بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارائه يک مبدل دو جهته ZVS جديد با حداقل المان کمکي
چکيده - در اين مقاله يک مبدل dc-dc دو جهته غيرايزوله جديد معرفي مي شود. مبدل پيشنهادي مي تواند تحت شرايط کليدزني ولتاژ صفر (ZVS) و فرکانس کليدزني ثابت بدون در نظر گرفتن جهت فلوي توان عمل کند. براي ايجاد شرايط ZVS سوئيچ ها در اين مبدل از يک مدار کمکي بسيار ساده استفاده مي شود، که شامل يک سيم پيچ تزويج شده به سلف اصلي و يک سلف کمکي مي باشد. به دليل عملکرد ZVS سوئيچ ها، مشکل بازيابي معکوس ديود بدنه رخ نمي دهد. علاوه بر اين براي فراهم کردن کليدزني نرم در اين مدار از هيچ سوئيچ اضافه اي استفاده نمي شود که اين سبب ساده تر شدن پياده سازي و کنترل مدار مي شود.
کليد واژه- غيرايزوله ، کليدزني ولتاژ-صفر (ZVS)، مبدل dc-dc دوجهته ، مبدل باک-بوست ، مدولاسيون پهناي باند (PWM).
١- مقدمه
امروزه مبدل هاي dc-dc دوجهته ، به يک موضوع مهم در الکترونيک قدرت تبديل شده اند. اين مبدل ها براي انتقال توان بين دو منبع dc، در هر دو جهت استفاده مي شوند. اگر چه اين مبدل ها قادر به معکوس کردن جهت فلوي جريان و در نتيجه توان هستند، اما پلاريته ولتاژ دو منبع dc در آنها بدون تغيير باقي مي ماند. با توجه به نکات ذکر شده، اين مبدل ها به طور گسترده اي در بسياري از کاربردهاي صنعتي از جمله سيستم هاي انرژي خودرو الکتريکي هيبريدي، منابع تغذيه بدون وقفه ، سيستم هاي قدرت هيبريدي سلول سوختي، سيستم هاي قدرت -[1] هيبريد فتوولتائيک و شارژر هاي باتري استفاده مي شوند [٤]. مبدل هاي dc-dc دو جهته را مي توان به دو دسته غير ايزوله و ايزوله تقسيم کرد. مبدل هاي dc-dc دوجهته ايزوله بسياري ارائه شده است ، که آرايش تمام پل [٤]-[٦] و نيم پل [٧]-[٩] نمونه اي از آنها هستند. وقتي که هر دو طرف مدار نمي توانند همزمان زمين شوند و به بهره ولتاژ بالايي نياز است ، مبدل هاي دو جهته نوع ايزوله استفاده مي شوند [١٥]. اگر در مدار نسبت ولتاژ بالا و ايزولاسيون الکتريکي لازم نباشد، مبدل هاي دو جهته غيرايزوله به دليل ساختار و کنترل ساده، بازده .[12]-[10]
بالاتر و چگالي توان بيشتر مطلوب تر مي باشند علاوه براين به دليل تعداد سوئيچ اکتيو و تعداد اجزا پسيو کمتر، 1 هزينه اين مبدل ها نسبت به مبدل هاي نوع ايزوله کمتر مي باشد [١١].
به منظور کاهش حجم و وزن مبدل هاي dc-dc دوجهته فرکانس کليدزني آنها بايد بالا باشد. اما در مبدل هاي داراي کليدزني سخت ، افزايش فرکانس کليدزني سبب افزايش نويز تداخل الکترومغناطيسي (EMI) و تلفات کليدزني مي شود.
تکنيک هاي بسياري براي حل اين مشکل ارائه شده است .
