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1、1,電力轉換器的原理及產品特性,By:QA Morison Wang May 2007Rev:01,2,內容：一、電的基本特性二、電力傳輸三、電力轉換的型式四、各種電力轉換器的原理及特性五、切換式電源穩壓器與線性電源穩壓器的 比較,3,一、電的基本特性電可分為直流電與交流電兩種.直流電:指是兩電極只有一方為正電位，而另一方為負電位，電流的方向是由正電位單向流往負電位，在自然界中所產生的電（如靜電、雷電等）幾乎都是屬於直流電.交流電則是兩個電極的電壓極性互相交替，電流方向也互相交替，它是由於磁電互換，切割永久磁鐵的磁力線所產生.由於電流的傳輸與電位高低和傳輸阻抗的大小成線性的關係（電壓（）電流（
2、）阻抗（），歐姆定律）透過特殊儀器（如示波器），我們可清楚看到電壓的波形.,4,圖一（）為理想的直流電源，電功率（）電壓（）電流（）圖一（）、圖一（）雖然表面上看起來電壓大小並非固定，但其波幅（Amplitude）並未跨越0 點，因此可視為在理想的直流電源上加載交流訊號，而形成脈動直流電，其本質仍屬於直流電.,5,圖二為我們常見的幾種交流電的波形，圖二（）弦波為家用電源的波形，圖二（）為方波，圖二（）為三角波，圖（）為鋸齒波，而不管交流電的波形為何，其頻率（1）並不會隨著時間而改變，波幅（Vp）極性則隨著時間而交替變化。,6,二、電力傳輸 自然界所產生的電力，由於尚無法有效掌控其電壓和能量大小
3、，因此目前人類所依賴的電力，大多利用核能、火力、風力和水力等方式帶動交流發電機來產生電力，由於設立發電廠所需的環境及條件因素，所有發電廠均設於偏遠地區，遠離用電多的地方，因此便產生電力的傳輸問題。由歐姆定律知，導線兩端的電壓降與導線電阻和流經導線的電流成正比，因此在長距離電力傳輸時，為降低傳輸線的功率消耗提高輸電能力，必須以提高傳輸電壓方式來降低傳導電流，在用戶附近再依用電需要逐段降低電壓，供下游使用。,7,電力傳輸簡圖,其中由開關場到二次變電所部分便是屬於輸配電系統部分。,8,三、電力轉換的形式 當兩個線圈被固定在同一個磁芯時(如圖四),由於線圈的互感作用，在次級線圈兩端可以有效感應施加在初
4、級線圈的交流電源能量.利用此種原理製成的變壓器，在電力輸配電系統的應用下即是占地數坪到數十坪的變電站，經常被使用於電力的轉換過程中，使得發電廠所產生的電力經過輸配電系統，不管經過幾次的升壓和降壓，最後送到一般用戶端的電壓僅有AC 100240 伏特。,9,10,11,根據應用上的需要,電源轉換的方式下粗略可分為下列四種型式:1.交流電轉交流電（）2.交流電轉直流電（）3.直流電轉直流電（）4.直流電轉交流電（）,12,四、各種電力轉換器的原理及產品特性4.1/轉換器的原理及主要產品特性/的轉換電路大約可分為兩類，其中最常見的是將 AC 先轉成 DC再由 DC 轉至 AC.如圖五所示,特點:a.
5、經過了兩個轉換程序,效率較差.若兩個轉換器的轉換效率各為和2，則總效率T=12，而因為1和2都小於1，所以總效率T必小於1和2.b.電路結構較為簡單,13,例:圖六為日光燈用的電子安定器的電路簡圖,圖的前半段是由橋式整流子和濾波電容所組成之最簡單的轉換器電路,而後半段則是由兩個高壓MOSFET 所組成的半橋式轉換器,藉由控制電路使兩個高壓MOSFET在不同時間點切換,便可將DC 轉換為AC 電源來驅動日光燈管，這是極為常見的轉換器形式。,14,一個優質的電子安定器必須要有下列幾個特點：1.發揮燈管的特色，提高光通量之輸出。2.可以延長燈管的壽命。3.當電力供應系統或者燈管發生異常現象，不會傷害
6、電子安定器。4.電子安定器因為使用高頻點燈，必須不會對其他電子儀器設備造成干擾或被其干擾的情形。5.符合國內或者國際各種安全規範之要求。,15,另一種轉換器是將電壓轉換成不同頻率或振幅的電壓.特點:a.直接轉換,具有高轉換效率的優點.b.但是它的控制流程較為複雜，,16,圖七是降壓型變頻器的簡圖，它是藉由控制電路來操作14 等電子開關的動作，藉由14 開關的啟動順序來掌握流過電感上的電流iL(t)，以得到降壓後的交流變頻輸出，而其控制的程序至少有數十種以上，甚至目前仍有其他控制程序繼續在研發當中，此外尚有其他如升壓型和各種變載的轉換器電路等,17,市售變頻器應具有下列特點：1.穩壓範圍大，可能
7、輸入額定電壓值15%30%或更高。2.穩壓準度高，穩壓後電壓輸出誤差值越小越好，儘可能小於1%以下。3.超載能力強，最好有容許150%以上之瞬超載，而不會造成太大的電壓降。4.反應時間要快，電壓穩壓之速度最好小於0.1 秒。5.高輸出效率，從空載到滿載之輸出率皆可高達95%以上6.可用單體模組化設計，使更換零組件容易。,18,4.2 轉換器的原理及產品特性 電源供應器是屬於的轉換設備,依其電路結構的不同,可分為線性式電源供應器和交換式電源供應器兩種.簡單的線性式電源供應器是由變壓器、二極體整流器和電容濾波器所組成（如圖八）,其優點是:電路簡單、穩定度高、暫態響應快、可靠度高、漣波小、電磁干擾小
