電的基本特性“電”是現代人生活上不可或缺的東西，它雖然無形無無味，卻是現代人生活上最重要的能源之一。電可分為直流電與交流電兩種，所謂直流電指的是兩個電極只有一方為正電位，而另一方為負電位，電流的方向是由正電位單向流往負電位，在自然界中所產生的電（如靜電、雷電…等）幾乎都是屬於直流電。而交流電則是兩個電極的電壓極性互相交替，電流方向也互相交替，它是由於磁電互換，切割永久磁鐵的磁力線所產生，我們日常所使用的電源 ，便是由發電廠利用此種方式所產生的電力。雖然電是無形無，但由於電流的傳輸與電位高低和傳輸阻抗的大小成線性的關係（電壓（V）＝電流（I）x 阻抗（R），歐姆定律），因此，透過特殊儀器（如示波器），我們仍可清楚看到電壓的波形，如圖1為我們常見的幾種直流電的波形，橫軸為時間軸，縱軸表示電壓的高低，圖1a為理想的直流電源，電功率（P）＝電壓（V）x電流（I）。圖1b、圖1c、圖1d雖然表面上看起來電壓大小並非固定，但其波幅（Amplitude）並未跨越0點，因此可視為在理想的直流電源上加載交流訊號，而形成 脈動直流電，其本質仍屬於直流電。圖2為我們常見的幾種交流電的波形，圖2a弦波為家用電源的波形，圖2b為方波 ，圖2c為三角波，圖2d為鋸齒波，而不管交流電的波形為何，其頻率（1/T）並不會隨著時間而改變，波幅（Vp）極性則隨著時間而交替變化。
電力的傳輸
自然界所產生的電力，由於尚無法有效掌控其電壓和能量大小，因此目前人類所依賴的電力，大多利用核能、火力、風力和水力…等方式帶動交流發電機來產生電力，由於設立發電廠所需的環境及件因素，所有發電廠均設於偏遠地區，遠離用電多的地方，因此便產生電力的傳輸問題。由歐姆定律知，導線兩端的電壓降與導線電阻和流經導線的電流成正比，因此在長距離電力傳輸時，為降低傳輸線的功率消耗提高輸電能力，必須以提高傳輸電壓方式來降低傳導電流，在用戶附近再依用電需要逐段降低電壓，供下游使用。圖3是台灣電力公司的電力傳輸簡圖（摘自w），其中由開關場到二次變電所部分便是屬於輸配電系統部分。
電力轉換的形式
當兩個線圈被固定在同一個磁芯時（如圖4） ，由於線圈的互感作用，在次級線圈兩端可以有效感應施加在初級線圈的交流電源能量，利用此種原理製成的變壓器，在電力輸配電系統的應用下即是占地數坪到數十坪的變電站，經常被使用於電力的轉換過程中，使得發電廠所產生的電力經過輸配電系統，不管經過幾次的升壓和降壓，最後送到一般用戶端的電壓僅有AC 100～240伏特。因此，常見電氣用品的電源輸入電壓都是遵循著這些電壓規格，表1列出目前世界各國的標準市電規格以供參考。
在日常所用的電氣用品當中，其輸入電壓範圍都在AC 100～240伏特之間，但他們的負載狀況並不相同，就如電動馬達的等效負載模式即有近千種之多，更何況電子產品琳琅滿目，所以驅動的狀況相當複雜，但是研發人員會根據各種應用上的需要，來把電源做調整，其轉換的方式以下粗略可分為下列四種型式：
1.交流電轉交流電（AC/AC）：如馬達用變頻器，利用頻率的改變和相位的調整可以不須
更換軸承大小或齒輪方向而來調整馬達的轉速和轉向；又如日光燈所使用的電子式器，把市電60Hz頻率提高到2000Hz以上來提高效率和功率因數，達到省電的效果。
2.交流電轉直流電（AC/DC）：由於一般家庭用電器（如電視機、音響、電腦…等）其內部元件所使用的電源均為直流電，故必須有電源供應器（或整流器）來把交流市電轉換成各種不同的直流電壓以使電器發揮功能。
3.直流電轉直流電（DC/DC）：在許多利用電池供電的電子電路中，常有一些元件需要雙電源供電（如LCD顯示器、電壓比較器、運算放大器…等），或因多組元件的工作電壓各不相同有多組不同電位的需求，此時便需要有DC/DC轉換器模組來獲得想要的電壓。
