南台科技大学电力电子研究室S707

SouthernTaiwanUniversityDepartmentofElectricalEngineering高頻高壓交流脈衝供電系統之研製DevelopmentofaHigh-FrequencyHigh-VoltagePulsePowerSupplySystem指導教授：蔡明村博士研究生：柯智偉南台科技大學電力電子研究室S70722019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707大綱•摘要•研究動機與目的•負載簡介•功率因數校正•柔性切換技術概述•全橋式零電壓轉換器•控制方法•實驗結果•結論南台科技大學電力電子研究室S70732019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707摘要本文研究高頻高壓交流脈衝供電系統的功率控制方法，主要應用在介質放電與電暈放電等氣體放電的應用上。本文所提出之系統架構其前級是由主動式功因修正器，藉由昇壓式交流到直流轉換器產生穩定直流電壓後再經由後級全橋相移式零電壓轉換器產生所需要高頻電壓，並且藉由相移脈波寬度調變與脈波密度調變兩種方法來控制。南台科技大學電力電子研究室S70742019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707研究動機與目的高頻高壓脈衝電源經近三十年來迅速發展，已逐漸形成一門獨立的新興技術領域，此種電源已被大量使用在半導體工業、封裝產業、印刷電路板工業及LCD產業的製程中；另一方面也被大量使用在和空氣、水污染防治與環保相關之廢棄物處理問題上。原則上脈衝電壓的值是依兩電極間之間距而定，根據各種材料性質與大小，而獨立的加以調整輸出所需之功率，以提高產品之效率。早期由於功率半導體技術的限制，這類設備所需的高壓交流脈衝電源設備，不僅體積大、重量重且效率不佳。南台科技大學電力電子研究室S70752019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707負載簡介介電質放電（DielectricBarrierDischarge,DBD）介電質放電又稱為無聲放電(SilentDischarge)或流光放電(StreamerDischarge)，它同時具有輝光放電的大體積的激發及電暈放電之高操作壓力的優點，介電質放電主要由內、外兩個電極及介電質所構成，其中介電質位於兩電極之間。在兩電極中置入高介電強度之介電質，如玻璃、石英、陶瓷等，並於兩電極間加上高電壓產生放電。南台科技大學電力電子研究室S70762019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707負載簡介介電質放電意示圖微放電HV：高壓交流電HV內電極介電質外電極南台科技大學電力電子研究室S70772019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707負載簡介介電質放電等效電路gCZVdC南台科技大學電力電子研究室S70782019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707負載簡介介電質放電的負載特性是一個非線性損耗的電容，並空氣間隙的損失的能量進入介電質放電中，此介電質放電所消耗的能量可表示為如下所示：由上式(1)介電質放電反應器的實際消耗的能量可表示為下所示：)1()()()()(W00TTtdqtvdttitv)2(fWTWP南台科技大學電力電子研究室S70792019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707負載簡介介電質放電量測外部電荷的變化並要串聯一個電容Ci，所構成電源供應器之負載，高壓隔離探棒，量測負載輸出電壓V(t)，另一探棒並量測電容Ci之跨壓，由於外部電荷Q(t)與電容Ci之跨壓關係為：)3()()(teCtQci負載電壓與電荷量測法dCgCZV)(tViC)(tQ)(tec南台科技大學電力電子研究室S707102019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707負載簡介介電質放電所消耗的功率並以李塞育圖(LissajousFigure)Q-V曲線中表示，電壓與電荷曲線所包圍之面積來表示，使得電容的介電質電極在放電週期時可由Q-V曲線中線段斜率分別為介電質放電特性分析)(tV)(tQbvmVmQfe1m放電區域放電區域2m未放電區域未放電區域ABCD)4(1dCm)5(//2gdgdgdCCCCCCm南台科技大學電力電子研究室S707112019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707負載簡介介電質放電的能量W為李塞育Q-V曲線區域所包圍面積，可表示為下所示：)6()]([4ggdfmdfCCCeVCeW如(6)式代入(2)式，可得知介電質放電的反應器中實際消耗功率相對應的P可表示為下所示：)7()]([4ggdfmdfCCCeVCfeP南台科技大學電力電子研究室S707122019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707功率因數校正功率因數修正器主要的作用就是讓輸入端的電壓和電流同相位，若依使用的元件來分類，可分為被動式功率因數修正器和主動式功率因數修正器。由於被動式功率因數修正器主要組成元件是電阻、電容、電感、變壓器等元件，此類功因修正器電路有著結構簡單和低成本優點，而被動式功率因數修正器的體積都相當大且笨重，且其功因值最好的情況下只能到達70%而已，在較嚴格的功因要求規範下並不適用，所以本文選用主動式功率因數修正器來作功因的修正。南台科技大學電力電子研究室S707132019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707功率因數校正主動式功率因數修正器常用的控制模式有二種：峰值電流控制法和平均電流控制法。峰值電流控制法利用電感電流的峰值追隨正弦命令電流，其優點為控制電路具有限流功能，電流控制迴路設計簡單。缺點在於電感電流的平均值於零交越點附近會有零交越失真的現象，需要斜率補償。電流誤差會愈來愈大，這個現象也會造成電流諧波量增加，導致功因值降低。這種控制法不適用於高性能的主動式功因修正器。平均電流模式的優點則是在電路上再外加一個由放大器電路構成的回授電路，也因此輸入電流將會以微小的誤差量追隨電流命令而變化，所以選擇以平均電流來作為控制的模式。平均電流模式具有控制輸入電流與穩定輸出電壓值的目的，可以準確地維持輸入電流正弦波形，且無需斜率補償。