交/直流兩用電源供應器應用白皮書

 

 

前言

 

過去使用交流電源供應器的目的是提供各國市電的電壓與頻率及模擬各種電力品質異常的現象。隨著新能源的發展，通訊與伺服器電源除了使用交流電源作為輸入 外亦可直接輸入來自 UPS 或儲能設備的直流電源(HVDC 或 LVDC)以節省因交流轉換為直流所產生的功耗，再加上交流電源的直流模式具備較快速的電壓變化響應時間 (相較於直流電源供應器)，這個特性可對應車載電裝品的測試需要，本文將完整說明這些應用。

 

 

測試儀器的天職：以已知探索未知

 

測試儀器(Test instruments)為輸出型儀器，提供的輸出有兩個用途，第一個用途是提供已知誤差的輸出來激勵(Stimulate)待測物(DUT)的輸入讓待測物得以運作； 第二個用途是模擬(Simulation)可能的故障現象，輸入到待測物以便觀察待測物的容錯能力或重現故障以利電路除錯。

 

為什麼不能直接用市電做功能性測試?

 

以一台筆記型電腦的充電器規格為例，輸入端的規格為：

• 額定輸入電壓 AC 100~240V
• 操作電壓範圍 AC 90~264V
• 額定頻率 50/60Hz±3Hz

 

市電無法提供全球泛用型充電器的額定輸入電壓範圍 100~240V，還必須提供± 10%的穩態電壓容許區，所以必須能夠提供 90~264V 的操作電壓做為輸入的激勵源。

 

自耦變壓器比交流電源便宜也能提供 90~264V 的電壓，為什麼不能取代交流電源?

 

自耦變壓器無法取代交流電源的原因有五點：

 

1. 無電氣隔離功能。
2. 做實驗或產品驗證除了需要控制變因外，必須以已知觀察未知，市電本身的電壓就是不穩定的，即使您用電表確認了自耦變壓器的輸出是 90V，難保下一秒因為鄰居負載的變動導致自耦變壓器的輸出變為 88V，以未知觀察未知無法達成實驗目的。
3. 自耦變壓器無法提供額定頻率 50/60Hz±3Hz 的頻率範圍。
4. 自耦變壓器的輸出阻抗大會造成輸出正弦波的失真，導致電源電路的 PFC(功率因數補償)電路追蹤一個有問題的波形。
5. 會產生 50Hz 或 60Hz 低頻電磁幅射干擾周邊電路。

 

電力品質相關標準

 

ITI¹ (CBEMA² )資訊科技產業委員會(電腦與商業設備製造商協會)：成立於 1916 年，1973 年委員會舊稱縮寫為 CBEMA²，1994 年改為現在的名稱 ITI¹，委員會的成立宗旨是鼓勵創新，資訊科技業界的巨頭幾乎都是會員，本文將以 ITI 委員會 2000 年更新的電力品質曲線作為解說案例。

 

除了 ITI 外，電力品質的相關標準還有 IEEE 1159 Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality ； IEC 61000-4-11 ； IEC 61000-4-34 ； Semi47 ：半導體製程電壓驟降抗擾力規格(Specification for semiconductor processing voltage sag immunity)。

 

圖(1)是 ITI Curve，此圖的電壓裕度 (Voltage Tolerances)包絡線適用於單相 120V 設備，圖中有三個區域，第一區為功能無中斷區(No interruption in function region)；第二區為禁制區 (Prohibited region)；第三區為不可造成損壞區(No damage region)。

 

 

 

圖 1： ITI Curve (本圖參考自 ITI 應用文章並加註中文及 SEMI47規格)

 

 

電源電路的設計對策：

• 功能無中斷區：保持電容(Hold-up capacitor)；前饋；回授控制；突波吸收。
• 禁制區：過電壓保護(OVP³)
• 不可造成損壞區：低電壓保護 (UVLO⁴)

 

電能轉換器控制機制包含：電壓回授；電流回授；輸入電壓前饋；輸入電流前饋；溫度前饋；負載變動前饋等。

 

功能無中斷區的電力品質議題

 

從 ITI curve 功能無中斷區的電壓裕度包絡線又可以細分為幾個區域，這些區域又 有各自的電力品質議題與因應對策，這些細分區域包含：

 

1. ±10%的穩態容許區：以圖(1)100V 為額定值，90~110V 為穩態容許區，在這個區間必須永遠保持設備能正常運作。
2. 電壓驟降(Voltage Sag)：電壓驟降的成因包含電動機啟動期間、線路故障或受影響干擾(短路、損毀、雷擊)、供電設備故障、瞬時負載變化等。可能的影響包含照明閃爍、電壓敏感設備跳脫(例如電磁接觸器 MC 或電磁電驛 Relay)，設備無法正常運轉(可程式邏輯控制器 PLC、高壓氣體放電燈 HID)。對於電壓驟降的耐受度符合 Semi47 規格的產品優於 ITI 及 IEC-61000-4-11 規格。ITI 的規格 為電壓驟降至額定值的70%必須維持設備正常運作 0.5 秒；驟降至額定值的 80% 必須維持設備正常運作 10 秒。Semi47 額外要求電壓驟降至額定值的 50% 必須維持設備正常運作 0.2 秒；其餘規格與 ITI 相同。
3. 電壓中斷(Voltage Interruptions)：短時間的電壓中斷 ITI 的規格要求設備 必須容許 20ms 之內的中斷設備依然需正常運作。
4. 電壓暫升(Voltage Swell)：電壓暫升的成因包含瞬時大量負載跳脫、系統故障。可能的影響包含照明閃爍、電壓敏感設備跳脫，設備無法正常運轉。ITI 的規格為額定值 120% 必須維持設備正常運作 0.5 秒。
5. 低頻衰減振鈴波(Low-Frequency Decaying Ringwave)：交流配電系統中功率因數修正(PFC)的電容導致的振鈴，這個具備電容器的設備在台灣電力公司稱為 STATCOM 或者 SVC，諧振頻率可從 200Hz 到 5kHz，模擬此現象交流電源必須具備 5kHz 的輸出能力，最大振鈴峰值是以額定電壓的峰值百分比，140% 峰值；頻率 200Hz 開始到 200%峰值；頻率 5kHz，峰值的變化與頻率的變化以線性遞增方式設定。固緯電子 2022 年推出的 ASR-3400HF 提供 5kHz 的輸出頻率，便可模擬 ITI 的低頻衰減振鈴波。 
   
   
   

    
   
   圖 2：左圖為 ASR-3400 ；右圖為低頻衰減振鈴示意波形
   
   
   

6. 高頻衰減振鈴波(High-Frequency Decaying Ringwave)為雷擊的暫態，已 經超過交流電源能測試的應用範圍。交流電源並不能直接對應這種測試, 是透 過外加 "雷擊測試設備" (Lightning Surge Simulator) 來達成。測試的條件與方 法請參見 ANSI/IEEE C62.41-1991，電路的對策是使用突波吸收器(TVSS⁵ )，ITI 應用文獻的資料提到設備至少要有 80 焦耳的暫態突波耐受能力。
   
   

 

圖 3：功能無中斷區電力品質議題示意圖

 

 

 

Note 1： ITI 為 Information Technology Industry Council 的縮寫簡稱

Note 2： CBEMA為 Computer and Business Equipment Manufacturers Association 的縮寫簡稱

Note 3 ： OVP Over Voltage Protection

Note 4 ： UVLO Under Voltage Lockout

Note 5 ： TVSS Transient Voltage Surge Suppressor

 

 

 

 

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