高功率驅動器技術與趨勢

摘要：本文主要探討高功率驅動器的技術發展與應用趨勢。因應工業自動化和節能需求不斷進化，特別是在可再生能源和高效能電動車等領域的應用日益廣泛。文中分析了多階驅動器技術的優勢，例如降低切換損失、改善電壓波形和提高系統可靠性，這些技術使得控制器能更有效地轉換能源，並提升整體系統的效能和壽命。此外，文章還探討了矩陣變換器、並聯驅動器的結構和功能，可進一步提升驅動器的效率和緊湊性。隨著技術進步和智慧化發展，未來高功率驅動器市場預計將持續擴大，並在全球範圍內推動能源效率和自動化的提升。
Abstract：This article mainly discusses the technological development and application trends of high-power drivers. Continuously evolving to meet the demands of industrial automation and energy saving, these drivers are increasingly used in fields such as renewable energy and high-efficiency electric vehicles. The article analyzes the advantages of multi-level driver technologies, such as reducing switching losses, improving voltage waveforms, and increasing system reliability. These technologies enable controllers to convert energy more effectively and enhance the overall system performance and lifespan. Additionally, the article explores the structure and functions of matrix converters and parallel drivers, which can further improve the efficiency and compactness of drivers. With technological advancements and the development of intelligence, the high-power driver market is expected to continue expanding globally, promoting improvements in energy efficiency and automation.

關鍵詞：多階驅動器、矩陣變換器、並聯驅動器
Keywords：Multi-level drivers, Matrix converters, Parallel drivers

前言
工業用高功率電子產品的銷售額逐年提高，其發展成長得益於四個方向，燃油設備電氣化，再生能源，工業傳動，以及電網。傳統設備如燃油動力，因為能源短缺與地球環保意識抬頭，內燃機逐漸被電氣驅動裝置所代替，且傳統齒輪箱效率較低，需簡化傳動設備裝置結構方式，或者是傳統感應馬達效率比不上永磁無刷馬達，這些動力設備逐漸被電氣化動力源或高效率動力元件所取代[1]。
中高壓工業電力電子系統在近年技術趨勢逐步往多階轉換器，可提高效率，並採用高速數位晶片快速發展。尤其在過去50多年來，出現了不同輸出電壓水平的各種轉換器，從傳統二階馬達驅動器，80年代的三階轉換器，這些拓撲被提出，主要是為了提高輸出功率等級，在保持電流不變下且提高輸出功率，意味著需要提高電壓等級，另外一個目的是避免電網的降壓變壓器的使用。在高功率馬達應用領域，高效率是最為重要之規格，要提高馬達驅動器效率，需要降低損耗，如切換損。尤其是在綠色再生能源系統，如交流柔性輸配電與太陽能發電系統，高效率的能源轉換更是重要。
多階驅動器
傳統二階電壓源變換器在交流電壓輸出受限於功率開關元件的最高電壓阻斷能力，為了克服此問題，廣泛使用的技術是將一組功率裝置進行串聯，可以分散阻斷電壓，這種方式可被推廣到任何數量的開關裝置結構，多階轉換器因此出現在應用產品，但是在真實情況之中，由於靜態與動態特性的規格要求下，需要進行一些設計上的強化[2]。
2-level inverter是最基本的設計如圖1(a)，它使用單一個直流電源和兩個功率晶體開關來輸出兩個電壓級別，這種設計透過脈衝寬度調變（PWM）控制來切換電壓，從而產生交流電源，如圖1(b)。其輸出電壓示意可以簡單表示為兩種狀態：正最大電壓和負最大電壓，這種轉換器雖然結構簡單，但在高品質電力需求的應用中會面臨一些限制。
相較之下，多階技術提供了一個更進階的解決方案。這種技術利用多個電壓級別來進行電力轉換，從而有效地模擬出接近正弦波的波形。例如，在一個3-level T-type inverter的架構如圖2(a)中，使用數個功率晶體開關和電容通過精確控制開關的開合，將直流電源(DC)轉換成具有多個電壓級別的交流電源(AC)。這種架構提供三個主要電壓級別：正半最大電壓、零電壓和負半最大電壓如圖2(b)。三級轉換器具有以下幾個顯著特性：
1.降低切換損耗：由於每個切換只涉及到總電壓的一半，切換時產生的能量損耗相應降低，這有效提升轉換器的整體效率。
2.改善電壓波形：增加的電壓級數能夠產生更平滑的電壓波形如圖3，有效地降低了諧波的產生，從而提高了電力品質。
3.提高系統可靠性：由於每個開關承受的電壓降低，這不僅提升了開關元件的壽命，也增加了整個系統的耐壓性和可靠性。在高壓應用中，這允許透過多電位架構的組合靈活設計，進一步擴充系統的應用範圍。
以3 level T-type 架構介紹PWM的開關方式，如圖4所示:
(1)步驟1，開啟上臂開關，下臂與中間層的開關關閉，此時將輸出正電壓 + E。
(2)步驟2，開啟中間層開關，上下臂開關關閉，輸出壓為0。
(3)步驟3，開啟下臂開關，上臂與中間層開關關閉，此時輸出負電壓-E
透過三種開關方式，可以簡單產生三種電壓。
接下來根據Hava等人[3]所提供的Carrier-based PWM 方法，在正弦波中加入零相序電壓 V0以建立SVPWM訊號，

(a)                                                           (b)
圖1 (a) 2 level inverter (b) 2 level waveform