بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله یک مبدل dc-dc بدون ترانسفورماتور کاهنده-افزاینده با ضریب بهره بالا پیشنهاد داده شده است. بهره ولتاژ مبدل پیشنهادی در مقایسه با مبدل افزاینده مرسوم، کاهنده-افزاینده، CUK، SEPIC و ZETA بالاتر بوده و بهره ولتاژ بالا با چرخه کاری مناسب بهدست میآید. در این مبدل تنها یک کلید قدرت بکار رفته است و تنش ولتاژ دو سر کلید پائین است پس کلید با مقاومت هدایتی پائین میتواند اتنخاب شود که باعث کاهش تلفات هدایتی کلید و بهبود بازده میشود. تنش ولتاژ پائین در دو سر دیود نیز موجب جلوگیری از ایجاد جریان بازگشتی دیود میگردد. مبدل پیشنهادی میتواند در دو رژیم هدایت پیوسته و ناپیوسته کار کند. مبدل مذکور دارای ساختار ساده میباشد که موجب سادگی کنترل میگردد. در این مقاله عملکرد و محاسبات مبدل پیشنهادی توضیح داده شده است و عملکرد مبدل پیشنهادی با نتایج شبیهسازی تایید شده است.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر مشکلات محیط زیستی مانند تغییرات دمایی و گرم شدن کره زمین با افزایش کربن دی اکسید به صورت جدی مورد توجه قرار است. با توجه به مشکلات محیط زیستی می توان از سلول های پیل سوختی به عنوان سوخت جایگزین برای کاربرد در صنایع استفاده کرد. به دلیل عملکرد پایدار و بازده بالای پیل سوختی، این انرژی به عنوان یک انرژی موثر میباشد اما بعضی از مشکلات پیل سوختی مانند هزینه بالا باید در نظر گرفته شود. ولتاژ پیلهای سوختی پائین و ناپایدار میباشد و به همین جهت نمیتوان به بار خروجی وصل کرد. برای پایدار سازی ولتاژ باید از یک مبدل با ضریب بهره بالا استفاده کرد اما بازده مبدل افزاینده مرسوم برای کاربرد در پیل سوختی پائین میباشد و به وسیله مقاومتهای پارازیتی محدود شده است -1] .[5 محققان مبدلهای بهره بالای زیادی را پیشنهاد دادهاند که شامل چندین سلف و خازن است .[6] از لحاظ تئوری میتوان چرخه کاری مبدلهای ایزوله نشده را بسیار افزایش داد ولی از لحاظ عملی به دلیل تاثیرات کلیدهای قدرت، دیودهای یکسوکننده و مقاومت سری معادل خازنها و سلفها، بهره این مبدلها محدود میشود. همچنین چرخه کاری بالا باعث ایجاد مشکل بازیابی معکوس دیودها و ایجاد تداخل الکترومغناطیسی میشود .[7,8] مبدلهای ایزوله شده دیگر نیز مانند فوروارد و پوش پول میتوانند با استفاده از ترانسفورماتور بهره بالایی را بهدست آورند اما کلیدهای این مبدلها نیز از ولتاژ بالا آسیب میبینند .
[9] برای حل این مشکل از یک مدار اسنابر و اکتیو کلمپ استفاده می شود که باعث افزایش قیمت مبدل میشود. اضافه کردن کلید و دیود در این مبدلها از یک طرف باعث افزایش هزینه میشود اما از طرف دیگر باعث بازیابی انرژی و افزایش بازده مبدل و نیز افزایش بهره مبدل می شود .[10] افزایش چرخه کاری باعث ایجاد مشکلاتی مانند جریان برگشتی دیود و تداخل الکترومغناطیسی میشود. بنابراین باید یک مبدل با ضریب بهره بالا بکار برده شود .[11] در سالهای اخیر چندین روش افزایش ولتاژ ارائه شده است که شامل چندین سلف است که انرژی را ذخیره و سپس آن را به سمت خروجی مبدل میفرستند [12] در مرجع [13] مبدل dc-dc غیر ایزوله با ضریب بهره بالا و با استقاده از ترانسفورماتور برای کاربردهای توان پائین پیشنهاد داده شده است. در این مبدل از ترانسفورماتور برای انتقال انرژی سلف و خازن به منظور ایجاد بهره ولتاژ بالا استفاده شده است. تنش ولتاژ دو سر کلید در مبدل مستقل از ورودی بوده و مقداری ثابتی میباشد. در مرجع [14] یک مبدل dc-dc دوجهته با ساختار ساده و با استفاده از سلف القایی با نسبت تبدیل یک پیشنهاد داده شده است. در مبدل مذکور در حالت افزایندگی اولیه و ثانویه سلف القایی به صورت موازی شارژ و سری دشارژ میشوند و در حالت کاهندگی اولیه و ثانویه سلف القایی به صورت سری شارژ و موازی دشارژ میشوند. در مرجع [15] یک مبدل dc-dc با ضریب بهره بالاو با ترکیب مبدل باک بوست و سلف القایی پیشنهاد داده شده است. این مبدل میتواند بهره ولتاژ بالایی را با افزایش چرخه کاری داشته باشد. از معایب مبدل میتوان به تنش ولتاژ بالا در دو سر کلید دوم و دیود خروجی اشاره نمود. در مرجع [16] یک مبدل برای کاربرد در سیستم های خورشیدی پیشنهاد داده شده است.
