بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک مبدل dc-dc افزاینده با قابلیت حذف ریپل جریان ورودی برای یک چرخه کاری مشخص ارائه شده است. قابلیت حذف ریپل جریان ورودی در این ساختار در مقایسه با روش ساختارهای دیگر بدون افزایش تعداد المانها به دست آمده است. علاوه بر این مبدل ارائه شده بدون نیاز به چرخه کاری بزرگ یا ترانسفورماتورهای افزاینده، بهره ولتاژ بالایی را تولید میکند. این ویژگیها باعث شده است که مبدل ارائه شده برای انتقال توان منابع انرژی ولتاژ پایین مانند منابع تجدیدپذیر مورد توجه قرار گیرد همچنین عملکرد مبدل در مدهای کاری بررسی شده و روابط مربوط به این مبدل محاسبه گردیده است. در نهایت ساختار ارائهشده در نرم افزار PSCAD پیادهسازی شده و نتایج شبیهسازی جهت تایید صحت عملکرد و روابط به دست آمده برای این ساختار ارائه شده است.
-1مقدمه
با توجه به این که دامنه ولتاژ تولید شده توسط منابع انرژی تجدیدپذیر پایین است در نتیجه یک مبدل افزاینده با یک بهره ولتاژ بالا برای اتصال ولتاژ پایین تولیدی توسط منبع تجدیدپذیر به اینورتر مورد نیاز است. دلیل مهم دیگر برای استفاده از یک مبدل در کاربردهای انرژی تجدیدپذیر - به عنوان مثال در پیلهای سوختی - عبور یک جریان پیوسته با حداقل ریپل است. بنابراین مبدلهای دارای دو ویژگی بیان شده میتوانند کاربردهای زیادی در سیستمهای انرژی تجدیدپذیر داشته باشند.
یک مبدل افزاینده معمولی در حالت نظری میتواند بهره ولتاژ نامحدود را برای 100% چرخه کاری تولید کند. اما در عمل مقاومت نشتی موجود در حلقه شارژ سلف بهره ولتاژ مبدل را محدود میکند .[1] به همین دلیل یک مبدل افزاینده معمولی زمانی که بهره ولتاژ بالاتر از 4 مورد نیاز باشد، به کار نمیرود. یک روش متداول برای حل این مشکل، استفاده از المانهای راکتیو کوچک همراه با افزایش فرکانس کلیدزنی مبدل برای یک مقدار ریپل قابل قبول است .[2] نیمه هادیها برای چرخه کاری بسیار کوچک یا بسیار بزرگ فرکانس کلیدزنی را محدود میکنند.
یک روش معمول برای حل این مشکل استفاده از ترانسفورماتور جهت افزایش ولتاژ بدون استفاده از مقادیر بسیار بزرگ چرخه کاری است. .[3-4] راه حلهای دیگری بر اساس استفاده از خازن کلیدزنی شده با ترکیبی از ویژگیهای مبدلهای دارای سلفهای تزویج با تقویتکنندههای ولتاژ یا تقویتکنندههای SC ارائه شده است .[ 5-7] مبدلهای بدون سلفهای تزویج مبتنی بر خازن کلیدزنی شده برای کاربردهای توان پایین استفاده شدهاند، اما در سطوح توان بالا مبدلهای معمولی به دلیل وجود تعداد کم نیمه هادیها، وجود جریان ضربهای میان خازنها و محدودیت فرکانس کلیدزنی بالا ارجحیت دارند. مدارهای SC چند طبقه به عنوان راه حلی برای افزایش بهره ولتاژ ارائه شدهاند.
[8-10] در مبدلهای قدرت دارای ترانسفورماتور برای افزایش بهره ولتاژ فرکانس کلیدزنی محدود میشود زیرا وقتی فرکانس کلیدزنی خیلی بالا رود تلفات ترانسفورماتور افزایش پیدا میکند. در مرجع [ 11] خازن کلیدزنی شده با شارژ کامل متناوب و در مرجع [12] یک مبدل افزاینده با مدولاسیون PWM برای تنظیم ولتاژ ارائه شدهاند. مدارهای SC با قابلیت CCI به دلیل تأثیرات منفی این قابلیت بر بازده مبدل برای تنظیم ولتاژ به کار نمیروند.
به هر حال، ترکیب یک مدار CCI-SC با یک مبدل دارای کنترلکننده PWM، بازده هر دو مبدل را بهبود میدهد. به طور خلاصه مبدلهای با بهره ولتاژ بالا که نیازی به ترانسفورماتور، سلفهای تزویج و مقادیر چرخه کاری بسیار زیاد ندارند برای منابع تولید توان با ولتاژ پایین بسیار مطلوب هستند. چالش مهم دیگر در سیستمهای انرژی تجدیدپذیر رپیل پایین جریان ورودی است. روش متداول برای کاهش ریپل جریان ورودی استفاده از سلفهای بزرگ است. اما سلفهای بزرگ سنگین بوده و از نظر اندازه بزرگ و هزینه زیادی دارند. علاوه بر آن، یک سلف بزرگ، سرعت پاسخدهی حالت گذرای مبدل را کاهش میدهد.
