全橋式轉換器

Report
應用於太陽能之變流器
與市電併聯系統
授課教師:林泓均
助教:楊友惠
大綱







太陽能發電原理
太陽光發電系統應用
太陽能電力轉換器之設計
 昇降壓轉換器
 隔離型電力轉換器
最大功率點追蹤(MPPT)
變流器(Inverter)
零點偵測電路(Zero-Crossing Detection Circuit)
系統架構
2
太陽能發電原理
太陽能光電池原理是光伏效應,對一半導體
之介面照射光,使半導體生成之電子與電動
因接面電場之作用,而互朝相反方向移動,
結果造成電荷分離現象,此即是光伏效應。
3
太陽能發電原理

太陽能光電池的能量轉換是應用p-n接面
之光伏效應(Photo Voltaic Effect)
太陽光
+
+
正極:P 型
-
-
負極:N 型
+
+
-
+
-
P
+
- N
-
太陽光
+-
+-
正、負電荷
+-
P
+- N
+
-
太陽光
+ + + + +
- - - - -
P
N
電流
4
太陽能發電原理
I pn  I s [exp(
 I s [exp(
qVpn
nkT
Vpn
nVT
)  1]
)  1]
其中
I pn:p-n 接面之電流
V pn :p-n 接面之電壓
k :波茲曼常數
q :電子電荷量
T :絕對溫度
I s :等效二極體之
逆向飽和電流
VT :熱電壓
5
太陽能發電原理


自然光中的量子光子
每個光子(Photons)所攜帶的能量為
Eph ()  hc / 
h :普郎克常數
c

:光速
:光子波長
6
太陽能發電原理
太
陽
光
Id
V pv
I sc
I pv
外
部
負
載
太陽能光電池等效電路
7
太陽能發電原理
太陽能光電池種類
單晶矽太陽能電池
多晶矽太陽能電池
非晶矽太陽能電池
8
太陽光發電系統應用
(A) 獨立系統 (Stand-Alone System)
太陽電池
組列
PCU
充電
控制器
放電
控制器
直流負載
蓄電池
太陽電池
組列
充電
控制器
PCU
放電
控制器
直/交流
轉換器
交流負載
蓄電池
電力調節裝置(Power Conditioning Unit,PCU)
9
太陽光發電系統應用
(B) 混合型交流獨立系統(Hybrid System)
太陽電池
組列
充電
控制器
PCU
放電
控制器
直/交流
轉換器
交流負載
整流器
蓄電池
輔助
發電機
10
太陽光發電系統應用
(C)併聯系統(Grid- connected System)
零點偵測
電路
太陽電池
組列
直/直流 PCU
直/交流
電力轉換器
電力換流器
(MPPT)
交流負載
11
太陽能電力轉換器之設計
目前一般基本的交換式電源轉換器,大部
份都是由以下三種基本電路之結構演化而
成,分別為:
 降壓(buck)型式
 昇壓(boost)型式
 昇降兩用(buck-boost)型式
12
太陽能電力轉換器之設計
降壓型轉換器
13
太陽能電力轉換器之設計
降壓型(續)
14
太陽能電力轉換器之設計
降壓型(續)
15
太陽能電力轉換器之設計
昇壓型轉換器
16
太陽能電力轉換器之設計
昇壓型(續)
17
太陽能電力轉換器之設計
昇壓型(續)
18
太陽能電力轉換器之設計
昇降兩用型轉換器
19
太陽能電力轉換器之設計
昇降兩用型(續)
20
太陽能電力轉換器之設計
昇降兩用型
(續)
21
太陽能電力轉換器之設計
轉換器可由電感電流是否有零之時期,可分為:
連續導流模式(continuous-conduction mode, CCM)
不連續導流模式(discontinuous-conduction mode, DCM)
介於兩者間之工作狀態稱為邊界導流(boundary)
22
太陽能電力轉換器之設計

降壓(buck)型式




昇壓(boost)型式
優點
 控制簡單
缺點
 輸入電流不連續,干擾大
 輸出電壓一定比輸出電壓低
昇降兩用(buck-boost)型式


優點
 可昇降壓電路
缺點
 輸入電流不連續,干擾大
 輸出為負極性輸出,負載需反接


優點
 輸入電流為連續,干擾小
缺點
 輸出電壓一定比輸入電壓高
太陽能電力轉換器之設計
隔離型電力轉換器
順向式轉換器(Forward Converter)
返馳式型轉換器(Flyback Converter)
推挽式轉換器(Push-Pull Converter)
半橋式轉換器(Half-Bridge Converter)
全橋式轉換器(Full-Bridge Converter)
24
太陽能電力轉換器之設計
隔離型電力轉換器
順向式轉換器(Forward Converter)
由降壓式轉換器所衍生而來
工作原理大致相同,多了一組變壓來作電氣隔離的作用
Vo N2