در این مبدل از یک کلید برای ایزوله کردن قسمت ورودی استفاده میشود. ایزوله کردن مبدل برای جلوگیری از شوک الکتریکی میباشد. مبدل میتواند با چرخه کاری پائین نسبت بهره ولتاژ بالایی را به دست آورد و نیز انرژی سلف نشتی قابل بازیابی میباشد. این مبدل از اتصال دوجفت دیود- خازن تشکیل شده است. در مرجع [17] مبدلهای بدون ترانسفورماتور پیشنهاد داده شده است. در مرجع [18] مبدل کاهنده-افزاینده با ضریب بهره بالا پیشنهاد داده شده است. در مرجع [19] یک مبدل dc-dc براساس سلف القایی و دو برابر کننده ولتاز پیشنهاد داده شده است. در این مبدل دو کلید به کار رفته است و ساختار مبدل ساده میباشد. از مزایای این مبدل میتوان به قابل بازیابی بودن انرژی سلف نشتی و تنش ولتاژ پائین دو سر کلید دوم اشاره نمود و معایب این مبدل تنش ولتاژ بالا در دو سر کلید اول و یکی از دیودهای بکار رفته میباشد. در مرجع [20] یک مبدل dc-dc دو کلیده ایزوله شده با ضریب بهره بالا پیشنهاد داده شده است. در این مبدل از یک ترانسفورماتور با نسبت تبدیل پائین استفاده شده است. برای افزایش بهره ولتاژ دو خازن در زمان خاموش بودن کلیدها به صورت موازی شارژ و در زمان روشن بودن کلیدها به صورت سری دشارژ می شوند و با استفاده از مدار کلمپ دیود و خازن انرژی سلف نشتی بازیابی می گردد. در مرجع [21] یک مبدل dc-dc با ضریب بهره بالا و دارای سه سلف القایی و ساخته شده توسط دو برابر کننده ولتاژ پیشنهاد داده شده است. مبدل مذکور میتواند ضریب بهره بالایی را با چرخه کاری پائین به دست آورد. در این مبدل انرژی سلف نشتی میتواند بازیابی گردد که موجب بهبود بازده و جلوگیری از ایجاد تنش ولتاژ بالا در دو سر کلید فعال میگردد. در مرجع [22] مبدل dc-dc غیر ایزوله با ضریب بهره بالا و با استفاده از ترانسفورماتور برای کاربردهای توان پائین پیشنهاد داده شده است. در این مبدل از ترانسفورماتور برای انتقال انرژی سلف و خازن به منظور ایجاد بهره ولتاژ بالا استفاده شده است. تنش ولتاژ دو سر کلید در مبدل مستقل از ورودی بوده و مقداری ثابتی میباشد. در مراجع [23-27] مبدلهای dc-dc با ضریب بهره بالا ارائه شده است. در این مقاله یک مبدل dc-dc جدید کاهنده-افزاینده بدون ترانسفورماتور با ضریب بهره بالا و تنش ولتاژ پائین در دو سر کلید فعال پیشنهاد داده شده است. ضریب بهره مبدل بالاتر از مبدلهای افزاینده مرسوم و کاهنده-افزاینده میباشد. استفاده از یک کلید در مبدل پیشنهادی باعث سادگی کنترل مبدل میگردد. این مبدل تنش ولتاژ پائینی در دو سر کلید و دیودها ایجاد میکند که موجب کاهش تلفات میگردد و به علت وجود سلف در خروجی مدار، ریپل ولتاژ خروجی پائین میباشد.
-2 مبدل پیشنهادی
مدار قدرت مبدل پیشنهادی در شکل -1الف نشان داده شده است. این مبدل از کلید S ، سه سلف L1 ، L2 و L3 ، سه خازن C1 ، C 2 و C 3، دو دیود D1 و D2 و خازن خروجی C o تشکیل شده است. مبدل در رژیم هدایت پیوسته دارای دو مد کاری میباشد که به ترتیب شرح داده میشود.
منحنی بهره ولتاژ حاصل از مبدلهای افزاینده مرسوم، کاهنده-افزاینده، cuk، مبدل پیشنهادی و مبدلهای مراجع [1] و [2] به ازای چرخه کاری مختلف در شکل 2 نشان داده شده است. مقایسه نمودار بهره ولتاژ نشان میدهد که مقدار بهره ولتاژ مبدل پیشنهادی از مبدلهای مرسوم بالاتر بوده و برابر بهره ولتاژ مبدل مرجع [1] بوده و همچنین بهره ولتاژ آن از مبدل مرجع [2] کمتر میباشد ولی مزیت مبدل پیشنهادی کاهنده -افزاینده بودن آن نسبت به مبدل مرجع [2] میباشد. مبدل پیشنهادی در چرخه کاری کمتر از 33 درصد به صورت کاهنده و در چرخه کاری بالای 33 درصد به صورت افزاینده کار میکند.
