1 Chapter 簡 介 1-1 前 言 1-2 電力電子的意義 1-3 電力電子技術的領域 1-4 電力電子之發展史 簡　　　介 1-1　前　言 1-2　電力電子的意義 1-3　電力電子技術的領域 1-4　電力電子之發展史 1-5　電力電子的應用 1-6　電力電子轉換器之類型 1-7　IsSpice的系統介紹

1-1 前　言 　　自1957年閘流體問世以來的「電力電子時代」從今年起已經跨入「電力電子革命時代」。這個新的時代就是「電力電子與微電腦結合」的時代。過去的三十餘年中，電力電子經歷了許多密集系統上的眾多發明，使得電力電子已經成為一項主要的技術，眼見這些發明與進步仍在不斷地持續中，所以電力電子技術將會更充實，若產品價格能再行下跌，性能更加日益精進，則電力電子的應用實例將會在工業、商業、住宅及航空等領域中處處可見。正因為電力電子的潛力無窮，所以美國電力電子應用中心的主任研究員波斯教授 (Prof. B.K. Bose) 稱它為明日之星的技術 (An Emerging Techno-logy)

1-2 電力電子的意義 電力電子 (power electronics)廣義的解釋為：控制電源到負載間的功率轉換。電力電子是一門綜合的技術，將電力、電子與控制三者合而為一。 圖1-1　電力電子對電力、電子與控制之關係

1.電　力 (power) 電力部分係探討功率轉換器電路功率之轉換。負載包括靜態與動態之各類電機設 2.電　子 (electronic) 電子部分介紹控制功率用之功率半導體元件。諸如：閘流體、功率二極體、功率電晶體……等等。 3.控　制 (control) 控制部分則討論以控制所實現之觸發電路去驅動半導體元件。現代控制理論有許多發展使用，例如：適應控制 (adaptive control)、最佳控制 (optimal control)、模糊控制 (fuzzy control)、類神經網路 (neural net-work)……等等。

1-1 如圖1-2，為一單相可控式整流器，具有一純電阻負載 ，依據本節所述，就此電路請分別說明那一元件或方塊圖是組成電力電子之三要素。 電力部分：可控式整流器 電子部分：閘流體 控制部分：閘極控制電路 圖1-2　單相可控式整流器

電力電子與微處理機以及轉換器電路、電機機械、類比 / 數位電子、電腦輔助設計、VLSI電路與控制理論結合，如圖1-3所示 1-3 電力電子技術的領域 電力電子與微處理機以及轉換器電路、電機機械、類比 / 數位電子、電腦輔助設計、VLSI電路與控制理論結合，如圖1-3所示 圖1-3　電力電子是一項綜合的技術

1-4 電力電子之發展史 (History of power electronics) 圖1-4　半導體元件發展史

回顧過去三十年電力電子在訴求的重點上可分為四個階段： 1-5 電力電子的應用 (Application of power electronics) 回顧過去三十年電力電子在訴求的重點上可分為四個階段： 1.省工階段 (labor saving)； 2.省能階段 (energy saving)； 3.精巧階段 (compact and miniature)； 4.高速度及快響應階段。 圖1-5　電力電子應用之額定功率及頻率範圍

表1-1 功率半導體元件之額定 類 型 上限切換頻率 (Hz) 電壓 / 電流額定 功 率 二極體 一般用途 5000 V/5000 A 表1-1　功率半導體元件之額定 電壓 / 電流額定 上限切換頻率 (Hz) 功　率 二極體 一般用途 5000 V/5000 A 1 K 高　速 3000 V/1000 A 10 K 肖特基 (schottky) 40 V/60 A 20 K TRIAC 1200 V/300 A 400 K GTO 4500 V/3000 A 功率電晶體 400 V/250 A 功率MOSFET 500 V/8.6 A 100 K IGBT 1200 V/400 A 類　　型

為了控制或調節功率，將功率自某種型式轉換為另一種型式是必要的，電力轉換器可執行上述功能，方塊圖如圖1-6所示。 1-6 電力電子轉換器之類型 (Types of power electronics converters) 為了控制或調節功率，將功率自某種型式轉換為另一種型式是必要的，電力轉換器可執行上述功能，方塊圖如圖1-6所示。 電力電子轉換器可分為下列六種類型： 圖1-6　電力電子轉換器之方塊圖