در این مقاله یک مبدل dc-dc افزاینده ارائه شده است که دارای دو ویژگی مهم است: - 1 برای حذف ریپل جریان ورودی دو سلف در ورودی مبدل قرار داده شده است؛ - 2 در خروجی مبدل مدار خازن کلیدزنی شده برای افزایش بهره ولتاژ قرار داده شده است. با قرار دادن یک سلف تشدید کوچک در طبقه خازن کلیدزنی شده حداکثر جریان ناشی از فرآیند کلیدزنی بهبود یافته است و در نتیجه از عبور جریانهای ضربهای بزرگ جلوگیری میشود. بر خلاف مبدلهای ارائه شده در مراجع [5- 7] از ترانسفورماتور یا سلفهای تزویج استفاده نشده است و در مبدل ارائه شده میتوان از نیمههادیهای قدرت با کلیدزنی سریع استفاده کرد. بر خلاف مرجع [11] مبدل ارائه شده در این مقاله ریپل جریان ورودی را حذف میکند. علاوه بر این، مبدل ارائه شده یک مدار CCI-SC را با یک مبدل افزاینده ترکیب میکند و تنظیم ولتاژ را بدون کاهش بازده مبدل انجام میدهد.
-2 ساختار مبدل ارائه شده
مدار قدرت مبدل ارائه شده در شکل -1 - الف - نشان داده شده است. با توجه به شکل -1 - الف - مبدل ارائه شده دارای دو ترانزیستور S1 و S 2 ، سه دیود D1 ، D2 و D3 ، سه خازن C1 ، C 2 و C 3 ، دو سلف L1 و L2 برای ذخیره انرژی و یک سلف کوچک L3 برای محدود کردن جریان عبوری از D3 است. در عمل اندازه سلف L3 حدود 1/ 100 برابر اندازه سلف L2 و حدود 1/ 50 برابر اندازه سلف L1 است. به دلیل کوچک بودن اندازه آن، تقریب ریپل کم برای سلف L3 لازم نیست و در نتیجه اندازه اندوکتانس آن بر اساس CCI بین C 2 و C 3 تعیین میشود. ترانزیستورها به صورت مکمل هم روشن میشوند. مدارهای معادل مبدل ارائه شده برای مدهای کاری موجود در شکلهای -1 - ب - و -1 - ج - نشان داده شدهاند. زمانی که کلید S1 روشن و کلید S 2 خاموش است، مدار معادل مبدل ارائه شده به صورت شکل - 1 - ج - است. در این مد کاری دیود D1 بایاس معکوس میشود و به ولتاژ خازن C1 برش داده میشود.
دیود D3 نیز بایاس معکوس میشود و به ولتاژ خازن C 3 برش داده میشود. جریان سلف L2 با توجه به خاموش بودن ترانزیستور S 2 از دیود D2 عبور میکند. شکل - 2 - از بالا به پایین به ترتیب شکلموجهای جریان ورودی، جریان سلف L2 ، جریان سلف L1 ، جریان دیود D3 و پالسهای تحریک کلیدهای S1 و S 2 را نشان میدهد. زمانی که کلید S1 هدایت میکند با توجه به شکل -1 - ب - جریان عبوری از سلف L1 با یک شیب معادل L1 V i ، افزایش مییابد جریان عبوری از سلف L2 در یک سرعت L2 V i V C 2 دشارژ، میشود. زمانی که کلید S 2 روشن شود کلید S 2 خاموش میشود و مدار معادل این مد کاری مطابق شکل -1 - ب - به دست میآید. که با توجه به شکل -1 - ب - جریان عبوری از سلف L1 با یک شیبی که معادل با V i VC 1 L1 است، دشارژ میشود که
جریان عبوری از سلف L2 با شیب معادل L2 V i شارژ میشود.
زمانی که کلید S 2 هدایت میکند، خازنهای C 2 و C 3 به صورت موازی متصل شدهاند، و یک نوع حالت SC ایجاد میشود و در نتیجه یک سلف کوچک L3 به منظور محدود کردن حداکثر جریان عبوری از حلقه شامل خازنهای C 2 و C 3 و سلف L3 اضافه شده مورد نیاز است. شکلموج جریان عبوری از سلف L3 در شکل - 2 - نشان داده شده است. جریان ورودی مبدل مجموع جریانهای عبوری از سلفهای L1 و L2 است. از آن جا که سلفهای L1 و L2 به صورت مکمل هم شارژ و دشارژ میشوند.
