بخشی از مقاله
چکیده
جریان در سیم پیچ اولیه یک سیستم انتقال انرژی بیسیم به منظور تولید میدان مغناطیسی متغیر و القای ولتاژ در سیمپیچ ثانویه باید متناوب باشد. برای این منظور نیاز به مبدلهایDC به AC میباشد. دستگاههای انتقال انرژی بیسیم به دلیل امکان تغییر فاصله بین مدار گیرنده و فرستنده ممکن است نیاز به انرژی زیادی داشته باشند تا راندمان بالایی تحویل بار بدهند؛ بنابراین تنها کلاسهای خاصی از مبدلهای سوئیچینگ رزونانسی هستند که میتوانند چنین شرایطی را فراهم کنند.
مبدلهای رزونانسی میتوانند به صورت تئوری راندمان 100 درصد داشته باشند؛ اما دستیابی به این راندمان در عمل غیرممکن است زیرا سوئیچها ایدهال نیستند و شبکه پسیو بار دارای تلفات اهمی میباشدمعمولاً. مبدلهای رزونانسی راندمانی بین 85 تا 95 درصد دارند.
تحقیقات گستردهای به منظور توسعه کارآمدی مبدلهای رزونانسی DC / AC انجامشده است و مدارهای بهبود یافته متعددی را میتوان در مطالعات اخیر مشاهده نمود. همه این مبدلها با توجه به کلاس، شرایط سوئیچینگ ولتاژ و جریان طبقهبندی شده اند.
مبدلهای رزونانسی کلاس D و E از جمله ساختارهایی هستند که در دستگاههای انتقال انرژی بیسیم القایی و خازنی مورد استفاده قرارگرفتهاند واخیراً بهطور گستردهای به عنوان محرک دستگاههای انتقال بی سیم مورد استفاده قرارگرفتهاند؛ زیرا که این مبدلها میتوانند در بارهای ثابت و در شرایط سوئیچینگ بهینه کار کنند. این مقاله مروری بر مبدلهای پرکاربردی میباشد کهاخیراً در سیستمهای انتقال انرژی بیسیم به منظور تولید میدان مغناطیسی فرکانس بالا مورد استفاده قرارگرفتهاند میپردازد و در حین این بررسی مبدل کلاس E که یکی از مبدلهای پر کاربرد در این زمینه است را مورد آنالیز حساسیت قرار داده تا مقادیر بهینه المانهای مجهول آن بدست آید.
.1 مقدمه
انتقال بدون تماس یک تکنولوژی جدید و رو به رشد است که در آن انرژی از یک بخش اولیه بدون استفاده از سیم به یک بخش ثانویه منتقل میشود. یکی از روشهای این کار کوپلینگ الکترومغناطیس است. این روش انتقال بیسیم بسیار مناسب و مفید برای مکانهایی است که امکان خوردگی سیم، نفوذ رطوبت و یا حتی قابل استفاده در زیر آب است. انتقال انرژی بدون تماس مزایای زیادی برای بارهای متحرک و یا بارهایی که در حال گردش هستند نیز دارد مثل رباتها و وسایل نقلیه الکترونیکی این روش را هم میتوان یک روش بسیار مؤثر برای شارژ وسایل الکترونیکی قابلحمل مثل موبایل نیز دانست
در این سیستمها برای دستیابی به حداکثر راندمان از مدارات رزونانسی هم در سمت اولیه و هم در سمت ثانویه استفاده میشود.[1] اهمیت مدارات رزونانسی در یک سیستم انتقال انرژی بیسیم به حدی است که یک سیستم انتقال انرژی بی سیم با توجه به این مدارات رزونانسی شناخته و حتی نام گذاری میشود. به طور کلی مشاهده خواهد شد که دستگاههای انتقال انرژی بیسیم در رزونانس یا نزدیک به آن عمل می کنند بنابراین لازم است تا جریان سیمپیچ اولیه سینوسی باشد.
