基于再生能源系統的高效能電力轉換器設計

1引言

　　全球經濟的發展，帶來了其副作用——能源的日趨枯竭。各種能源，尤其是石化能源，是最緊缺的能源，加之溫室效應造成的生態環境破壞，各國其實早已對能源的可持續發展利用產生了相應的考慮，不僅為自己的能源問題擔憂，也為后代的能源問題擔憂，因此，全球已經達成了環境保護和能源再生的一致認同。

　　在部分潔凈能源中所建立的電力系統，需要利用市電網路或是使用電池做為備載來源，無法全時提供電能，也就無法彌補其間歇性發電的缺憾。因此，在眾多潔凈能源之中，太陽能便成了最環保和最可持續的發電模式，能有效取代目前石油能源。因此，使用太陽能或燃料電池，作為發電系統的初始電力提供者，也就成為國家的能源策略發展重點。

　　雖然太陽能電池及燃料電池等新能源的開發，其重要性已經成為大家的共識，而有深刻的了解。但整個發電系統，除了以再生能源作為初始電力外，還必須以有效地利用能源為訴求。如圖1為太陽能發電系統的示意圖，太陽能電板吸收光能轉換為電能，并將其輸出的直流電壓，經過直流-直流的電力轉換器及直流-交流的電力逆變器，轉換為直流及交流電，以供應不同電氣器具及設備使用。因此，電力轉換技術是再生能源發電系統中，眾多關鍵技術中的一重要環節，需要彼此提升，相輔相成。

　　電力轉換技術在過去幾十年，經過研究學者及工程人員的努力，已經成為一相當成熟的技術。但過去電力轉換需求，有很大的比率是以市電整流及功因改善電路后，成為400V直流高壓作電力轉換，或是以電池為原始電力，應用在低功率的應用場合。兩者的電力轉換應用，都因其輸入側為一低電流的規格，半導體或其他元件的導通損耗相對較低，容易處理。反觀，再生能源的發電系統，其提供的輸入電壓為低直流電壓，需要轉換成高輸出的直流或交流電壓，才能在未來完全替代目前石化能源的發電系統，為大多數現行使用的設備使用，提供一穩定的電力。以太陽能電池與燃料電池的電力系統為例，后級的電力轉換需要處理的是變動范圍大的輸入低電壓。假設其產生的電壓為16~24V，若要求的輸出功率為5kW的電力需求，在最低的輸入電壓為16V工作條件下，將有高達300安培以上的輸入電流。只要電力轉換傳輸線上有一毫歐姆的電阻值，就有90瓦以上的損耗，除了造成轉換效率降低外，散熱的處理更是影響空間需求、可靠度及成本的主要因素。處理上述的大電流需求，可以采用單一電力轉換器并聯多個半導體開關元件或采用多相式（Multiphase）并聯多個電力轉換器等方式，來達成高效率高功率密度電力轉換需求的目標。因此，電力轉換技術面對此一應用的挑戰，應是如何提升電力轉換技術，讓每一個電力轉換器能更有效率地處理高升壓比、輸入大電流及輸出高電壓等所衍生的技術問題。

　　因此，本文提出一新型低輸出電流漣波升壓型電力轉換器（Boost Converter with Ripple Reduction, BCRR）電路架構。基本上，此一電路因其為電流饋入式，得以保留該型電路的優點。同時，又可以改善應用于低壓-高壓的電力轉換器電路，所面臨的高輸入電流及高輸出電壓工作條件下的諸多挑戰，進而可以達成高效率、高功率密度的設計目標。本文除介紹此一電力轉換器電路架構工作原理，并進行以16-24V低輸入電壓，200V輸出電壓及320W輸出功率為電氣規格，制作一雛形電路實驗，驗證此一電路架構能改善元件的高承受電壓及電流應力，降低高壓輸出側脈動波形的電流漣波，并提高以太陽能及燃料電池等低電壓為初始電力的發電系統的效率。