南台科技大學電力電子研究室S707142019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707柔性切換技術概述當開關元件在主電路中作切換時，若是使用傳統硬切的方式切換，在開關截止的瞬間，它的電壓與電流產生交越而產生一電壓的突波，其值會超過正常的輸入電壓值，此突波會增加開關元件的電壓應力，當開關導通的瞬間，由於開關上電流受到寄生二極體反向回復的影響，電流會快速上升而產生一電流的突波，此電流突波會造成開關元件的電流應力，如下圖所示。截止導通inIinVDSVDSI南台科技大學電力電子研究室S707152019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707柔性切換技術概述近幾年柔性切換技術逐漸取代傳統硬式切換，柔性切換技術可分為零電流切換(ZCS)及零電壓切換(ZVS)兩種方式。1.零電流切換(ZCS)：當開關截止時，其開關上的電流必須維持在零電流截止的狀態，而開關截止時的電流才不會與開關的跨壓產生交越損失，而使整轉換器效率提昇。2.零電壓切換(ZVS)：當開關導通時，其開關上的電壓必須維持在零電壓截止的狀態，而開關導通時開關的跨壓才不會產突波而產生導通損失。南台科技大學電力電子研究室S707162019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707柔性切換技術概述經過柔性切換後，由下圖我們可以看到開關上的電壓及電流並未重疊，因此能將切換損失降到最低。DSIinIinVDSV截止導通南台科技大學電力電子研究室S707172019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707零電壓轉換器全橋相移式零電壓切換轉換器之主電路架構AQBQCQDQRL+-ABVQADQDDQBDQCDQACQDCQCCQBCINVRiAB+PVSPNN:-gCZVdC南台科技大學電力電子研究室S707182019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707零電壓轉換器-動作原理控制開關時序圖及一次側的電壓、電流波形圖abVRiAQBQCQDQ0t1t2t3t4t5tabVRit南台科技大學電力電子研究室S707192019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707零電壓轉換器-動作原理)(10ttt能量箝制狀態AQBQCQDQRL+-ABVQADQDDQBDQCDQACQDCQCCQBCINVRiAB+PVSPNN:-gCZVdC南台科技大學電力電子研究室S707202019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707零電壓轉換器-動作原理)(21ttt第一次諧振狀態AQBQCQDQRL+-ABVQADQDDQBDQCDQACQDCQCCQBCINVRiAB+PVSPNN:-gCZVdC南台科技大學電力電子研究室S707212019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707零電壓轉換器-動作原理)(32ttt能量保持狀態AQBQCQDQRL+-ABVQADQDDQBDQCDQACQDCQCCQBCINVRiAB+PVSPNN:-gCZVdC南台科技大學電力電子研究室S707222019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707零電壓轉換器-動作原理)(43ttt第二次諧振狀態AQBQCQDQRL+-ABVQADQDDQBDQCDQACQDCQCCQBCINVRiAB+PVSPNN:-gCZVdC南台科技大學電力電子研究室S707232019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707零電壓轉換器-動作原理)(54ttt轉向狀態AQBQCQDQRL+-ABVQADQDDQBDQCDQACQDCQCCQBCINVRiAB+PVSPNN:-gCZVdC南台科技大學電力電子研究室S707242019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707控制方法相移式脈波寬調變方式(PhaseShiftPWM)開關的驅動信號以180度互補，且驅動信號間相差一個相位，也就是所謂的相移角度。四個開關訊號的導通與截止週期都相同，且每個責任週期為50％，當對角的開關訊號導通週期互相交疊時，變壓器一次側才會有電壓而把能量感應到二次側。由於QA與QD或QB與QC需同時導通才能傳送能量至二次測，VP之輸出脈波寬度的大小取決QA與QC之相位差，當QA與QC之相位差愈大，則之脈波寬度愈窄，且輸出功率愈小，則傳送能量也愈小，所以利用相移調變方式來控制開關交疊時間長短就能達到輸出側電壓穩定。南台科技大學電力電子研究室S707252019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707控制方法AQBQCQDQ1tttttttpVtDAQQ,CBQQ,AQBQCQDQ2tttttttpVDAQQ,CBQQ,t全橋相移式轉換器之開關與變壓器電壓動作訊號南台科技大學電力電子研究室S707262019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707控制方法脈波密度調變方式(PulseDensityModulation)負載功率之控制方法，其主要以相移脈波寬度調變來控制負載上的消耗功率，在負載上的消耗功率且能控制在低功率，因此加入脈波密度調變(PulseDensityModulation)的技術來控制負載上的消耗功率能達到在低功率的方法，因此在脈波密度調變控制則是以PIC18F4220晶片來製作。南台科技大學電力電子研究室S707272019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707控制方法控制方法流程圖切換信號驅動信號信號OutA全橋式轉換器隔離驅動電路3895UCC同步訊號邏輯閘合成PIC18F4220控制責任週期輸出信號PIC南台科技大學電力電子研究室S707282019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707控制方法脈波密度調變控制方法採用PIC18F4220晶片並以類比電路以電壓控制方法達成。脈波密度調變控制是為40個責任週期為一個週期，並且以電壓來決定PIC輸出信號的脈波寬度。+12V+12V-12VAN0/PIN2南台科技大學電力電子研究室S707292019/8/3南台科技大學電力電子研究室S707控制方法3895PWMPICOUTPDMPDM3895PWMPICOUTTPeriodonTPeriodoffTPDM389