ایجاد یک مبدل با خروجی سینوسی نیازمند استفاده از شبکههای پسیو شامل سلف و خازن است. فرکانس سوئیچینگ در تجهیزات سوئیچینگ در یک مبدل معادل و یا هارمونیکی از فرکانس رزونانس شبکه پسیو انتخاب میشود. نقش سوئیچها تقسیم کردن ولتاژ و یا جریان منبع DC به منظور ساخت سیگنال توان مربعی است.[6] این سیگنال مربعی به همه اجزای شبکه پسیو به جز آنهایی که با فرکانس رزونانس شبکه پسیو مطابقت دارند اعمال میشود. مبدلهایی که از شبکههای پسیو استفاده میکنند مبدلهای رزونانسی نامیده میشوند. از آنجا که این مبدلها مدارات سوئیچینگ نیز میباشند، میتوانند شرایط ZVS و ZCS را با انتخاب مقادیر اجزای شبکه پسیو و فرکانس سوئیچینگ و دوره کاری به وجود بیاورند
تحقیقات گستردهای به افزایش راندمان مبدلهای رزونانسی و مدارات متعدد آنها اختصاص داده شده است که در پژوهشهای مختلف میتوان آنها را مشاهده نمود
همه این مبدلها با توجه به شرایط سوئیچینگ ولتاژ و جریان آنها دستهبندی میشوند. بیشتر مبدلهایی که در دستگاههای انتقال انرژی بیسیم استفاده شدهاند شامل دو کلاس اصلی، E و D قرارگرفتهاند. در این مقاله مروری بر این دو مبدل خواهد شد که شامل خلاصه از عملکرد و ساختارهای مختلف مداری است. سپس به کلاسهای دیگر مبدلهای DC به AC که در دستگاههای انتقال انرژی بیسیم استفادهشدهاند پرداخته خواهد شد و در انتها خلاصه و مقایسهای از کلاسهای ارائهشده با توجه ساختار مداری آنها ارائه خواهد شد.
.2 مبدل کلاس D
مبدل رزونانسی کلاس [9]Dاحتمالاً اولین مبدلی خواهد بود که یک مهندس در طراحی یک سیستم انتقال انرژی بیسیم از آن استفاده میکند و بهطور عمدهای در شارژهای بی سیم استفادهشده است از این مبدل تا فرکانسهای رادیویی 13,56 مگاهرتز استفادهشده است[10] یکی از مهمترین مشخصههای مبدل کلاس D که منجر به استفاده گسترده از آن شده است عملکرد ساده و بهرهوری بالای آن است
همچنین بازه عملکرد گستردهای دارد. به همین دلیل بهطور گستردهای در دستگاههای انتقال بیسیم مورد استفاده قرارگرفتهاند.[15-12] عیب این مبدلها این است که با افزایش فرکانس راندمان آنها کاهش مییابد؛ زیرا در فرکانسهای بالا اثر خازنهای پارازیتی سوئیچینگ بسیار زیاد است و بر روی کارایی مدار اثر میگذارد
در این مبدلها تولید سیگنال سوئیچینگ بسیار مشکل است و علاوه بر این تطبیق و کنترل سوئیچها مشکل است مبدلهای کلاس D شامل دو یا بیشتر از سویچهایی هستند که به صورت مکمل در کنار یک شبکه پسیو رزونانسی کار میکنند. مبدلهای رزونانسی کلاس D میتوانند تحت شرایط ZVS و ZCS کار کنند بنابراین میتوان آنها را به دو گروه مبدلهای رزونانسی کلاس D، ZVS با تغذیه ولتاژ1 و مبدلهای رزونانسی کلاس D، ZCS با تغذیه جریان2 دستهبندی کرد[16 ,9] شکل 1 ساختار پایهای مبدل کلاس ZVS D نیم پل را نشان میدهد.
شکل :1 مبدل کلاس ZVS D نیم پل
این مدار شامل دو سوئیچ Q1، Q2، سلف L و خازن C میباشد و مقامت RL نشان دهنده بار است. سویچها بهطور مکمل باهم در فرکانس سوئیچینگ با دوره کارکرد %50 درایو میشوند جریان خروجی بهشرط بزرگ بودن ضریب کیفیت بارگذاری شده از شبکه رزونانسی، سینوسی خواهد بود. اگر چه در شکل یک سلف و یک خازن نشان داده شده است اما ساختارهای دیگری نیز میتوان با چندین شبکه از سلف و خازن به دست آورد. مزیت بزرگ این ساختار ماکزیمم ولتاژ سوئیچها است که معادل ولتاژ DC ورودی میباشد که باعث میشود مبدل در ولتاژهای DC بالا عمل کند.
شکل :2 شکل موجهای ولتاژ و جریان مبدل کلاس D در فرکانسهای سوئیچینگ مختلف
ساختار پایه شکل 1 بهطور گستردهای در دستگاههای انتقال انرژی بیسیم و تقویتکنندههای صدا استفاده میشود. در شکل 2 میتوان شکل موجهای ولتاژ و جریان مبدل کلاس D نیم پل ZVSپایه را مشاهده نمود. این مبدل میتواند در سه حالت رزونانس، زیر رزونانس، بالاتر از رزونانس عمل کند که همه آنها به فرکانس سوئیچینگ بستگی دارد.
.3 مبدل کلاس E
مبدل کلاس E اولین بار سال 1975 توسط ساکلس معرفی شد ؛ و جزء مبدلهای تک سوئیچ میباشد