D
VI N1
25
太陽能電力轉換器之設計
隔離型電力轉換器
返馳式型轉換器(Flyback Converter)
由昇降壓式轉換器所衍生而來
其工作原理也大致相同
解決了負載端的輸出電壓極性相反的問題
變壓器除了可達到電氣隔離及傳遞能量之外,並兼具儲存能量之功能
與一般轉換器比較,可省去輸出電感的使用
Vo N 2 D

VI N1 1  D
26
太陽能電力轉換器之設計
隔離型電力轉換器
推挽式轉換器(Push-Pull Converter)
由兩個順向式轉換器所組合而成
利用兩個功率開關(Q1、Q2)交互導通的方式來傳遞能量
每個功率開關之耐壓為兩倍之輸入電壓
適合在低輸入電壓之場合應用
Vo N S1

2D
VI N P1
27
太陽能電力轉換器之設計
隔離型電力轉換器
半橋式轉換器(Half-Bridge Converter)
利用兩個功率開關(Q1、Q2)交互導通的方式來傳遞能量
輸入電壓先經兩個大電容(C1、C2)分壓,再與兩個功率開關(Q1、Q2)
作橋式分流
Q1、Q2 之耐壓僅等於輸入電壓
適合高輸入、低輸出電壓之場合應用
Vo N S1

D
VI N P1
28
太陽能電力轉換器之設計
隔離型電力轉換器
全橋式轉換器(Full-Bridge Converter)
動作原理與半橋式相同
利用Q1、Q2 與Q3、Q4 為成對的開關切換使用
輸入電壓不經電容分壓,使得輸出能力大為增加
功率開關元件之耐流為半橋式之一半
功率開關元件之耐壓為推挽式轉換器之一半
適合高功率輸出的場合應用
Vo N S1

2D
VI N P1
29
最大功率點追蹤
何謂最大功率追縱(MPPT)法?




太陽光電池的電壓與電流並不
是線性的關係
不同的大氣條件下,日照量與
溫度不同每個工作曲線都不一
樣
每一個工作曲線均有一個不同
的最大功率點(Pmax)為最佳
工作點
需要一控制法則來使太陽光電
池隨時操作在最大功率點
30
最大功率點追蹤
追蹤方法





電壓迴授法
功率迴授法
擾動觀察法
増量電導法
實際量測法
31
最大功率點追蹤
電壓迴授法
求得太陽能板在某一日照強度及溫度下之最大功率點的電壓大小
調整太陽能板之端電壓,使其能與事先測試之電壓相符,來達到最
大功率點追蹤的效果
32
最大功率點追蹤
功率迴授法
與電壓迴授法類似
加入輸出功率對電壓變化率的邏輯判斷,以便能因應大氣的變化
而達到最大功率點追蹤
33
最大功率點追蹤
擾動觀察法
藉著週期性地增加或減少負載的大小
改變太陽能板的端電壓及輸出功率,並觀察
比較負載變動前後的輸出電壓及輸出功率大小,決定下一步的增、
減載動作
34
35
最大功率點追蹤
増量電導法
與功率迴授法相同
將dP/dV= 0改寫成:(I+VdI/dV)=0
量測增量值(dI/dV)與瞬間太陽能板的電導值(I/V),可決定下一次的
變動,當增量值與電導值符合(I+VdI/dV)=0要求時,表示已達到最
大功率點,即不進行下一次擾動
36
37
最大功率點追蹤
實際量測法
用額外較小的太陽能板,建立此日照強度及溫度的參考模型
求出在此大氣條件下的最大功率點之電壓和電流,配合控制電路
使太陽能板工作在此電壓或(電流)下,即可達到最大功率點追蹤
的效果
38
最大功率點追蹤
最大功率點追
蹤法
優點
缺點
電壓迴授法
最簡單
大氣條件大幅改變時,系統便不能自動
地追蹤到太陽能光電池的另一個MPPT
功率迴授法
減少能量损耗以及提
升整體效率
比電壓迴授法較為複雜,且需較多的
運算過程
擾動觀察法
結構簡單且需量測的
參數較少
到達(Pmax)附近之後,會在其左右震盪,
造成能量損耗,在大氣條件變化緩慢時
更為嚴重
增量電導法
可減少在Pmax點附近的
震盪,使其更能適應瞬
息萬變的大氣條件
當感測器無法達到非常精密的量測時,
其誤差是不可避免的
實際量測法
以實際量測來建立參
考模型,可避免因太陽
光電池及元件的老化
而失去準確度
對小功率系統不符合成本,對大功率系
統需考慮覆蓋太陽能模組
39
變流器
DC SUPPLY
INVERTER
(LOW PASS) FILTER
LOAD
L
+
vO 1

