UPS與SPS專輯:PFC技術-電源品質的保證

電子月刊,151期,20082

主編:鄒應嶼

 

主編簡介:

鄒應嶼先生,交通大學電子研究所博士。

現任交通大學電機與控制工程系教授、前瞻電力電子中心主任。

曾任職於工研院電子研究所、美國維琴尼亞理工學院電力電子中心訪問學者、交通大學電機與控制工程研究所所長、工研院、中科院、同步輻射中心顧問、國科會、經濟部、與專利局計畫審查委員、並曾擔任國內多家公司之技術諮詢顧問。

 


專輯前言

    在過去短短的幾年來,溫室效應所造成的氣候變遷日益明顯,石油供給的短缺也造成油價逐年攀升,世界各先進國家已將能源科技規劃為重要科技發展項目,並訂定了明確的發展目標,例如規劃了再生能源逐年增加的比例、二氧化碳的排放限額、待機電力的標準、與電源設備的最低效率要求等等。能源的使用,主要在於將不同的能源型式轉換為所需要的電源型式,例如風力發電,必須藉由風力帶動發電機,發電機產生的電力必須經由電源轉換器才能使用或傳輸,電力系統將電源輸配到住宅用戶之後,各式家電設備的電源供應器再將110V/220V的交流電轉換為電子電機設備所需要的電力。在這個能源、電源轉換過程中,電力電子技術扮演著最為關鍵的角色,電源轉換系統一方面必須要能夠有效率的進行電能轉換,另一方面也必須確保電源品質。所謂的電源品質,簡單來說,就是穩定、可靠、純淨的供電、以及不產生電力污染與電磁干擾的用電。因此,對於用電設備電源供應器的設計要求,主要在於符合80+的效率要求標準、FCC的電磁干擾與安全法規、EN61000-3-2對於電源電流諧波的要求規範、以及能源之星(EnergyStar)的待機電力標準等等。

    功率因數(power factor)是一個電源系統輸入實功率(real power)與視在功率(apparent power)的比值,它是一個數值,因此定義為『功率因數』,而不是『功率因素』,在有些文章中偶爾會見到『功率因素』,這是不恰當的用法。factor在中文可翻譯為因素、或因數,例如『電感的選擇是電源轉換器設計的重要考慮因素』,在這個句子中正確的用詞是『因素』,因為它表示的是一個『要素』。又例如『15的因數分解是3與5』,在這個句子中正確的用詞是『因數』,它表示的是一個『數字』。『功率因數×效率』就代表了傳輸電力被實際使用的比例,例如:一個電源系統的功率因數為90%,效率為80%,則電能的使用效率就只有72%。因此,從發展節能技術的觀點而言,一個電源系統不僅要提升它的效率,也要提升它的功率因數。

    功率因數修正(PFC)主要的目的就是將電源系統從電源端看來有如一個純電阻,如此供電系統所有的功率傳輸均為有效功率,同時也不會產生造成電源波形失真的低頻電流諧波。PFC技術可分為兩類:被動式與主動式。被動式PFC藉由被動式功率濾波器來補償線電流的波形,主動式PFC藉由開關來控制線電流的波形,藉此達到功因修正的目的。主動式PFC電源轉換器可以提供零污染的供電品質,因此成為目前發展的主流。理論上PFC轉換器可以提供沒有電源諧波污染的純淨電源,但是由於主動功因修正採用開關式電源的本質,一方面會造成開關損失,另一方面也會造成高頻的電磁干擾。因此,為了克服PFC轉換器所衍生出的這些問題,學術界與產業界已經花了十幾年的時間在解決這些問題,歷經從1988年開始的關於電源諧波規範的規劃,1993年提出IEC 1000-3-2草案,1997年提出IEC 61000-3-2,乃至從2001年1月1日開始,所有銷往歐洲共同市場的設備必須符合EN61000-3-2的電源諧波規範。如今,PFC已成為電源設備的基本要求,成為重要的產品發展關鍵技術,如何進一步的降低成本、提昇效率、提升功率密度、易於系統整合與電源管理是PFC技術發展的研究方向。

    電源諧波規範已成為所有家用與商用電器設備的基本要求規範,例如歐規的EN61000-3-2、美規的IEEE 519、日規的JIC C 61000-3-2等等。基本上,一般家用或商用採用市電介面的電器設備,若額定功率高於75W,均需符合特定的電源電流諧波規範,此外,對於照明設備也有特殊的電流諧波規範。功率因數修正技術可以消除電源供應器前端的AC/DC轉換器所產生的低頻電流諧波,降低啟動電流突波,從根本上改善電能的使用效率與降低電源污染,因此PFC技術就是電源品質的保證。

    本專輯針對此一主題,邀請國內相關研究學者專家,發表他們的研究成果。昇壓型PFC轉換器是應用最普遍的非隔離式功因修正電路,可以工作於不連續導通模式、邊界模式、或連續導通模式。連續導通模式的昇壓型PFC功因修正電路主要應用於桌上電腦、數位電視、伺服器電源等高於300W的單相電源系統,昇壓型PFC線路中高壓快恢復功率二極體的特性,對於PFC電路的效率與電磁干擾影響甚巨,許元豪先生針對此快速二極體的損失進行了深入的分析。

    隨著電源需求電力的增加,單相昇壓型功因修正電路的功率電路面臨更大的開關應力與損耗,近似並聯的交錯式昇壓型功因修正電路具有分散電流、降低損耗、降低電流漣波、降低高頻電磁干擾等優點,蔡俊仁、吳財福、陳耀銘等先生介紹了交錯式昇壓型功因修正器的工作原理, 並以實例說明設計方法與實驗結果。邱煌仁、鄭聖弘先生針對LED照明,採用具有升降壓特性的SEPIC電路,發表了具有功因修正功能高效率LED照明驅動電路的研究成果。何金澤、羅有綱先生針對四開關半橋式功率因數器在單負載或雙負載下,發展出一種可以克服輸出電容電壓間不平衡的控制方法。本專輯以『PFC技術-電源品質的保證』為主題,希望結合電源系統與 電源IC產業,共同促進此一有助於電能節約與電源品質改善技術的發展與應用。

本期特論包含下列主題:


台灣新竹交通大學電力電子系統與晶片實驗室