بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک مبدل رزونانسی مرتبه چهارم CLCL به منظور کاربرد آن به عنوان یک منبع تغذیه جریان ثابت با استفاده از خاصیت ایمیتنس در تانکهای رزونانسی دودرگاهی طراحی شده است. جزئیات تحلیل این مبدل نیز در ادامه ارائه شده و سپس پروسه طراحی یک مبدل 200w به عنوان منبع جریان آورده شده و در ادامه نتایج ساخت و شبیه سازی مبدل پیشنهادی با یکدیگر مقایسه شده است.
این مبدل با ساختار منحصر به فرد خود، ترکیبی از یک مبدل رزونانسی سری و موازی بوده که مزایای هر دو مبدل را دارا و معایب آنها را برطرف میکند. مبدل رزونانسی CLCL به عنوان یک منبع جریان ثابت مزایایی از قبیل مقاوم بودن در برابر اتصال کوتاه حتی بدون کنترلر، عملکرد آسان به صورت موازی و جریان های گردشی کم در بار روشنایی را دارد. در صورت طراحی بهینه، اندوکتانس نشتی و مغناطیس کنندگی یک ترانسفورمر می تواند به عنوان بخشی از یک شبکه رزونانس بوده و سبب کاهش ابعاد مبدل شود. با این مزایا می توان یک توپولوژی مناسب را طراحی کرد که کاربردهای متنوعی از قبیل منابع تغذیه مغناطیسی، منابع قدرت برای شارژ خازن و درایور LED و دیود لیزری دارد.
-1 مقدمه
مبدلهای رزونانسی ویژگیهایی از قبیل سوئیچ زنی ولتاژ صفر - - ZVS، سوئیچ زنی جریان صفر - - ZCS،عملکرد فرکانس بالا،بازده بالا ،اندازه کوچک و تداخلات الکترومغناطیسی - - EMI کم دارند.[1] این مبدلها در کاربردهایی مانند منابع تغذیه DC برای کاربردهای صنعتی، تجاری و خانگی، منابع تغذیه AC فرکانس بالا برای گرمایش القایی، اصلاح ضریب توان و دشارژ لامپ بالاست به کار برده میشوند.
مبدل های رزونانسی سری - - SRC و موازی - - PRC مبنای عملکرد توپولوژیهای دیگر مبدلهای رزونانسی می باشند و دارای 2 المان راکتیو هستند.[3] هر کدام از این مبدلها به-عنوان مبنای مبدلهای تشدیدی دارای مزایا و معایبی هستند و برای رفع این محدودیتها مبدلهای رزونانسی با 3 و 4 المان راکتیو به مورد استفاده قرار میگیرند.[4] با وجود طراحی ساده-تر مبدلهای رزونانسی مرتبه سوم، این مبدل ها از نظر انعطاف طراحی و جذب عناصر پارازیتی مدار دارای محدویت بیشتری نسبت مبدلهای مرتبه 4 هستند، از این رو بررسی مبدل های مرتبه 4 مناسب تر خواهد بود
با بهرهگیری از این ساختارهای پایه، به یک توپولوژی مرتبه 4 میرسیم که نسبت به دو نوع قبلی بهبود قابل توجهی در مشخصه رگولاسیون حالت بی باری داشته و معایب آن دو را نیز برطرف میکند. این مبدل که CLCL-RC نامیده می شود وقتی در فرکانس سوئیچینگ برابر با فرکانس رزونانسی کار کند یک ولتاژ خروجی وابسته به بار ارائه می دهد. بنابراین جریان خروجی می تواند در برابر تغییرات وسیع بار تنظیم شود.
مولفه های مغناطیسی این مبدل میتوانند به طور یکپارچه و ادغام شده با ترانسفورمر باشند و از این رو به عنوان یک کاندید قدرتمند برای منابع تغذیه دارای ولتاژ خروجی رگوله شده می باشد. دیاگرام مداری این توپولوژی در شکل 1 نشان داده شده است. شبکه رزونانسی CLCL از سلف های L1 و L2 و خازن های C1 و C2 تشکیل شده است که به وسیله یک اینورتر موج مربعی نیم پل تحریک می شود. وقتی مدار در فرکانس رزونانس کار میکند
شکل :1 دیاگرام داری توپولوژی CLCL
تحت شرایط طراحی خاص، مبدل رزونانسی CLCL شبیه منبع جریان عمل میکند. در این شرایط جریان خروجی صرف نظر از تغییرات بار ثابت است. علاوه بر این برای عملکرد در حالت رزونانس جریان خروجی اینورتر که همان جریان سلف L2 است هم فاز با ولتاژ بوده که کاهش بیشتر تغییرات در شرایط میانباری را سبب میشود. حداکثر راندمان مبدل در شرایط میان باری نسبت به بار کامل به سبب وجود تلفات هدایتی، کمتر است. از مبدلهای رزونانسی CLCL میتوان برای دست یابی به ضریب توان بالای یکسوساز نیز استفاده کرد.