برخي مدارها از تکنيک هاي رزونانسي و شبه رزونانسي استفاده مي کنند [١٣]-[١٤]. در اين مبدل ها شرايط کليدزني نرم براي سوئيچ ها فراهم مي گردد، اما استرس ولتاژ و جريان آنها به خاطر رزونانس بالا است ، از طرفي امکان طراحي بهينه ي المان هاي مغناطيسي نيز به خاطر کنترل فرکانس متغير فراهم نيست . در برخي مدارها از تکنيک هاي کلمپ فعال استفاده مي شود [١١]-[١٢]. در مبدل هاي dc-dc کلمپ فعال نيز شرايط کليدزني نرم براي سوئيچ ها فراهم مي گردد، اما استرس المان هاي نيمه هادي و تلفات ضريب وظيفه استفاده از اين تکنيک ها را براي کاربرد هاي دو جهته محدود مي کند. بنابراين در بسياري از مبدل ها براي فراهم کردن شرايط کليدزني نرم ، از يک مدار کمکي استفاده مي شود [١٠]-[١٥]، اين مدار کمکي اضافه شده داراي يک يا چند سوئيچ اضافه مي باشد. مبدل هاي dc-dc دوجهته غير ايزوله براي انتقال توان دو جهته حداقل به دو سوئيچ اصلي نياز دارند. حال با افزودن مدار کمکي که خود شامل چندين سوئيچ مي باشد، هرچند شرايط کليدزني نرم فراهم مي گردد اما پيچيدگي مدار کنترل ، تلفات هدايتي و هزينه هاي کلي افزايش مي يابد.
در اين مقاله يک مبدل dc-dc باک- بوست . باک- بوست دو جهته معمولي پيشنهاد مي شود. براي فراهم کردن شرايط کليدزني نرم در اين مبدل از يک مدار کمکي ساده بدون هيچ سوئيچ اضافه اي استفاده مي شود، که مي تواند مشکل بازيابي معکوس ديود بدنه سوئيچ ها را نيز حل کند. اين مدار کمکي شامل يک سيم پيچ تزويج شده به سلف اصلي و يک سلف کمکي مي باشد. سوئيچ هاي اين مبدل با مدولاسيون پهناي باند (PWM) کنترل مي شوند و هر دو سوئيچ مکمل يکديگر کليدزني مي گردند، بنابراين پياده سازي مدار کنترل آن بسيار ساده مي باشد.
در اين مقاله ابتدا مبدل dc-dc دوجهته جديد در بخش ٢ معرفي و در بخش ٣ به صورت تئوري تحليل مي شود، سپس ملاحظات طراحي مبدل در بخش ٤ ارائه مي گردد. همچنين نتايج شبيه سازي مبدل مذکور در بخش ٥ آورده شده است .
٢- توصيف مبدل دو جهته پيشنهادي
مبدل dc-dc دو جهته پيشنهادي در شکل ١ نشان داده مي شود. اين مبدل بسيار شبيه به مبدل دو جهته معمولي مي باشد به جز اينکه سيم پيچ1 L به سلف اصلي L2 تزويج شده و سلف کمکي L3 نيز به آن اضافه مي شود. اين مدار کمکي شرايط ZVS را صرف نظر از جهت فلوي توان براي مبدل فراهم مي کند. مدار معادل مبدل پيشنهادي در شکل ٢ نشان داده شده است . سلف تزويج شده L1 به عنوان يک اندوکتانس مغناطيسي Lm و يک ترانسفورماتور ايده آل که نسبت دوري برابر دارد، مدل مي شود. اندوکتانس نشتي سلف تزويج شده L1 نيز در سلف کمکي L2 گنجانده مي شود. ديودهاي D1 و D2 ديودهاي بدنه ذاتي سوئيچ هاي اصلي S1 و S2 و خازن هاي C1 و C2خازن هاي پارازيتي S1 و S2 هستند.
٣- عملکرد مبدل دو جهته پيشنهادي
مبدل باک- بوست . بـاک- بوسـت دو جهتـه مـي توانـد بـه صورت باک- بوست در هر دو جهـت مـستقيم و معکـوس عمـل کند. اما در اين مدار فرض شده است که مبدل در جهت مستقيم به صورت بوست ودر جهت معکوس به صورت باک عمل مي کند.
در اين صورت، ضريب وظيفه و مدار درايو سـوئيچ هـا در هـر دو حالت يکسان مي باشد. شکل موج هاي اصلي مبـدل پيـشنهادي براي حالت بوست در شکل ٣ نشان داده مي شود. همچنين مـدار معادل هر وضعيت براي اين حالت در شکل ٤ آورده مي شود.
٣-١- عملکرد مبدل پيشنهادي در حالت بوست
مبدل پيشنهادي در حالت بوست داراي شش وضعيت عملکرد متفاوت در يک دوره کليدزني مي باشد همان طور که شکل ٣ نشان مي دهد، فرض شده است که قبل از زمان t0 ، سوئيچ S2 هدايت مي کند. بنابراين جريان اندوکتانس مغناطيسي Lm به صورت خطي افزايش مي يابد و جريان سلف کمکي L3 به صورت خطي کاهش مي يابد. اين جريان ها در t0 ، به ترتيب مقادير ماکزيمم و مي نيمم خود را در ILm1 و Imin- دارند.