4.直流電轉交流電（DC/AC）：如不斷電器系統，平時利用充電式電池儲存電能，一但交流電源中斷，便可以把儲存在電池中的直流電力轉換成交流電，來維持正常供電。
各種電力轉換器的原理及產品特性
如上節所述有四種電力轉換型式，本節將說明此四種類型轉換器的原理及主要產品特性。
AC/AC轉換器的原理及主要產品特性
AC/AC的轉換電路大約可分為兩類，其中最常見的是將AC先轉成DC再由DC轉至AC，如圖5所示，由於此種轉換電路經過了兩個轉換程序 ，因此常會造成效率較差的情況，由圖5可明顯看出，若兩個轉換器的轉換效率各為η1和η2，則總效率ηT =η1×η2，而因為η1和η2都小於1 ，所以總效率ηT必小於η1和η2，然而由於其電路結構較為簡單 ，因此有許多AC/AC的轉換電路仍會採用此種轉換的方式，以下玆以日光燈用的電子器為例來說明之。
圖6為日光燈用的電子器的電路簡圖，圖的前半段是由橋式整流子和濾波電容所組成之最簡單的AC/DC轉換器電路，而後半段則是由兩個高壓MOSFET所組成的半橋式DC/AC轉換器，藉由控制電路使兩個高壓MOSFET在不同時間點切換，便可將DC轉換為AC電源來
驅動日光燈管，這是極為常見的AC/AC轉換器形式。而一個優質的電子器必須要有下列幾個特點：1.發揮燈管的特，提高光通量之輸出。2.可以延長燈管的壽命。3.當電力供應系統或者燈管發生異常現象，不會傷害電子器。4.電子器因為使用高頻點燈，必須不會對其他電子儀器設備造成干擾或被其干擾的情形。5.符合國內或者國際各種安全規範之要求。 另一種AC/AC轉換器是將AC電壓轉換成不同頻率或振幅的AC電壓，由於是直接轉換，所以它具有高轉換效率的優點，但是它的控制流程較為複雜，玆以AC/AC降壓型變頻器為例來說明。
圖7是降壓型變頻器的簡圖，它是藉由控制電路來操作S1～S4等電子開關的動作，藉由S1～S4開關的啟動順序來掌握流過電感L上的電流iL(t)，以得到降壓後的交流變頻輸出，而其控制的程序至少有數十種以上，甚至目前仍有其他控制程序繼續在研發當中，此外尚有其他如升壓型和各種變載的AC/AC轉換器電路等，由於篇幅有限不在本文討論。
市售變頻器應具有下列特點：portal认证服务器
1.穩壓範圍大，可能輸入額定電壓值±15%～30%或更高。
2.穩壓準度高，穩壓後電壓輸出誤差值越小越好，儘可能小於±1%以下。
3.超載能力強，最好有容許150%以上之瞬超載，而不會造成太大的電壓降。
4.反應時間要快，電壓穩壓之速度最好小於0.1秒。
水冷器5.高輸出效率，從空載到滿載之輸出率皆可高達95%以上。
6.可用單體模組化設計，使更換零組件容易。
7.有面板LED顯示整機狀況。
8.安全護罩隱藏式開關，可防止運送中損壞或人為勿動作造成無輸出電壓。
9.PC板採用雙層玻璃纖維，以防止接觸不良並使壽命增長。
在功能方面，應具有下列幾項功能：
1.過電壓保護功能：超過隱壓範圍外之不正常電壓，變頻器於本功能中自動關閉輸出電壓 ，不讓這非正常之高壓直接至機器內部，而燒毀機械設備。
2.過低壓保護功能：過低的輸入電壓將使自動化機械運作不正常，而提高不良率。
3.R.S.T欠相線保護：機械在正常運作中，外電若突然斷掉任一相線，變頻器立即停止供電並亮起警告燈，確保機械安全用電與防止機械造成重大損壞。
4.瞬間斷電延遲保護功能：瞬間停電再來電最容易使機械設備造成重大損壞，此項功能可防止瞬間再來電的衝擊以確保機械安全無虞。
5.過載保護功能：若機械設備超出穩壓器之額定容量時，變頻器會將切斷輸出電源以保護本機。
1 63
6.短路保護功能：當變頻器輸出端有短路時 ，即自動切斷電源保護本機。
7.旁路開關切換功能：當工程人員進行定期保養或維修服務時切換旁路開關，使不致影響機械生產工作。