表1-2 電力電子應用 項 目 例 子 1.住宅方面(residential) 表1-2　電力電子應用 項　　目 例　　　　　　　　子 1.住宅方面(residential) 冰箱及冰櫃 (refrigeration and freezer) 空調 (air conditioning 照明 (lighting) (4) 電子器材 ( 個人電腦、遊樂器 ) (electronics, personal computer, other entertainment equipment) 2.商業方面(commercial) 暖氣、通風與空調 (heating, ventilating, and air conditioning) 電腦及辦公器材 (computers and office equipment) 不斷電系統 (uninterruptible power supplies, UPS) (5) 電梯 (elevators) 3.工業方面(industial)) 壓縮機 (compressors) 工具機 ( 機器人 ) (machine tools (robots)) 電弧爐、感應爐 (arc furnaces, induction furnaces) 工業雷射 (industrial lasers) 感應加熱 (induction heating) (7) 電焊 (welding) 4.交通方面(transportation) 電動車拖曳控制 (traction control of electric vehicles) 電動車的電池充電器 (battery chargers for electric vehicles) 電動火車 (electric locomotives) (4) 地下鐵 (subways) 5.電力系統方面(utility systems) 高壓直流輸送 (high-voltage DC transmission, HVDC) 靜態乏功率產生 (static var generation, SVG) 替代能源 (supplemental energy sources) (4) 能量儲存系統 (energy storage systems) 6.航空方面(aerospace) 太空梭供電系統 (space shuttle power supply system (2) 衛星電力系統 (satellite power systems) (3) 飛機電力系統 (aircraft power systems) 7.通　訊(telecommunications 電池充電器 (battery chargers) (2) 供電器 ( 直流及UPS) (power supplies (DC and UPS))

1.二極體整流器 (Diode rectifiers, AC-DC converters) 圖1-7　二極體整流器電路

2.交流 - 直流轉換器 (AC-DC converters) 圖1-8　單相交流 - 直流轉換器

3.交流 - 交流轉換器 (AC-AC converters) 圖1-9　單相交流 - 交流轉換器

4.直流 - 直流轉換器 (DC-DC converters) 輸出電壓平均值 ， 稱之為任務週期 (duty cycle)，其值大小介於0與1之間。 圖1-10　直流 - 直流轉換器

5.直流 - 交流轉換器 (DC-AC converters) 此型轉換器又稱為變流器 (inverter) 圖1-11　直流 - 交流轉換器

6.諧振式轉換器 當電壓 波形頻率 等於 電路形成的諧振頻率 ，即 ，因而發生諧振現象，經過 元件所構成的諧振電路，負載端會出現正弦波電壓，如圖1-12(b) 所示。 圖1-12　諧振式轉換器

表1-3　功率電路中電力轉換器的種類與名稱 電力轉換器種類 名稱與應用領域 1.AC/DC轉換器 二極體整流器 相位控制整流器 (3) 應用領域：一般整流器、功率因數修正電路 2.DC/DC轉換器 截波器 (chopper) 切換式電源供應器 (switching power supply) (3) 應用領域：電子安定器、焊接與切割、切換式電源供應器 3.DC/AC轉換器 變流器 (inverter) (2) 應用領域：馬達驅動與控制、太陽能電池的電力轉換、不斷電電源系統 4.AC/AC轉換器 交流電壓控制器 換流器 (cycloconverter) 直流鏈轉換器 (DC link converter) 矩陣式轉換器 (matrix converter) (5) 應用領域：電熱與感應加熱 5.諧振式轉換器 (DC-AC) (1) 輸出電壓波形為正弦波 應用領域：(a) 電子安定器；(b) 切換式電源供應器

立即顯示波形，就如同你在麵包板上調整可變電阻，示波器會顯示調整後的波形一般。 IsSpice系統包含四個主軟體： 圖1-13 立即顯示波形，就如同你在麵包板上調整可變電阻，示波器會顯示調整後的波形一般。 IsSpice系統包含四個主軟體： 1.SpiceNet 電路圖輸入軟體； 2.PreSpice 模型資料庫軟體； 3.IsSpice4 電路模擬軟體； 4.IntuScope 波形分析與處理軟體。

1-7.1　IsSpice系統執行流程 　使用IsSpice系統的流程首先需進入SpiceNet繪製電路圖 ( 自動產生netlist)，然後執行IsSpice模擬，在模擬之前系統會自動連結元件資料庫PreSpice的元件模型或副電路，模擬之後再應用IntuScope分析量測波形。當需要重新修改電路元件值或模擬分析指令時，IsSpice系統其有四種不同方式提供你修改電路完成模擬分析工作。 圖1-14

IsSpice特點 ·以繪製電路圖方式，快速建立netlist。 ·提供下拉式畫面或關鍵字輸入法，迅速取得元件及工具。 ·提供符號編輯工具與各種編輯功能。 ·自動元件連接，自動產生節點編號及元件編號。 ·輕鬆修改元件參數 ( 元件、溫度值及模型參數等 )。 ·交談式SPICE指令輸入。 ·執行模擬後，直接顯示波形及執行交談式模擬控制。 ·執行模擬後，直接顯示節點的偏壓值。 ·產生完整的SPICE netlist，不需要其他的編輯軟體。 ·與任何SPICE模擬軟體相容。

圖1-15

IsSpice具備功能如下： ·波形的計算：加、減、乘、除、微分、積分、FFT與多項式。 ·數學運算：三角函數、對數、指數與代數。 ·可接受任何SPICE軟體的輸出檔 (.OUT) 或自建的資料檔。 ·允許顯示和分析大量波形。 ·可顯示不同刻度，如：線性、半對數、條狀圖與或然率。 ·包含多種獨立刻度的多樣化圖形。 ·回歸、濾波、增益 / 相位邊限、上升 / 下降時間。 ·可將波形轉換成PWL格式。

圖1-16