8、、成本低廉，其缺點是:體積大且重量重,一般都無法直接安裝在電路板上，轉換效率低（約 3050）、不可做直流輸入。,19,為克服線性式電源供應器的種種缺點所發展出的切換式電源供應器，其特點是:效率高、空載時耗電小、重量輕、可做直流輸入;其缺點是:電路較線性式電源供應器複雜、漣波比較大、電磁干擾也大.,20,圖九為目前最普遍被使用的切換式電源供應器電路簡圖,只需要控制1 電子開關的導通與否，即可得到電壓的輸出，而且變壓器的初級圈具有變壓和電感的雙重功能，藉由MOSFET 的開關作用將儲存於在變壓器的能量傳遞給次級側，再藉由電容的充電保持功能來得到直流電壓Vo，此外藉由改變變壓器初、次級的圈數，就可
9、以得到想要的電源。,21,4.3 轉換器的原理 常見的轉換器有降壓型（Buck）和升壓型（Boost）兩種，其電路架構分別如圖十和圖十一所示。其中以降壓型比較常被使用，而低功率的升降壓型 IC 以電腦的主機板的使用量最大，近年來手機及 PDA 的電源轉換部分使用量亦逐漸增加。不論是降壓型或升壓型轉換器主要都是藉由 MOSFET 的導通週期的大小來控制輸出電壓的高低,22,4.4 轉換器的原理 轉換器常稱為 INVERTER，電路結構如圖十二所示。其中控制電路的主要作用是以一個高頻的三角波和低頻的正弦波作比較，如圖十三所 示。當Vctr1 Vtri 時 S1：ON S2：OFF，而當 Vctr1
10、 Vtri 時 S1：OFF S2：ON，故圖十二上的 VAO 為 PWM 脈波，而由 VAO 再經過由電感和電容所組成的濾波器後，可以濾出近似於基本波 VAO1 的正弦波輸出目前的不斷電系統（Uninterruptable Power System,UPS）都是用類似的原理來作成的。,23,24,五、結論切換式電源穩壓器與線性電源穩壓器的比較,25,26,27,五、結論切換式電源穩壓器與線性電源穩壓器的比較 切換式電源比較線性電源有以幾個優點：體積小 重量輕 功率密度高 功率轉換效率高 寬廣的輸入電壓範圍 切換式電源也有些與生俱來的缺點：輸出漣波大 雜訊大 電路較複雜,28,切換式電源有以下
11、的特點:1)電路中至少有個電晶體開關(Switch)。2)這種開關元件只工作在電晶體的飽和區（Saturation Region）和截止區(Cut-Off Region)。3)飽和與截止相當與關(Closed)與開（Opened）4)藉由電晶體開關的切換動作，將輸入端的能量送到輸出端。5)且藉由回授電路控制開關動作，使輸出端維持在固定的電壓準位。此類電源稱為切換式電源供應器或切換式電源穩壓器,29,30,在成本價格方面:1)約略的說，功率愈高，採用切換式電源愈有利；反之、兩瓦功率輸出的電源，由於電路複雜性的不同，當然以採用線性電源的成本較低。2)其交界點的功率為何，須視設計及規格而定。同樣的效
12、能,交界點的功率可能在10瓦左右，而且有逐年下降的趨勢。3)同時能降低雜訊、提高效率及增加功率密度，國外直有研究單位與學術單位不斷改善創新電路架構。4)而積體電路化（I.C.），電路混成化（Hybridized），都可降低電路設計與應用的複雜性。,31,32,切換式電源穩壓器的分類:1)不論是交流變直流，或是直流變直流的切換式電源穩壓器，其核心部份都屬直流變直流轉換器（DC-DC Converter）。（因為低頻的流流輸入電壓通常先經簡單的整流濾波變成直流）。2)切換式直流轉換器可大分兩大類：為脈寬調變型（PWM Type），為諧振型（Resonant Type）。3)定頻式的PWM型轉換器，
13、即最廣為熟悉的切換式電源電路，由於電路簡單易懂且易於設計，市面的切換式電源有九成以屬於此類。,33,4)諧振型轉換器，由於電路複雜且成本較高，雖已發展多年,但應用不如PWM型廣泛。但是因為PWM型轉換器中電晶體的開與關屬於硬性切換，加上電路與元件本身的寄生雜散電容及電感的影響，使得工作頻率侷限於數十KHz以下；高於此限，效率將明顯降低，且電磁干擾問題將更嚴重。諧振型轉換器恰好相反，利用電容與電感的諧振，造成電晶體柔性切換（零電壓或零電流切換）。使其工作頻率可大大提高，相對減少體積重量，大幅提高功率密度。於是近年來，取兩者之長的轉換器電路直成為研究人員的發展重點。,34,切換式電源之未來趨勢 在講求輕薄短小的時代，切換式電源供應器除了提高工作頻率外，在技術要克服的問題有(1)結合PWM技術與柔性切換的技術，讓工作頻率得以提高，且簡單易於控制。(2)高頻化的結果，零件的選用與電路的佈局，將影響電源的效能。(3)EMI的問題將更棘手。一旦高頻化的技術建立，以下的幾個趨勢相信是必然的。(1)SMT化。(2)電路IC混成化。(3)模組化併聯。(4)智慧型電源。,