8.輸出電壓可調功能：變頻器輸出電壓可依使用者需要做±10%上下電壓調整，滿足各類機械使用多用途之功能成為一台可抵數台之好幫手節省不必要之開銷。
9.採CPU監控功能：可使本機任何功能準確度更高。
10.開機自我檢測功能：可防止開機馬上送電輸出，以確保輸出電壓之正常。
AC/DC轉換器的原理及產品特性
電源供應器是屬於AC/DC的轉換設備，依其電路結構的不同，可分為線性式電源供應器和
交換式電源供應器兩種，簡單的線性式電源供應器是由變壓器、二極體整流器和電容濾波器所組成（如圖8），其優點是電路簡單、穩定度高、暫態響應快、可靠度高、漣波小、電磁干擾小、成本低廉，而因其使用大電流變壓器，體積大且重量重，一般都無法直接安裝在電路板上，轉換效率低（約30～50％）、不可做直流輸入為其缺點。
為克服線性式電源供應器的種種缺點所發展出的切換式電源供應器，其特點是效率高、空載時耗電小、重量輕、可做直流輸入，而其缺點是電路較線性式電源供應器複雜、漣波比較大、電磁干擾也大。玆以瓦數在100W以下的返馳式轉換器（Flyback Converter）為例來說明其原理。
圖9為目前最普遍被使用的切換式電源供應器電路簡圖，在100W以下的應用上，由於電路簡單成本低廉，以經濟的角度來說，它幾乎是沒有別的電路所能取代的，只需要控制S1電子開關的導通與否，即可得到DC電壓的輸出，而且變壓器的初級圈具有變壓和電感的雙重功能，藉由MOSFET的開關作用將儲存於在變壓器的能量傳遞給次級側，再藉由電容C的充電保持功能來得到直流電壓Vo，此外藉由改變變壓器初、次級的圈數，就可以得到想要
的DC電源。
一個優質的切換式電源供應器至少應具有下列特點：
1.輸入電壓範圍為90～264伏特之間。
2.輸入頻率範圍47～63Hz。
3.轉換效率80%以上。
4.停電後輸出維持時間（Hold up time）最少10毫秒以上。
5.產生之EMI雜訊（Power line宝商集团陕西辰济药业有限公司 noise）須符合FCC和CE標準。（註）
6.輸出入端具隔離效果。
无线发射电路7.輸入電壓超出額定值時輸出電壓的改變量（Line Regulation）須小於±1%以下。
8.輸出漣波和雜訊在1%以下。
9.具過電壓、過電流保護功能。
10.具有防靜電和防雷擊功能。
11.機殼的漏電流在0.75mA以下。
註：FCC為美國聯邦通訊委員會的縮寫，CE為歐盟共同標準。
DC/DC轉換器的原理
常見的DC/DC轉換器有降壓型（Buck）和升壓型（Boost）兩種，其電路架構分別如圖10和圖11所示。其中以降壓型比較常被使用，而低功率的升降壓型IC以電腦的主機板的使用量最大，近年來手機及PDA的電源轉換部分使用量亦逐漸增加。不論是降壓型或升壓型轉換器主要都是藉由MOSFET的導通週期的大小來控制輸出電壓的高低。
降壓型轉換器在MOSFET導通（ON）時 ，Vd會有電流流過電感L，使能量儲存在電感上，而當MOSFET截止（OFF）時電感上的能量會釋放到RL上以維持電壓的輸出，藉由回授電路把輸出電壓回授到控制電路來和參考電壓做比較，而後控制MOSFET工作週期的大小，達到輸出穩定的目的。
升壓型轉換器和降壓型轉換器所使用的元件種類相同，但是電路結構不一樣，當MOSFET ON時，Vd一樣會向電感充電，能量儲存於電感上，當MOSFET OFF時，由於楞次效應的結果電感電壓反向，而且加上輸入電壓Vd透過二級體D構成迴路，使輸出電壓VO會大於輸入電壓Vd，而為使得輸出電壓穩定，則藉由電壓回授取R2電阻上的電壓至控制電路來控制MOSFET的工作週期，以達到穩壓得效果。在低瓦數方面如PHILIPS、SIPEX等廠家都推
