南臺(tái)科技大學(xué)電力電子室S

高頻高壓交流脈衝供電系統(tǒng)之研製DevelopmentofaHigh-FrequencyHigh-VoltagePulsePowerSupplySystem指導(dǎo)教授：蔡明村博士研究生：柯智偉大綱摘要研究動(dòng)機(jī)與目的負(fù)載簡(jiǎn)介功率因數(shù)校正柔性切換技術(shù)概述全橋式零電壓轉(zhuǎn)換器控制方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)論南臺(tái)科技大學(xué)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(tǒng)的功率控制方法，主要應(yīng)用在介質(zhì)放電與電暈放電等氣體放電的應(yīng)用上。本文所提出之系統(tǒng)架構(gòu)其前級(jí)是由主動(dòng)式功因修正器，藉由昇壓式交流到直流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生穩(wěn)定直流電壓後再經(jīng)由後級(jí)全橋相移式零電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生所需要高頻電壓，並且藉由相移脈波寬度調(diào)變與脈波密度調(diào)變兩種方法來控制。南臺(tái)科技大學(xué)電力電子研究室S707研究動(dòng)機(jī)與目的 高頻高壓脈衝電源經(jīng)近三十年來迅速發(fā)展，已逐漸形成一門獨(dú)立的新興技術(shù)領(lǐng)域，此種電源已被大量使用在半導(dǎo)體工業(yè)、封裝產(chǎn)業(yè)、印刷電路板工業(yè)及LCD產(chǎn)業(yè)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(huán)保相關(guān)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(jù)各種材料性質(zhì)與大小，而獨(dú)立的加以調(diào)整輸出所需之功率，以提高產(chǎn)品之效率。早期由於功率半導(dǎo)體技術(shù)的限制，這類設(shè)備所需的高壓交流脈衝電源設(shè)備，不僅體積大、重量重且效率不佳。南臺(tái)科技大學(xué)電力電子研究室S707負(fù)載簡(jiǎn)介介電質(zhì)放電（DielectricBarrierDischarge,DBD）

介電質(zhì)放電又稱為無聲放電(SilentDischarge)或流光放電(StreamerDischarge)，它同時(shí)具有輝光放電的大體積的激發(fā)及電暈放電之高操作壓力的優(yōu)點(diǎn)，介電質(zhì)放電主要由內(nèi)、外兩個(gè)電極及介電質(zhì)所構(gòu)成，其中介電質(zhì)位於兩電極之間。在兩電極中置入高介電強(qiáng)度之介電質(zhì)，如玻璃、石英、陶瓷等，並於兩電極間加上高電壓產(chǎn)生放電。南臺(tái)科技大學(xué)電力電子研究室S707負(fù)載簡(jiǎn)介介電質(zhì)放電意示圖南臺(tái)科技大學(xué)電力電子研究室S707負(fù)載簡(jiǎn)介介電質(zhì)放電等效電路南臺(tái)科技大學(xué)電力電子研究室S707負(fù)載簡(jiǎn)介 介電質(zhì)放電的負(fù)載特性是一個(gè)非線性損耗的電容，並空氣間隙的損失的能量進(jìn)入介電質(zhì)放電中，此介電質(zhì)放電所消耗的能量可表示為如下所示：由上式(1)介電質(zhì)放電反應(yīng)器的實(shí)際消耗的能量可表示為下所示：南臺(tái)科技大學(xué)電力電子研究室S707負(fù)載簡(jiǎn)介 介電質(zhì)放電量測(cè)外部電荷的變化並要串聯(lián)一個(gè)電容Ci，所構(gòu)成電源供應(yīng)器之負(fù)載，高壓隔離探棒，量測(cè)負(fù)載輸出電壓V(t)，另一探棒並量測(cè)電容Ci之跨壓，由於外部電荷Q(t)與電容Ci之跨壓關(guān)係為：負(fù)載電壓與電荷量測(cè)法南臺(tái)科技大學(xué)電力電子研究室S707負(fù)載簡(jiǎn)介 介電質(zhì)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(zhì)電極在放電週期時(shí)可由Q-V曲線中線段斜率分別為介電質(zhì)放電特性分析南臺(tái)科技大學(xué)電力電子研究室S707負(fù)載簡(jiǎn)簡(jiǎn)介介電質(zhì)質(zhì)放電電的能能量W為李李塞育育Q-V曲線區(qū)區(qū)域所所包圍圍面積積，可表表示為為下所所示：：如(6)式式代入入(2)式式，可可得知知介電電質(zhì)放放電的的反應(yīng)應(yīng)器中中實(shí)際際消耗耗功率率相對(duì)對(duì)應(yīng)的的P可可表示示為下下所示示：南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707功率因因數(shù)校校正功率因因數(shù)修修正器器主要要的作作用就就是讓讓輸入入端的的電壓壓和電流流同相相位，，若依依使用用的元元件來來分類類，可可分為為被動(dòng)動(dòng)式功率率因數(shù)數(shù)修正正器和和主動(dòng)動(dòng)式功功率因因數(shù)修修正器器。