ویژگی که این مبدل رزونانسی را از یک مبدل منبع ولتاژ ثابت فرکانس بالا به یک مبدل منبع جریان ثابت فرکانس بالا تبدیل می کند، استفاده از خاصیتی در مبدل به نام خاصیت Immittance میباشد.[6] یک منبع جریان ثابت در بسیاری از مصارف تجاری ، صنعتی و کاربردهای تحقیقاتی از قبیل الکترومغناطیس ، شارژ خازن، شارژ باتری، جوشکاری قوسی و....به کار می رود.[7] مبدل رزونانسی CLCL با مزیت منبع جریانی خود میتواند یک کاندید بلقوه برای این کاربردها باشد.
-2 تحلیل مبدل
از میان روشهای تحلیل موجود، روش تحلیل ac فرکانس پایه برای این مبدل انتخاب شده است. در آنالیز ac، خروجی یکسوساز و فیلتر با یک مقاومت معادل جایگزین شده است و منبع ولتاژ ورودی موج مربعی با یک معادل سینوسی جایگزین میشود. انتقال توان از ورودی به خروجی تنها به وسیله مولفه اصلی فرض شده و از سهم هارمونیک های مرتبه بالاتر صرف نظر میشود.[8] مدار معادل ساده شده برای تحلیل به صورت شکل 2 خواهد شد.
در ادامه برای تحلیل، فرضهای زیر را در نظر میگیریم.
مقاومت ac معادل - Rac - برای یکسوساز با فیلتر خازنی و مقدار rms مولفه اصلی ولتاژ ورودی موج مربعی با روابط زیر بیان میشوند:
فرکانس رزونانس - 0 و فرکانس سوئیچینگ نرمال شده - n - به صورت زیر تعریف می شوند: ,
امپدانس مشخصه
- Zn - وF نیز به این صورت تعریف شده است:
نسبت سلف ها و خازنها نیز به صورت زیر است:
بهره ولتاژ - Vno - و بهره جریان - Ino - مبدل که در حقیقت همان ولتاژ و جریان خروجی نرمالیزه شدهاند، نیز به این صورت بیان میشوند:
بهره ولتاژ و جریان CLLC RC در روابط 6 و 7 با جزئیات نشان داده شده است:
با توجه به رابطه 7 می توان فهمید که اگر مبدل در n = 1 کار کند، با رعایت شرط طراحی1 ، جریان بار مستقل از بار خواهد بود
نمودارهای Ino برای مقادیر مختلف F و 1 در شکل.3 الف نشان داده شده است. یک نمودار برای F =100 مربوط به شرایطی نزدیک به بار اتصال کوتاه نیز برای نشان دادن رفتار منبع جریانی مبدل گنجانده شده است. نمودارهای Vno برای مقادیر مختلف F و 1 ، در شکل - .3ب - نشان داده شده و یک نمودار برای F = 0.01 مربوط به شرایطی نزدیک به مدار باز نیز برای نشان دادن رفتار منبع ولتاژی مبدل گنجانده شده است. همان طور که از نمودار مشخص است، مبدل در 2 فرکانس کاری، خاصیت منبع ولتاژی نیز میتواند داشته باشد.
نمودارهای شکل - .3پ - تغییرات را به صورت تابعی از n برای مقادیر مختلف F و 1 نشان میدهد. دیده می- شود که برای همه مقادیر F، جریان خروجی در n = 1 مستقل از بار است. همچنین می توان گفت که برای همه مقادیر F، در n = 1 ، = 0 خواهد بود. وجود حالت پسفاز بین جریان و ولتاژ خروجی اینورتر جهت تحقق ZVS در مبدلهای رزونانسی ضروری است. برای دست یابی به ZVS مبدل CLCL RC باید در حالت ضریب توان پس فاز عمل کند