出IC來提供使用，如PHILIPS的TEA1206、TEA1204系列、SIPEX的SP6120、SP6122系列、沛亨（AIC）的AIC1563、AIC1341…等。而PHILIPS的TEA1206系列把控制電路和MOSFET包在同一顆晶片上，而且可以藉由不同外加電路來達到升壓或降壓得效果，使用彈性相當大。
一個優質的DC-DC轉換模組至少應具有下列特點：
1.轉換效率高於50%以上。
2.輸出入端具隔離效果。
油门拉线
3.具短路保護功能。
4.具過電壓保護功能。
DC/AC轉換器的原理
DC/AC轉換器常稱為INVERTER，電路結構如圖12所示。其中控制電路的主要作用是以一個高頻的三角波和低頻的正弦波作比較，如圖13所示。當Vctr1＞Vtri時S1：ON S2：OFF，而當Vctr1＜Vtri時S1：OFF S2：ON，故圖12上的VAO為PWM脈波，而由VAO再經過由電感L和電容C所組成的濾波器後，可以濾出近似於基本波VAO1的正弦波輸出，若LC組成的低通濾波器能改為精確的帶通濾波器（Band pass filter, BPF），則可更真確地得到基本波的輸出，目前的不斷電系統（Uninterruptible Power System, UPS）都是用類似的原理來作成的。
UPS的用途是當市電發生中斷時，緊急取代市電，使儀器設備不因瞬間電力中斷而停機甚至造成損壞，由於UPS功能及價格較其他緊急電源供應設備高，故一般均用於保護重要設備，例如電腦設備、監控儀器、消防設備、醫療儀器…等。UPS並不是停電時才會動作，如遇到電壓過低或過高、瞬間突波等，足以影響設備正常運轉的電力品質問題時，UPS均會自動穩壓濾除雜訊，提供給設備穩定且乾淨的電源環境。UPS的供電原理是當市電正常
時，會將市電的交流電轉換為直流電，一方面提供變流器轉換成潔淨交流電供設備使用，另一方面對電池充電 ，以備電力中斷時使用；一旦市電異常時，即將儲存於電池中的直流電供變流器轉換為交流電，供給負載繼續使用，達到不斷電的功能。
早期的UPS分為在線式（ON-LINE）及離線式（OFF-LINE）兩大類，最近已有廠商推出在線互動式（LINE INTERACTIVE），其特性介於在線式與離線式之間，但就其動作特性與供電方式而言，應歸類於離線式。在線式不斷電系統（ON-LINE UPS）是當市電正常供電時，市電經濾波迴路及突波吸收迴路後，分為兩個迴路同時動作，其一是經由充電迴路對電池組充電，另一個則是經整流迴路，作為變流器的輸入，再經過變流器的轉換提供淨化過的交流電力給負載使用；此時若市電發生異常 ，則變流器的輸入則改由電池組來供應，變流器持續提供電力，達到完全不斷電。由此可知，ON-LINE UPS的輸出完全由變流器來供應，不論市電電力品質如何，其輸出均是穩定且純淨的正弦波電源，同時具有穩定電壓，抑制雜訊干擾及防止頻率飄移等淨化電源原理設計，因此若處在電力品質不佳的環境（如工業區、郊區、動力設備附近等），且軟硬體設備資料不容許因電力品質問題而故障，則最好是選用ON-LINE UPS，才可提供設備更完善的保護。
離線式不斷電系統（OFF-LINE UPS）是當市電正常供電時，直接供應給負載使用，在此同時有一迴路經充電迴路對電池組充電，此時若市電的電壓不穩定或市電發生異常，則由靜態轉換開關切換到變流器，由變流器提供穩定的電力給負載使用，大部份此類產品的輸出波形皆為方波或階梯波，亦適用於電腦之電源。在電力品質不錯的環境中（如住宅區與商業區），電力異常的現象並不常發生，電腦設備可以使用OFF-LINE UPS，以降低購置成本。
在線互動式不斷電系統（LINE INTERACTIVE UPS）其原理與離線式不斷電系統相去不遠，其主要不同在於此類產品將充電迴路與變流器整合為雙向轉換迴路，可自動偵測輸入電壓是否符合於正常範圍內，如有偏差可由穩壓電路昇壓或降壓，提供較穩定之輸出電壓，其他工作原理與離線式相同。