وضعيت ١ [t١,t٠]: اين وضعيت با خاموش شدن سوئيچ S2 آغاز مي شود. از آنجا که جريان سلف تزويج شده L1 برابر با niL3
مي باشد، جريان iS2در لحظه t0 برابر است با:
با اين فرض که خازن هاي C1 و C2 بسيار کوچک هستند و طول مدت اين وضعيت بسيار کوتاه است ، تمامي جريان ها را مي توان ثابت در نظر گرفت ، در نتيجه ولتاژهاي VS1 و VS2 در اين وضعيت به صورت خطي تغيير مي کنند. بنابراين مدت زمان اين وضعيت را مي توان به صورت زير محاسبه کرد
وضعيت ٢ [t2,t1]: در لحظه t1، ولتاژ VS1 ، به صفر مي رسد و ديود بدنه D1 شروع به هدايت مي کند. از اين لحظه به بعد پالس گيت مي تواند به سوئيچ S1 اعمال شود. از آنجا که ولتاژ Vl1 برابر V1- مي باشد، جريان اندوکتانس L m به صورت خطي کاهش مي يابد:
بدليل اينکه ولتاژ سلف کمکي L3 برابر مي باشد،
جريان iL3 به صورت خطي افزايش مي يابد:
همچنين جريان iL رامي توان از (٣) و (٤) به صورت زير بدست آورد:
و جريان سوئيچ S1 برابر است با:
اين وضعيت هنگامي که جريان سوئيچ S1 به صفر برسد، به پايان مي رسد. بنابراين مدت زمان اين وضعيت از رابطه زير بدست مي آيد:
وضعيت ٣ در اين وضعيت جريان ديود بدنه D1 به سوئيچ S1 منتقل مي شود و با همان شيب وضعيت قبل ادامه مي يابد. از آنجايي که ، ديود بدنه تا لحظه روشن شدن S1 روشن بوده است ، سوئيچ S1 تحت شرايط ZVS روشن مي شود. در انتهاي اين وضعيت ، جريان سلف iL3 به مقدار ماکزيمم خود در max I و جريان مغناطيسي iLm به مقدار مينيمم خود در ILm2 مي رسند.
وضعيت ٤ [t4,t3]: اين وضعيت با خاموش شدن سوئيچ S1 آغاز مي شود. در اين لحظه ، جريان iS1 برابر است با:
این جریان شروع به شارژ خازن C1 و تخلیه خازن C2 میکند و اين وضعيت هنگامي که خازن به طور کامل دشارژ شود به پايان مي رسد. در نتيجه مدت زمان اين وضعيت را به صورت زير مي توان در نظر گرفت :
وضعيت ٥ [t5,t4]: اين وضعيت با صفر شدن ولتاژ VS2 و روشن شدن ديود بدنه D2 شروع مي شود. سپس ، پالس گيت سوئيچ S2 اعمال مي گردد. در اين وضعيت ، ولتاژ VL1، برابر V2 مي باشد. بنابراين ، جريان اندوکتانس مغناطيسي به صورت خطي افزايش مي يابد:
از آنجا که ولتاژ دو سر سيم پيچ ثانويه سلف تزويج شده L1 ، nV2 مي باشد، بنابراين ولتاژ VL3 دو سر سلف کمکي برابر است . در نتيجه جريان iL3 به صورت خطي کاهش مي يابد:
با استفاده از (١٠) و (١١)، جريان iL مطابق (١٢) محاسبه مي گردد:
همچنين جريان سوئيچ S برابر است با:
وضعيت ٦ [t6,t5]: در اين وضعيت جريان از ديود بدنه D2 به سوئيچ2 S منتقل مي شود و با همان شيب وضعيت قبل ادامه مي يابد. از آنجا که ولتاژ VS2 در لحظه روشن شدن S2 صفر باقي مي ماند، سوئيچ S تحت شرايط ZVS روشن مي شود. در انتهاي اين وضعيت ، جريان L3 i به مقدار مينيمم خود در min I- و جريان مغناطيسي Lm i به مقدار ماکزيمم خود در ILm1 مي رسند.
بنابراين مدت زمان اين وضعيت برابر است با:
٣-٢- عملکرد مبدل پيشنهادي در حالت باک
