行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
總計畫(1/2)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC92-2213-E-011-093-
執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 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
計畫參與人員： 粱從主教授、莫清賢教授、邱煌仁教授
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 93 年 5 月 27 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫期中進度報告
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
整合型計畫計畫編號：NSC 92－2213－E－011－093－
執行期間： 92 年 08 月 01 日 至 93 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、邱煌仁教授
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：
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 93 年 5 月 31 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四 項子計畫：(1) 網路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，(5)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。第二年計畫在於 完成單一模組 3KW 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。
Abstract：
The major topic in our integrated project is to realize a high-efficient high -power
subprojects including main power module, charger 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 three sub-projects are conducted by following the system control strategies based on the SMR requirements. The second year’s achievement includes single power module of 3KW, battery charge strategy, internet remote monitoring and control strategy, emergency-lighting system, and power factor corrector of 3KW, 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.
Keywords: Switching-mode rectifier (SMR), Power module, EMI, Power factor corrector, Charger system, Emergency-lighting system
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,
行政院國家科學委員會專題研究計畫期中進度報告
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：92 年 8 月 1 日至 93 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
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(5)：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
在第二年的計畫執行期間，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」，本年度子計畫主要係以整合型計畫所 實現3kW電信電源模組為對象，設計合適
介面，建立了一套以個人電腦為基礎之自 動化雜訊量測與濾波器設計系統。且開發 一種濾波器效能預估功能，不僅能夠節省 元件焊接、試誤過程所浪費的人力與時間 成本，並具備操控簡單、易懂易學的特性，
挾電腦高速的運算能力及友善的人機介 面，可大幅簡化雜訊抑制流程。
關鍵字：電信電源、電磁干擾、LabVIEW
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。計畫第二 階段乃在解決第一年度已完成之功因修正 模組化設計所產生之傳導性電磁干擾。
為解決 EMI 濾波器與功因修正電路 前端的低通被動濾波電路交互作用的問 題，有效的方法是將畫將兩個濾波器整合 設計，同時抑制電磁干擾，並維持功因修 正電路既有的效能；此外，還能精簡電路 結構，並減少電路元件。
本計畫以連續直交表作為輔助設計 的工具，訂定簡易有效的搜尋指標，加快 收斂的速度，並設計驗證實驗來檢驗其特 性。至目前為止，本計畫已針對 200VA 單 一模組設計完成的整合濾波電路，能確實 達成功因修正的規範要求，並符合 EMI 的測試標準。
子計畫(3)為「模組化電池充電及備用 供電系統之研究」，本年度完成雙向降-升 壓式(Buck-Boost)電源模組的並聯，此並聯 系統採用一電壓源與多組電流源並聯方 式，其中一電壓源模組設定為主電源，負 責控制系統輸出電壓，而其它電源模組則 為 Slave，操做成電流源的型式，負責提供 系統所需之電流。最後實際完成三組雙向 降-升壓式電源模組並聯系統雛型，經由實 驗結果證明其功能均符合需求。
關鍵字:並聯
第二年的研究重點在於發展電信電源系統 的主電源轉換器部份。主電源轉換器是以 零電壓切換脈波寛度調變(ZVS-PWM)轉 換技術結合全橋轉換器做為電源模組的設 計架構。第二年以 3KW DC/DC 電源模組 作為研製目標，本子計畫目前己達成 3KW 電源模組組態 3KW 的電路設計，並欲實 際製作一部 3KW 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。
四、結果與討論
本總計畫在第二年之執行上已有初步 成果，各子計畫均按照計畫朝目標研究，。
藉由各子計畫的成果推展，應可提起產業 對本研究的興趣，提昇國內產業的自我研 發能力，培訓高級電力電子人才，並逐年 降低對國外技術之依賴。在橫向的連結 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
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
