PFC技術:從系統設計邁向IC設計

鄒應嶼   電力電子系統與晶片實驗室  交通大學  台灣新竹     200742

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電源系統數位化是未來發展的趨勢

電源系統數位化是未來發展的趨勢,在發展時機上最主要的關鍵在於以電源管理為導向的整合需求。在商品化產品的發展過程,則是先由電源介面的數位化,發展為以系統為導向的電源管理,再逐漸內化到電源控制IC內部的程序控制,最後再發展到全面數位化的數位式迴路控制。

智慧型電源管理系統

新一代的離線式(off-line)電源系統不但必須具備高效律、高可靠度、與高電源品質等基本要求,也必須能夠進一步提供以能源節約與電能監控為目的的電源管理通訊介面,形成一個與資訊、網路通訊整合而成的智慧型電源管理系統。

功率因數修正∼綠能電源的標準規範

1所示是一個以單相(110V/220V)公用交流電源為基礎的電源架構,其中包含了用電與供電系統。以交流電為基礎的電能轉換,其轉換效能由效率與功率因數決定,而功率因數又決定於位移功率因數(displacement power factor)與失真因數(distortion factor)。低頻的電流諧波不但降低了電源系統的功率因數,也同時成為電源污染的源頭。為了根本解決此一問題,歐洲的電源標準組織頒定了限制公用電網電流諧波成份的規範EX 61000-3-2 [1-6],此一規範也適用於各種併網型逆變器發電系統,例如PV inverterFuel-Cell Inverter等等。

主動式功因修正 (Active Power Factor Correction)

為了符合電流諧波的限制,遂發展出各種功率因數校正的電路架構與控制方法[7-12],可區分為被動式與主動式。被動式PFC沒有主動控制之功率元件,電路主要由二極體、電感與電容所構成,不需控制IC,效率高,可靠性佳、體積較大,一般適用於較低功率(<100W)之應用。主動式PFC技術藉由可控制之功率開關元件來達到控制電流諧波的目的,其方式主要可區分為低頻與高頻切換兩種方式。低頻PFC之開關頻率為線頻率的偶數倍(一般為2或是4),藉由與線頻率的同步切換達到降低主要低次諧波電流的目的,具有高效率、較高功率因數(0.9)的優點,但必須使用低頻電感,因此體積較大,適用於家用變頻空調系統之應用。

圖1  單相交流電源系統的用電與供電裝置的示意圖

1  單相交流電源系統的用電與供電裝置的示意圖

高頻主動式PFC採用高頻功率元件來控制線電流,藉由閉迴路控制方式使電流與電壓成為一個比例關係,在用電系統成為一個等效的電阻性負載;在供電系統,則形成一個具有負電阻特性的供電電源。

主動式PFC具有高功率因數、高電源品質的特點,由於採用高頻開關,大幅的縮小了電感的體積。此外,它也具備前穩壓的功能,提供較不受線電壓波動與負載變化影響的穩定直流鏈電壓。但高頻的開關切換也產生了額外的開關損失與電磁干擾,這也是主動式PFC必須克服的問題。

數位電源控制晶片 (Digital Power Control IC)

傳統電源供應器的控制IC主要是以類比方式實現,其優點是成本低、電路簡單、反應速度快,但缺點是通常僅能提供特定功能,使用介面簡單不適合複雜電源系統的整合,控制迴路補償不易調整等等。近年來,隨著可攜式消費性電子的快速發展,省電設計、電源管理、與多功能的供電需求,增加了更多開關式電源驅動IC的需求也改變了電源供應器的供電架構。數位電源技術具有參數化程式化的靈活性、可以軟體IP方式實現複雜的電源控制與管理策略、不受環境變化影響的精確數值運算、模組化的整合應用等優點,因此,近年來數位電源控制晶片在各種商品化的應用也開始得到了快速的發展。

目前在市面上針對上述的應用發展的功率因數修正IC,如ML4812UC3854系列等等,在市面上已相當普遍,這些功率因數修正IC雖具有電路簡單優點,適用於低功率系統,但只能使用於單開關切換架構,並且無法改善系統特性,而在中高功率之功率因數修正器方面,則較缺乏功能完善的專用PFC控制IC。早期由於缺乏高速的單晶片控制器,數位式PFC的控制迴路不易實現,但近年來已有許多高性能數位信號處理器、FPGA,乃至於特殊設計的數位式PFC控制晶片,使得數位控制技術得以應用於動態響應複雜多變的交直流電源供應器中,性能較佳的非線性控制、多模式控制、綠色模式控制等新型PFC控制策略得以藉由數位硬體或是控制韌體的方式完成。

由於新一代高性能微處理器對電源的需求,電源控制IC也從傳統的單一類比控制方式,朝向多功能的整合型控制IC發展,例如UnitrodeInfineon均推出了同時具有功率因數修正與脈寬調變控制的多功能控制IC。展望未來,應用數位/類比IC設計技術於電源控制IC之發展,將成為電源控制IC的發展趨勢,電源控制IC將朝向數位化、可程式化、與智慧化的方向發展。

PFC技術∼從系統設計邁向IC設計

有鑑於綠能產業未來的廣大市場需求,配合電源管理IC設計產業之發展,主動式PFC技術引發了許多電源控制與整合的研究議題,例如整合PFC技術與智慧家電、馬達驅動、照明等系統,整合數位PFC控制與PLC電力線通訊技術形成電源監控網路。

數位電源技術一個具有充分發揮智能電源(smart power)的應用領域。由於PFC已成為未來所有用電系統的必備單元,以PFC為導向的SoC設計,將逐漸從以電源系統設計為主的發展方式,邁向以IC設計為主的系統晶片(System-on-Chip)方向發展,數位式PFC控制IC的設計技術是一個有待積極投入的研究與應用領域。

參考文獻

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作者簡介:鄒應嶼  教授

 

現  職

交通大學/電機工程學系 教授

學  歷

交通大學電子研究所博士 (1987)

專  長

n電力電子、馬達驅動、開關電源、再生能源

n

研究主題
 
  • DSP/FPGA Based Power & Motor Control

  • Digital PFC/PWM IC, Power Management

  • Servo System Design, Sensorless Drive

  • Server Power, PV Inverter, UPS

  • TRIAC LED Dimmer, Digital Lighting

  • BLDC FAN Motor Driver IC, DVD Servo/Spindle Driver IC

  • EMI Reduction, PCB EMC Design, Power Integrity


台灣新竹交通大學電力電子系統與晶片實驗室