BEFORE FILTERING
vO 1
+
C
vO 2

AFTER FILTERING
vO 2
40
變流器
半橋變流器
S1 ON
Vdc S2 OFF
+
Vdc
2
S1
VC1
-
 Vo +
0
G
+
VC2
-
t
RL
S2

Vdc
2
S1 OFF
S2 ON
41
變流器
半橋變流器(續)
S1 ON
Vdc S2 OFF
+
Vdc
2
S1
VC1
-
 Vo +
0
G
+
VC2
-
t
RL
S2

Vdc
2
S1 OFF
S2 ON
42
變流器
全橋變流器
LEG R
LEG R'
+
Vdc
2
+
S1
Vo
Vdc
-
Vdc
S3
G
R
 Vo -
R'

-
2
t
+
Vdc
2
S2
S4
 Vdc
Vo  V RG  VR 'G
G is " virtual groumd"
43
全橋變流器(續)
S1,S4 ON; S2,S3 OFF
for t1 < t < t2
vO
S1
VDC
S3
VDC
+ vO 
t1
S2
t
t2
S4
S2,S3 ON ; S1,S4 OFF
for t2 < t < t3
vO
S1
VDC
S3
t2
+ vO 
S2
t3
t
S4
-VDC
44
變流器
脈衝寬度調變(PWM)



脈衝寬度調變 (Pulse Width Modulation,PWM)
將類比訊號轉換為脈波的一種技術
一般轉換後脈波的週期固定,但脈波的占空比(duty cycle)會依類比
訊號的大小而改變
正弦脈衝寬度調變(SPWM)





正弦脈衝寬度調變(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)
在PWM的基礎上改變了調製脈衝方式
脈衝寬度時間占空比(duty cycle)按正弦規率排列,輸出波形經過適當
的濾波可以做到正弦波輸出
通過改變調製波的頻率和幅值則可調節變流器輸出電壓的頻率和幅值
SPWM 可分為雙極性切換及單極性切換兩種
45
變流器
SPWM動作原理


vtri
此方法是將參考正弦波訊號111111與三角波訊號111作比較,根據
vcontrol
兩波形交會點決定開關之切換時機。
定義振幅調變指數111與頻率調變指數111為:
ma
mf
Vtri
vcontrol
ma 
vtri
mf 
fs
f1
Vcontrol
0
t
1
fs
v111111表示控制訊號之振幅、111表示三角波的振幅、1
vtri
control
fs
f1
1111表示控制訊號之頻率、111為三角波之頻率。
46
變流器
雙極性切換

於雙極性切換控制模式,則功率開關(Q1, Q3)及(Q2, Q4)組成兩組
vcontrol vtri
開關,開關對之控制訊號是由111111與1111比較後產生。
+
Q3
Q1
L
A
Vdc
Cdc
B
Q2
Co
R
Q4
47
變流器
雙極性切換
Vcontrol > Vtri:Q1、Q4導通,Q2、Q3截止,Vout = +Vdc
Vcontrol < Vtri:Q2、Q3導通,Q1、Q4截止,Vout = -Vdc
Vtri
Vcontrol
+
0
Q3
Q1
L
A
Vdc
Cdc
B
Q2
t
Q4
Co
R
1
fs
VAB
-
+Vdc
0
t
-Vdc
48
變流器
單極性切換

vcontrol
於單極性切換模式,則變流器之A、B臂之上下開關分別為111111
vtri 作比較後產生。
與1111111
vcontrol 兩訊號與三角波111
+
Q3
Q1
L
A
Vdc
Cdc
B
Q2
Co
R
Q4
49
Vtri
變流器
Vcontrol
0
-Vcontrol
t
單極性切換
Vcontrol > Vtri:Q1導通/Q2截止,VAN = +Vdc
VAN
Vcontrol < Vtri:Q2導通/Q1截止,VAN = 0
-Vcontrol > Vtri:Q3導通/Q4截止,VBN = +Vdc
-Vcontrol < Vtri:Q4導通/Q3截止,VBN = 0
0
t
VBN
+
Q3
Q1
Vdc
Cdc
N
B
Q2
-
0
L
A
Q4
Co
t
R
VAB
+Vdc
t
+Vdc
50
零點偵測電路
Waveform Synchronization
Inverter
TMS320F2812
Zero
Crossing
市電
R2
+Vcc
R1
DSP
R3
AC
-Vcc
C
R4
51
系統架構
霍爾元件
霍爾元件
Solar
Cell
Array
DC/AC
Western
Bridge
Inverter
DC/DC
Converter
L
NFB/CB
C
LOAD
市電
PWM 5
PWM 1~4
AC current
feedback
Gate driver
DC current
feedback
DC voltage
feedback
DC voltage
feedback
ADC IN2
DSP TMS320F2812
ADC IN1
XINT1
Zero-Crossing
detection circuit
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