UPS依輸入/輸出相數及電壓可分為單相輸入單相輸出，（應用於10KVA以下，離線式、在線互動式、在線式等小容量UPS），三相輸入單相輸出（應用於10KVA以上在線式UPS），
三相輸入三相輸出（應用於20KVA以上在線式大容量）。由於UPS研發設計以電腦為主，並非所有負載均適用，尤其是電感性負載，像馬達、電風扇、冷氣機等家電均不適用，因為電感性負載會有反電動勢的產生，對於離線式UPS會造成傷害。此外像影印機、雷射印表機等啟動電流較大的設備亦不適用於UPS，因其瞬間啟動電流大，若UPS容量不足時，易造成瞬間超載，一旦適逢市電中斷時，UPS輸出亦中斷。平時UPS長期處於超載使用時，將縮短電子元件及UPS的壽命。OFF-LINE UPS在作電力系統轉換時，會有轉換時間，其長短各廠家產品設計不同，一般均介於2至10毫秒，就電腦而言，當電力中斷時，其本身的交換式電源供應器應可維持10毫秒以上，因此不斷電系統的轉換時間是一般個人電腦所能接受的。目前市面上銷售的UPS大都以VA（視在功率）為單位，V表示電壓，A表示電流，電壓乘以電流就表示功率，也就是UPS的容量；以一部500VA的UPS來說明，當其輸出電壓為110V時，其可供應電流4.55A，當負載所需求的電流值超過4.55A時，就表示超載了。將各個負載的額定容量累加求出總容量，並對瞬間啟動耗電量大的負載（如列表機…等），需另以瞬間啟動時的耗電量計算，避免所有設備同時啟動造成超載情形時一旦市電中斷則UPS亦無法持續供電。負載總耗電量（VA值與W值）不得大於UPS輸出端功率（VA值與W值），否則就是超載，一旦市電異常或中斷，UPS無法正常運作，亦造成負
載面臨斷電危機。
結論
本文由電的基本特性、電力公司的電力傳送原理開始探討，到各種電子產品所需的供電形式，無論在AC或DC方面都作了相當詳細的說明及研究，對於初學者或電子電機界的老手而言 ，本文提供了相當豐富的參考資料，尤其AC、DC本身或它們相互之間的電壓振幅或頻率的轉換，除了提出了解決方式，並對其特點詳加說明，希望讀者看完之後能有所啟發，並本著這些觀念繼續開發出新的產品。
參考文獻
1.w/
2./
3./
4./
5.w/
6.w
7.Guan-Chyun Hsieh, and Chang-Hua Lin ., Harmonized strategy for breaking the striations in the fluorescent lamp, Industrial Electronics, IEEE Transactions on , Volume: 48 Issue: 2 , April 2001, p 352 -366
8.Jang-Hyoun Youm, and Bong-Hwan Kwon., Switching technique for current-controlled AC-to-AC converters, Industrial Electronics, IEEE Transactions on , Volume: 46 Issue: 2 ,
April 1999, p309 -318
9.Ned Mohan, Tore M. Undeland, and William P. Robbins., Power electronics : converters, applications, and design, Wiley, New York, 667 pp. 1989.
（本文作者：林慶仁為中央研究院地球科學研究所技士，宋自恆為品佳股份有限公司研發工程師）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议