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南台科技大學電力電子研究室S707 高頻高壓交流脈衝供電系統之研製 Development of a High-Frequency High-Voltage Pulse Power Supply System 大綱 摘要 研究動機與目的 負載簡介 功率因數校正 柔性切換技術概述 全橋式零電壓轉換器 控制方法 實驗結果 結論 摘要 本文研究高頻高壓交流脈衝供電系統的功率控 制方法，主要應用在介質放電與電暈放電等氣體 放電的應用上。本文所提出之系統架構其前級是 由主動式功因修正器，藉由昇壓式交流到直流轉 換器產生穩定直流電壓後再經由後級全橋相移式 零電壓轉換器產生所需要高頻電壓，並且藉由相 移脈波寬度調變與脈波密度調變兩種方法來控制 。 研究動機與目的 高頻高壓脈衝電源經近三十年來迅速發展，已 逐漸形成一門獨立的新興技術領域，此種電源已 被大量使用在半導體工業、封裝產業、印刷電路 板工業及LCD產業的製程中；另一方面也被大量 使用在和空氣、水污染防治與環保相關之廢棄物 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，根據各種材料性質與大小，而獨立 的加以調整輸出所需之功率，以提高產品之效 率。早期由於功率半導體技術的限制，這類設備 所需的高壓交流脈衝電源設備，不僅體積大、重 量重且效率不佳。 負載簡介 介電質放電（Dielectric Barrier Discharge, DBD） 介電質放電又稱為無聲放電(Silent Discharge) 或流光放電(Streamer Discharge)，它同時具有輝光 放電的大體積的激發及電暈放電之高操作壓力的 優點，介電質放電主要由內、外兩個電極及介電 質所構成，其中介電質位於兩電極之間。在兩電 極中置入高介電強度之介電質，如玻璃、石英、 陶瓷等，並於兩電極間加上高電壓產生放電。 負載簡介 介電質放電意示圖 負載簡介 負載簡介 介電質放電的負載特性是一個非線性損耗的電容，並 空氣間隙的損失的能量進入介電質放電中，此介電質放電 所消耗的能量可表示為如下所示： 負載簡介 介電質放電量測外部電荷 的變化並要串聯一個電容Ci， 所構成電源供應器之負載，高 壓隔離探棒，量測負載輸出電 壓V(t)，另一探棒並量測電容Ci 之跨壓，由於外部電荷Q(t)與電 容Ci之跨壓關係為： 負載簡介 介電質放電所消耗的功率並 以李塞育圖(Lissajous Figure) 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 容的介電質電極在放電週期時可 由Q-V曲線中線段斜率分別為 負載簡介 介電質放電的能量W為李塞育Q-V曲線區域所包圍面積 ，可表示為下所示： 功率因數校正 功率因數修正器主要的作用就是讓輸入端的電壓 和電流同相位，若依使用的元件來分類，可分為被動 式功率因數修正器和主動式功率因數修正器。由於被 動式功率因數修正器主要組成元件是電阻、電容、電 感、變壓器等元件，此類功因修正器電路有著結構簡 單和低成本優點，而被動式功率因數修正器的體積都 相當大且笨重，且其功因值最好的情況下只能到達 70%而已，在較嚴格的功因要求規範下並不適用，所 以本文選用主動式功率因數修正器來作功因的修正。 功率因數校正 主動式功率因數修正器常用的控制模式有二種：峰值 電流控制法和平均電流控制法。 峰值電流控制法利用電感電流的峰值追隨正弦命令電 流，其優點為控制電路具有限流功能，電流控制迴路設計簡 單。缺點在於電感電流的平均值於零交越點附近會有零交越 失真的現象，需要斜率補償。電流誤差會愈來愈大，這個現 象也會造成電流諧波量增加，導致功因值降低。這種控制法 不適用於高性能的主動式功因修正器。 平均電流模式的優點則是在電路上再外加一個由放大器 電路構成的回授電路，也因此輸入電流將會以微小的誤差量 追隨電流命令而變化，所以選擇以平均電流來作為控制的模 式。平均電流模式具有控制輸入電流與穩定輸出電壓值的目 的，可以準確地維持輸入電流正弦波形，且無需斜率補償。 柔性切換技術概述 當開關元件在主電路中作切換時，若是使用傳統硬切的 方式切換，在開關截止的瞬間，它的電壓與電流產生交越而 產生一電壓的突波，其值會超過正常的輸入電壓值，此突波 會增加開關元件的電壓應力，當開關導通的瞬間，由於開關 上電流受到寄生二極體反向回復的影響，電流會快速上升而 產生一電流的突波，此電流突波會造成開關元件的電流應力 ，如下圖所示。 柔性切換技術概述 近幾年柔性切換技術逐漸取代傳統硬式切換，柔性切換 技術可分為零電流切換(ZCS)及零電壓切換(ZVS)兩種方式。 1.零電流切換(ZCS)：當開關截止時，其開關上的電流必須維