بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله ساختاری جدید از مولد مارکس - - MG به منظور تولید پالس قدرت ولتاژ بالا پیشنهاد شده است. اساس کار این ساختار برپایه مبدل باک - بوست است. این ساختار دارای واحدهای دیود- خازنی موازی شده است و توسط یک اینورتر تکفاز، بوسیله -Vdc تغذیه میشود. ایده اصلی ساختار پیشنهادی، بهرهگیری از یک مدل سوئیچینگ جدید بهمنظور شارژ گروههای خازنی است. آنچهکه در این ساختار جدید در مقایسه با ساختارهای مشابه MG قابل توجه است، کاهش تعداد اجزای - سوئیچ، دیود و خازن - مورد نیاز مولد برای تولید مقدار مشخصی از ولتاژ خروجی است. شبیهسازی ساختار پیشنهادی برای اثبات صحت عملکرد آن در سیمولینک MATLAB انجام شده است.
کلیدواژه - اینورتر تکفاز، پدیده رزونانسی، مولد پالس قدرت ولتاژ بالا، مبدل باک- بوست، مولد ماکس.
-1 مقدمه تحقیقات انجامشده در زمینه مولدهای پالس
قدرت ولتاژ بالا با هدف بهبود مشخصههای پالس قدرت، از جمله، سطح توان خروجی، افزایش ولتاژ خروجی، افزایش فرکانس تکرار پالس، کاهش زمان صعود پالس، کاهش تعداد اجزای استفاده شده در مدار، کاهش استرس روی سوییچ های نیمه هادی و غیره بوده است. سیستمهای قدرت پالسی در بسیاری از کاربردها ازجمله، نگهداری و استریلیزه کردن غذا، تصفیه آب و فاضلاب، عیب یابی کابل، صنایع نظامی، هسته ای و پزشکی استفاده میشوند. از میان تکنولوژیهایی که برای تولید پالس قدرت استفاده شده است، می توان به شکل دهنده پالس قدرت [1] - PFN - ، خطوط بلوملین چند مرحلهای [2] - MBL - ، فشردهساز پالس قدرت - [3] - MPC و مولد مارکس - [4] - MG، چندبرابر کننده ولتاژ - [5-6] - VM، اشاره کرد. در شکل - 1 - دو نمونه از توپولوژیهای MG و VM نشان دادهشده است که در هر دو آنها خازن ها بوسیله یک منبع DC یا AC شارژ میشوند و سپس با استفاده از سوئیچینگ مناسب، به صورت سری متصل شده و ولتاژ خروجی را تأمین میکنند، که این پروسه در همه انواع این ساختارها مشترک است. ساختارهای مختلفی از خانواده MG طراحی شده است که از جمله آنها میتوان به، MGهای دو قطبی[7]، با
انعطاف پذیری بالا[8]، با تکرار پالس بالا[9]، و اخیرا ساختارهای MG با استفاده از پدیده رزونانسی[10] و مبدل باک بوست[11]، اشاره کرد. در ساختارهای MG از منبع ولتاژ ورودی DC و در ساختارهایی VM از منبع ولتاژ ورودی AC استفاده شده است. در ساختارهایی VM، برای تولید پالس ولتاژ بالا، باتوجه به دامنه محدود ولتاژ AC، تعداد طبقات - تعداد اجزای - زیادی مورد نیاز است. بنابراین شارژ خازنهای طبقات بالا، مستلزم طی شدن تعداد سیکل بالایی از ورودی AC میباشد، که باتوجه به فرکانس پائین ورودی، این پروسه زمانبر است. درنتیجه فرکانس تکرار پالس برای تولید ولتاژهای خروجی بزرگ، کم خواهد بود. بنابراین، نیاز به تعداد طبقات بالا و فرکانس تکرار پالس کم، مشکل عمده اینگونه ساختارها برای تولید ولتاژهای بالا میباشد. در ساختارهایی MG که در آنها