由由於被被動(dòng)式功功率因因數(shù)修修正器器主要要組成成元件件是電電阻、、電容容、電電感、變變壓器器等元元件，，此類類功因因修正正器電電路有有著結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單和低低成本本優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，而而被動(dòng)動(dòng)式功功率因因數(shù)修修正器器的體體積都都相當(dāng)大大且笨笨重，，且其其功因因值最最好的的情況況下只只能到到達(dá)70%而已已，在在較嚴(yán)嚴(yán)格的的功因因要求求規(guī)範(fàn)範(fàn)下並並不適適用，，所以本文文選用用主動(dòng)動(dòng)式功功率因因數(shù)修修正器器來作作功因因的修修正。。南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707功率因因數(shù)校校正主動(dòng)式式功率率因數(shù)數(shù)修正正器常常用的的控制制模式式有二二種：：峰值值電流控控制法法和平平均電電流控控制法法。峰值電電流控控制法法利用用電感感電流流的峰峰值追追隨正正弦命命令電電流，其其優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)為控控制電電路具具有限限流功功能，，電流流控制制迴路路設(shè)計(jì)計(jì)簡(jiǎn)單。缺缺點(diǎn)在在於電電感電電流的的平均均值於於零交交越點(diǎn)點(diǎn)附近近會(huì)有有零交交越失真的的現(xiàn)象象，需需要斜斜率補(bǔ)補(bǔ)償。。電流流誤差差會(huì)愈愈來愈愈大，，這個(gè)個(gè)現(xiàn)象也會(huì)會(huì)造成成電流流諧波波量增增加，，導(dǎo)致致功因因值降降低。。這種種控制制法不適用用於高高性能能的主主動(dòng)式式功因因修正正器。。平均電電流模模式的的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)則是是在電電路上上再外外加一一個(gè)由由放大大器電路構(gòu)構(gòu)成的的回授授電路路，也也因此此輸入入電流流將會(huì)會(huì)以微微小的的誤差差量追隨電電流命命令而而變化化，所所以選選擇以以平均均電流流來作作為控控制的的模式。平平均電電流模模式具具有控控制輸輸入電電流與與穩(wěn)定定輸出出電壓壓值的的目的，可可以準(zhǔn)準(zhǔn)確地地維持持輸入入電流流正弦弦波形形，且且無需需斜率率補(bǔ)償償。南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707柔性切切換技技術(shù)概概述當(dāng)開關(guān)關(guān)元件件在主主電路路中作作切換換時(shí)，，若是是使用用傳統(tǒng)統(tǒng)硬切切的方式切切換，，在開開關(guān)截截止的的瞬間間，它它的電電壓與與電流流產(chǎn)生生交越越而產(chǎn)生一一電壓壓的突突波，，其值值會(huì)超超過正正常的的輸入入電壓壓值，，此突突波會(huì)增加加開關(guān)關(guān)元件件的電電壓應(yīng)應(yīng)力，，當(dāng)開開關(guān)導(dǎo)導(dǎo)通的的瞬間間，由由於開開關(guān)上電流流受到到寄生生二極極體反反向回回復(fù)的的影響響，電電流會(huì)會(huì)快速速上升升而產(chǎn)生一一電流流的突突波，，此電電流突突波會(huì)會(huì)造成成開關(guān)關(guān)元件件的電電流應(yīng)應(yīng)力，如下下圖所所示。。南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707柔性切切換技技術(shù)概概述近幾年年柔性性切換換技術(shù)術(shù)逐漸漸取代代傳統(tǒng)統(tǒng)硬式式切換換，柔柔性切切換技術(shù)可可分為為零電電流切切換(ZCS)及零電電壓切切換(ZVS)兩種方方式。。1.零零電流流切換換(ZCS)：當(dāng)開開關(guān)截截止時(shí)時(shí)，其其開關(guān)關(guān)上的的電流流必須須維持持在零零電流流截止止的狀狀態(tài)，，而開開關(guān)截截止時(shí)時(shí)的電電流才才不會(huì)會(huì)與開開關(guān)的的跨壓壓產(chǎn)生生交越越損失失，而而使整整轉(zhuǎn)換換器效效率提提昇。。2.零零電壓壓切換換(ZVS)：當(dāng)開開關(guān)導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)時(shí)，其其開關(guān)關(guān)上的的電壓壓必須須維持持在零零電壓壓截止止的狀狀態(tài)，，而開開關(guān)導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)時(shí)開關(guān)關(guān)的跨跨壓才才不會(huì)會(huì)產(chǎn)突突波而而產(chǎn)生生導(dǎo)通通損失失。南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707柔性切切換技技術(shù)概概述經(jīng)過柔柔性切切換後後，由由下圖圖我們們可以以看到到開關(guān)關(guān)上的的電壓壓及電流流並未未重疊疊，因因此能能將切切換損損失降降到最最低。。