為六個章節，各章節要點如下：

第一章 緒論：提出本文之研究背景與動機，並針對國內外與 改善功因及提高整體轉換器效率之電路和作法加以分 類及介紹。

第二章 切換式電源供應器：針對本文所使用之轉換器結構與工作原 理加以說明。

第三章 轉換器功率因數及效率之提升：說明功率因數之定義和本文 所使用之功因改善電路及控制方法加以描述，接著再提出提 升整體轉換器效率之方法。

第四章 轉換器電路設計、模擬與試驗：介紹電路元件之設計與所建 立之轉換器雛型，並經模擬與試驗結果作比較及探討。

第五章 結論與未來展望：提出本文所實現之高功因高效率 boost- flyback 與順向混合式轉換器綜合成果與心得，並針對本研究 不足之處提出未來研究方向。