از منبع ورودی DC استفاده می شود[7]، باتوجه به اینکه خازنها به اندازه ولتاژ ورودی و در یک زمان شارژ میشوند، برای تولید پالس ولتاژ بالا، تعداد طبقات زیاد خواهد شد. راه حل ابتدایی رفع مشکل در این دو نوع ساختار، استفاده از منبع DC با مقدار بالا و منبع AC با فرکانس بالا است، که دسترسی به این منابع ساده نیست. دو ساختار MG، [10] و [13] توانستهاند این دو مشکل را به روش دیگری حل کنند. در این ساختارها به ترتیب از پدیده رزونانسی و مبدل باک-بوست مثبت استفاده شده است. در ساختار[10]،
هر خازن تا دو برابر Vin و در یک لحظه شارژ میشود اما در ساختارهایی مانند [7]، هر خازن میتواند به اندازه Vin و در یک لحظه شارژ شود. بدینترتیب برای تولید مقدار معینی از ولتاژ خروجی، تعداد طبقات استفاده شده در [10]، در مقایسه با ساختارهای دیگر MG، به نصف کاهش مییابد. در ساختار [13] MG، هر خازن میتواند تا چندین برابر Vin و در یک زمان، شارژ شود. بنابراین برای تولید پالس ولتاژ بالا محدودیت در فرکانس تکرار پالس رفع شده و تعداد طبقات به شدت کاهش داده شده است. یکی دیگر از مزیتهای این ساختارها استفاده ازسوئیچینگ نرم [12] است. زیرا که زمانی سوئیچ قطع میشود که جریان عبوری از آن صفر شده است. با این توضیحات، میتوان گفت که بین ساختارهای MG و VM مختلف ارائه شده، توپولوژی [13]، بدلیل عدم نیاز به ولتاژ ورودی DC با مقدار زیاد، افزایش فرکانس تکرار پالس، کاهش طبقات - کاهش تعداد اجزای مدار - و کاهش قابل توجه استرس روی سوئیچها، مناسبتر است. در این مقاله ساختار جدیدی از MG با استفاده از مبدل باک-بوست ارائه شده است. در پایان مقایسه جامعی بین ساختار پیشنهادی و ساختار ارائه شده در [13] انجام شده است. از آنجاییکه ساختار [13] در بین توپولوژیهای ارائه شده در زمینه MG و VM مناسبتر است، بنابراین، این مقایسه میتواند مزیت ساختار پیشنهادی را نشان دهد.
-2 توپولوژی سیستم ساختار پیشنهادی در شکل - 2 - نشان داده شده
است. این ساختار جدید از یک اینورتر تکفاز [14]، یک سلف و چهار leg دیود-خازنی موازی شده که دو به دو با هم همجهت هستند، تشکیل شده است. اینورتر منبع ورودی را در دو بازه زمانی به صورت +Vdc و -Vdc به مدار متصل میکند. در این دو بازه زمانی، منبع ورودی همراه با سلف و دو leg دیود -خازنی همجهت، مبدل باک-بوست را تشکیل میدهند - طبق شکل - . - - 3 به صورت ساده میتوان گفت، ابتدا انرژی سلف از طریق منبع تأمین میشود و در مرحله بعد، انرژی سلف به خازنها منتقل میشود. در نهایت، خازنهای شارژ شده به صورت سری متصل شده و ولتاژ خروجی را تولید میکنند. در این ساختار پیشنهادی، تولید هر پالس، طی پنج مرحله به صورت زیر انجام میشود:
-1 شارژ سلف به صورت مثبت
-2 انتقال انرژی از سلف به خازنها ی C1 و C2، شارژ شدن خازنها و صفر شدن جریان سلف.
-3شارژ دوباره سلف به صورت معکوس.
-4 انتقال انرژی از سلف به خازنهای C3 و C4، شارژ شدن خازنها و صفر شدن جریان سلف.