南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707零電壓壓轉(zhuǎn)換換器全橋相相移式式零電電壓切切換轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器之主主電路路架構(gòu)構(gòu)南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707零電壓壓轉(zhuǎn)換換器-動(dòng)作作原理理控制開開關(guān)時(shí)時(shí)序圖圖及一一次側(cè)側(cè)的電電壓、、電流流波形形圖南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707零電壓壓轉(zhuǎn)換換器-動(dòng)作作原理理南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707零電壓壓轉(zhuǎn)換換器-動(dòng)作作原理理南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707零電壓壓轉(zhuǎn)換換器-動(dòng)作作原理理南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707零電壓壓轉(zhuǎn)換換器-動(dòng)作作原理理南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707零電壓壓轉(zhuǎn)換換器-動(dòng)作作原理理南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707控制方方法相移式式脈波波寬調(diào)調(diào)變方方式(PhaseShiftPWM)開關(guān)的的驅(qū)動(dòng)動(dòng)信號(hào)號(hào)以180度互互補(bǔ)，，且驅(qū)驅(qū)動(dòng)信信號(hào)間間相差差一個(gè)個(gè)相位，，也就就是所所謂的的相移移角度度。四四個(gè)開開關(guān)訊訊號(hào)的的導(dǎo)通通與截截止週期都都相同同，且且每個(gè)個(gè)責(zé)任任週期期為50％％，當(dāng)當(dāng)對(duì)角角的開開關(guān)訊訊號(hào)導(dǎo)導(dǎo)通週期期互相相交疊疊時(shí)，，變壓壓器一一次側(cè)側(cè)才會(huì)會(huì)有電電壓而而把能能量感感應(yīng)到二次次側(cè)。。由於於QA與QD或或QB與QC需需同時(shí)時(shí)導(dǎo)通通才能能傳送送能量至二二次測(cè)測(cè)，VP之之輸出出脈波波寬度度的大大小取取決QA與與QC之相相位差，當(dāng)當(dāng)QA與QC之之相位位差愈愈大，，則之之脈波波寬度度愈窄窄，且且輸出出功率愈愈小，，則傳傳送能能量也也愈小小，所所以利利用相相移調(diào)調(diào)變方方式來來控制開關(guān)關(guān)交疊疊時(shí)間間長(zhǎng)短短就能能達(dá)到到輸出出側(cè)電電壓穩(wěn)穩(wěn)定。。南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707控制方方法全橋相相移式式轉(zhuǎn)換換器之之開關(guān)關(guān)與變變壓器器電壓壓動(dòng)作作訊號(hào)號(hào)南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707控制方方法脈波密密度調(diào)調(diào)變方方式(PulseDensityModulation)負(fù)載功功率之之控制制方法法，其其主要要以相相移脈脈波寬寬度調(diào)調(diào)變來來控制負(fù)負(fù)載上上的消消耗功功率，，在負(fù)負(fù)載上上的消消耗功功率且且能控控制在在低功率率，因因此加加入脈脈波密密度調(diào)調(diào)變(PulseDensityModulation)的技術(shù)術(shù)來控控制負(fù)負(fù)載上上的消消耗功功率能能達(dá)到到在低低功率率的方方法，，因此在在脈波波密度度調(diào)變變控制制則是是以PIC18F4220晶片來來製作作。南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707控制方方法控制方方法流流程圖圖南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707控制方方法脈波密密度調(diào)調(diào)變控控制方方法採(cǎi)採(cǎi)用PIC18F4220晶片並並以類類比電路以以電壓壓控制制方法法達(dá)成成。脈脈波密密度調(diào)調(diào)變控控制是是為40個(gè)責(zé)任週期期為一一個(gè)週週期，，並且且以電電壓來來決定定PIC輸輸出信信號(hào)的的脈波寬度度。南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707控制方方法南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707控制方方法南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果功率因因數(shù)修修正器器之量量測(cè)CH1：200VCH2：：10AM：：5ms/div輕載(533W)之輸入入電壓壓電流流波形形圖南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果功率因因數(shù)修修正器器之量量測(cè)CH1：200VCH2：：10AM：：5ms/div滿載(1066W)之輸輸入電電壓電電流波波形圖圖南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