三相交直流电源转换器之拓朴分析与控制

大华科大电子电机工程系教授谢振中。

为提升电源转换的效率，让发电、供电都发挥最佳效能，从事电学研究的产业与学术单位，纷纷发表更好的实作方法，让电源转换更有效率，同时降低电磁干扰、波型失真，为提升电流纯净与高效而努力。

至于在中高瓦数的应用中，尤其是工业用电的场合，「三相电」(3-phase electric power)可说是最常用的电源，能提供千瓦以上功率的电力，然现行的电源转换器转换效率，仍有改进的空间，因此，学术单位的专家也分享各种改善的方法，以提供各界在电源设计优化时的参考…

高瓦数电源转换  三相电应用最赞

大华科技大学(TUST)电子电机工程系教授谢振中博士，针对「三相交直流电源转换器之拓朴分析与控制」的议题做阐述。他首先介绍自己的工作经历，曾考取室内配线及仪表电子乙级技术士。随后曾经担任过经济部智能财产局的专利审查委员、劳动部职训局室内配线？工业电子？仪表电子技术士监评人员、劳动部职训局电力电子？工业电子技术士命题委员。在电机电子等领域研究多年，并发表多项论文、书籍。

谢博士当天分享的主题以大功率的转换器为主，特别是有关三相交直流电源的转换器。并说明当今许多大功率的电源转换器，在转换过程中会产生过热问题。

至于过量的谐波电流可能出现潜在问题，包括：电源功率校正的电容、失真的电压波形、造成断路器的误跳脱、过热的变压器导致绝缘体的损坏和失效、产生间歇性的电噪声、产生导体的过热现象等等。

传统的作法是利用二极管整流器来进行变压，但由于其交流电压是为较窄的高峰值电流，因此会有EMI(电磁干扰)、谐波污染、功率低、输出的直流电压无法调整等缺点。而采用相变控制的整流器，则具有直流电压可调整的特性。

因此，为了克服这些问题，符合即将推行的谐波标准(如IEC1000-3-2)，同时达到直流输出电压可调整的目的，大华科技大学也提出一些解决方法，以供各界参考。

电源转换挑战多  分析各电路实作

最基本的方式，就是以双级式电源转换设计，其电路设计就是将单相或三相的电源，透过传统的DC/DC转换器，然后接到负载电器上，这样作法会造成转换效率降低。因此现今有采用单级式电源转换设计，透过整合了输入电流控制、负载电压调整，让转换效率更高，同时兼顾输入与输出隔离的设计。

例如利用DCM(不连续电流模式)的转换器，虽说上述有些条件是可以达到，但其有优点也有缺点。像是增加导通损耗和电压应力、改变输出级(如SEPIC单端初级电感转换器、Ćuk、Flyback反驰式、Buckboost升降压、Zeta等)，可用变压器来取代输出电感，并可将输入与输出隔离等等。若将上述电路设计，改成「3组、单级式」的升压转换电路，其特点就是在控制上能够明显地简化，且低频涟波电压将不存在，但会降低转换器的整体效率。

上述是采用单一开关设计，若改成「6开关、全桥式」的升压设计，虽说具备转换效率高的优势，但却会造成严重的二极管无法复原、开关切换的高耗损度，且难以做到将输入电与输出电隔离等问题。

针对上述有一好、无两好的电路设计方式，因此就有人提出以「4开关、全桥式」的升压设计，透过减少两组开关改用电容来取代，这种作法可以提升直流电的输出电压，让需要电压的电器产品来使用，但先前6开关设计所面临到的问题，在4开关设计时仍然存在。另外还有人提出用「3开关、全桥式」的升压设计，并将开关往前缘推进，连接到电感的后面，甚至再搭配双向开关，就可以提供单向电流，但必须增加二极管，且会带来更多的导通损耗。

再来看看降压设计部分，若采用「6开关、三相式」的降压转换电路，其优势是本身就具备短路保护、低输出直流电压、较小的涌浪电流、更宽的电压回路带宽、开回路控制。但劣势则是：转换器必须透过DCM来操作(会增加切换开关的压力，与输入滤波器的大小)、 比在升压电路时的导通损耗还高。若改成「3开关、三相式」的话，切换开关可以相对变得较少，且提供单向电流，但控制方式会比较复杂，而且须增加二极管元件。

上述的电路设计都有其优缺点，因此谢振中提出较经济的作法。以降压转换电路为例，像是在「3开关、三相式」降压转换电路中，就把开关设计简化、并搭配较少的二极管，以节省成本。

此外，在升降压转换电路中，也提出「3、4、6开关、三相式」的各种升降转换设计，改变电感与二极管的位置，并且提供短路保护、低输出直流电压、较小的涌浪电流、更宽的电压回路带宽、开回路控制、具备升压与降压的能力等优势。

三相升压转换器  去除传感器设计

一般在设计转换器的时候，必须让输入电压满足功率因数原则上等于1的目标，而输出电压可透过量测方式得知，因此一般直流转交流的电压转换电路中，都配有Current Sensor(电流传感器)，谢振中也提出去除该传感器设计的作法，以达到节省元件成本的目的，进而达到改善工业用电的目的。

其研究动机，在于提供工业用电的高功率的直流电源、提供中端的AC/AC转换器的DC连接，并以closed form，将所有的元件与参数，透过数学方程序来表示，让分析、模拟、获得直觉的工程图上也能非常有用。而其研究目的有：正弦输入电流、可调整功率因数、纯净的直流电压输出、双向电流的能力、更高可靠度、去除电流传感器件、固定开关切换频率等。

接着他列出一种全桥式的电路图架构，以及导出正弦波PWM(电源管理)控制法的数学式。并说明理想的三相输入电流的波形图中，共有6个区间，在每个区间(每60度)都要有各种开关切换的策略，也因此会有不同的状态方程序。同时他秀出典型的闸控信号，对应的等效电路，并导出正弦波PWM转换器的状态方程序。

至于在死区的部分，他也导出死区正弦波PWM转换器的状态方程序，与各区间的切换函式。另也导出4开关的正弦波PWM方程序、切换函式、状态方程序等等。接着透过模型化，将3种控制策略合并，定义各空间矢量的数学表达方式，在同步旋转座标里，也定义扰动方程序。

然后建立出DC和AC的模型，应用在控制器的设计上，稳定运作的约束值、与PI控制器传递函数，最后绘制出系统原理框架示意图。此外，在运作状态、输出电容选择、升压型耦合电感的选择上，都有对应的数学函式，以帮助电源设计师来规划出效率高的电源转换器。

三相升压转换器  非对称电源设计

延续上述的研究结果，谢振中博士也提出「非对称电源下」的三相AC转DC升压转换器之作法，研究动机在于：处理非对称的输入电压所造成的影响、正弦输入电流、可调整功率因数、纯净的直流电压输出、双向电流的能力、更高可靠度、去除电流传感器件、固定开关切换频率等。

接着他列出基本的正弦波PWM、考量在非对称的输入电压下的函式表达方法，并导出该PWM转换器的状态方程序，以及稳态下的各种数学表达方法。同样地，死区的正弦波PWM状态方程序也可以被导出，最后归纳出各区间之下的切换函式表。最后应用在4开关的正弦波PWM方程序中，透过重新排列、计算输出电压等方式，求出其最佳的切换函式，最后便可绘制出系统原理框架示意图，进而实作出真正的电源转换器。