-5 تولید پالس.
مد - S1:ON,S2:ON,S3-S8:OFF - :1 طبق شکل -4 - الف - سوئیچهای S1 و S2 به اندازه T روشن میشوند و سلف در این بازه زمانی طبق رابطه - 1 - شارژ میشود. در این بازه زمانی D1 وDS5 این اطمینان را میدهند که جریان فقط از سلف عبور کند. طبق شکل - -4ب - در این مد سوئیچینگ، انرژی ذخیره شده در سلف به خازن های C1 و C2 منتقل می شود و هر دو به اندازه VCmax شارژ میشود، طبق رابطه D1 . - 2 - ، D2، C1، C2، S6 و DS5 مسیر شارژ خازنها را تشکیل میدهند. - در همه روابط C1=C2=C3=C4=C است. - به محض اینکه جریان سلف به سطح صفر رسید - تخلیه انرژی سلف - دیودهای D1، D2 و DS5 خاموش میشوند و در این لحظه S6 را خاموش میکنیم - سوئیچینگ نرم - .
مد - S1-S2:OFF,S3-S4:ON,S5-S8:OFF - :3 طبق شکل -4 - ج - در این مد S3 و S4 به اندازه T روشن میشوند و سلف در این بازه زمانی به صورت معکوس، طبق رابطه - 1 - دوباره به اندازه IL شارژ میشود. در طول این مد D1 و DS6 خاموش خواهند بود و هیچ مسیر مزاحمی برای شارژ سلف وجود ندارد. مد - S5,DS6,D3,D4:ON - :4 طبق شکل -4 - د - در این مد همانند مد دوم، C3 و C4 به اندازه Vcmax شارژ می شوند - طبق رابطه D3 . - 2، D4، C3، C4، S5، D5 و DS6 مسیر شارژ خازن ها را تشکیل می دهند. بعد از این که جریان سلف به صفر رسید، خازنها کاملا شارژ شده اند و D3، D4، D5 و DS6 خاموش میشوند و در این لحظه S5 را خاموش میکنیم.
مد - S7,S8:ON,S1-S6:OFF - : 5
قبل از شروع این مد، همه سوئیچ ها و دیود ها خاموش میباشند و چهار خازن دارای ولتاژ Vcmax هستند. طبق شکل - -4ه - ، به محض روشن شدن S7 و S8 خازنهای شارژ شده سری میشوند و مجموع ولتاژهای VC1، VC2، VC3 و VC4 را در خروجی خواهیم داشت. بنابراین ولتاژ خروجی برابر است با: نکته اینکه ، در طول پریود شارژینگ خازنها - مراحل 1تا D5 - 4، DS6 و S6 تضمین می کنند که خروجی Vout برابر صفر باشد و از هر مسیر ناخواستهای، از دشارژ شدن خازنهای Cn بر روی بار جلوگیری میشود. با توجه به این نکته، دیگر نیازی به هیچ سوئیچی در خروجی به منظور اتصال ولتاژ خروجی به بار نداریم.
-3 استراتژی کنترل سوئیچ ها:
طبق شکل - 5 - در مدت زمانT ، S1 و S2 روشن شده و جریان سلف توسط +Vdc به مقدار IL میرسد. بعد از مدت زمانT تنها S6، روشن خواهد شد. با روشن شدن S6، شارژ خازنهای C1 و C2 - انتقال انرژی از سلف به خازنها - با توجه به روابط معادلات - 4 - ، در زمان 1 = 2 √ . 2 انجام میشود و بعد از گذشت زمان T1، S6 را خاموش می کنیم. در این لحظه خازن های C1 و C2 در Vcmax شارژ شده باقی میمانند - مسیر دشارژی وجود ندارد - . در بازه زمانی بعدی طبق شکل - 5 - ، اینبار S3 و S4 در زمان T روشن شده و سلف بوسیله -Vdc به صورت معکوس شارژ