果功率開開關(guān)波波形之之量測(cè)測(cè)CH1：5VCH2：200VM：10us/div超前臂臂功率率開關(guān)關(guān)跨壓壓及驅(qū)驅(qū)動(dòng)信信號(hào)波波形圖圖南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果功率開開關(guān)波波形之之量測(cè)測(cè)CH1：5VCH2：200VM：10us/div落後臂臂功率率開關(guān)關(guān)跨壓壓及驅(qū)驅(qū)動(dòng)信信號(hào)波波形圖圖南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果功率開開關(guān)波波形之之量測(cè)測(cè)CH1：400VCH2：5AM：5us/div功率開開關(guān)跨跨壓及及開關(guān)關(guān)電流流波形形圖南臺(tái)科科技大大學(xué)電電力電電子研研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果相移脈脈波寬寬度調(diào)調(diào)變之之量測(cè)測(cè)，負(fù)負(fù)載為為介電電質(zhì)放放電，，變壓壓器規(guī)規(guī)格為為1：：8.9，且頻頻率為為45k及及相移移脈波波寬度度調(diào)變變控制制以50％％、75％％的方方式，，分別別所消耗功功率為為310W、410W。。CH1：：400VCH2：10ACH3：：2KVM：10us/div頻率45kPWM：50％波波形圖CH1：：400VCH2：10ACH3：：2KVM：：10us/div頻率45kPWM：75％波波形圖南臺(tái)科技技大學(xué)電電力電子子研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)果果相移脈波波密度調(diào)調(diào)變之量量測(cè)，負(fù)負(fù)載為介介電質(zhì)放放電，變變壓器規(guī)規(guī)格為1：8.9，且切換換頻率為為45k及相移移脈波調(diào)調(diào)變控制制以100％的的方式，，所消耗耗功率為為520W。CH1：：400VCH2：10ACH3：：2KVM：10us/div頻率45kPWM：100％％波形圖圖南臺(tái)科技技大學(xué)電電力電子子研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)果果當(dāng)切換頻頻率為40k、45k，，相移脈脈波寬度度調(diào)變控控制以100％％的方式式，分別消消耗功率率為800W、、520W。CH1：：400VCH2：：10ACH3：：5KVM：10us/div頻率40kPWM：100％波波形圖CH1：：400VCH2：：10ACH3：：2KVM：10us/div頻率45kPWM：100％波波形圖南臺(tái)科技技大學(xué)電電力電子子研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)果果當(dāng)切換頻頻率為50k，相移移脈波寬寬度調(diào)變變控制以以100％的方方式，所所消耗功率為為310W。CH1：：400VCH2：：10ACH3：：2KVM：10us/div頻率50kPWM：100％波波形圖南臺(tái)科技技大學(xué)電電力電子子研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)果果頻率40k、45k、、50k固定且且控制相相移脈波波寬度調(diào)調(diào)變(PWM)及脈波密密度調(diào)變變(PDM)之之消耗功功率。。頻率(F)與消消耗功率率(W)之關(guān)係係圖南臺(tái)科技技大學(xué)電電力電子子研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)果果脈波密度度調(diào)變之之量測(cè)，，而負(fù)載載以介電電質(zhì)放電電，變壓壓器規(guī)格格為1：：8.9的去量測(cè)測(cè)，且切切換頻率率脈45k，，則以相相移脈波波寬度調(diào)調(diào)變則控控制在75％並並已加入波波密度調(diào)調(diào)變則控控制以25％、、50％％的方式式，分別別所消耗耗功率為為120W、215W。CH1：：400VCH2：：10ACH3：：2KVM：100us/divPWM：：75％％PDM：25%(10/40)波形圖圖CH1：：400VCH2：：10ACH3：：2KVM：100us/divPWM：：75％％PDM：50%(20/40)波形圖圖南臺(tái)科技技大學(xué)電電力電子子研究室室S707實(shí)驗(yàn)結(jié)果果脈波密度度調(diào)變之之量測(cè)，，而負(fù)載載以介電電質(zhì)放電電，變壓壓器規(guī)格格為1：：8.9的去量測(cè)測(cè)，且切切換頻率率脈45k，則則以相移移脈波寬寬度調(diào)變變則控制制在75％並已加入波波密度調(diào)調(diào)變則控控制以75％的的方式，，分別所所消耗功功率305W。。CH1：：400VCH2：：10ACH3：：2KVM：：100us/divPWM：：75％％PDM：：75%(30/40)波波形形圖圖南臺(tái)臺(tái)科科技技大大學(xué)學(xué)電電力力電電子子研研究究室室S707實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果頻率率45k且且控控制制相相移移脈脈波波寬寬度度調(diào)調(diào)變變(PWM)及及脈脈波波密