بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله مبدل های دو ورودی SCI همگام مورد بررسی قرار گرفته اند. در ابتدا، ساختار این مبدل ها مورد بررسی قرار گرفته و به دقت مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. نشان داده شده است که که در کنار خازن و سلف، یک سلف رزونانسی نیز استفاده شده است تا بتوان جریان پیک ناشی از سوئیچ خازن را محدود نمود. در نتیجه، بازده مدار ارتقا پیدا می کند. در این مقاله از روش کنترل فازی برای کنترل سوئیچینگ مدار استفاده شده است و نتایج شبیه سازی حاکی از آن است که شکل موج های خروجی مطابق با شکل موج های ایده آل می باشد. همچنین ریپل ولتاژ خروجی کاهش داشته و گین بالای ولتاژ حاصل شده است.
کلید واژه- مبدل SCI، سوئیچینگ، کنترل فازی، ولتاژ، جریان.
-1 مقدمه
با ظهور تکنولوژی صنعتی مدرن و تقاضای بالا ی انرژی الکتریکی، لازم است تا تولید توان الکتریکی این نیازها را برآورده سازد. در این مورد، تکنولوژی تولید به صورت پراکنده مورد توجه قرار گرفته است .[1] در نتیجه، مبدل های dc-dc در بسیاری از پژوهش های مورد بررسی قرار گرفته اند .[2] یک ساختار سیستماتیک از مبدل های جدید برای اولین بار توسط ماکوفسکی و همکاران ارائه شد. ساختار ان ها بر اساس پدیده ی دوگانی بین سلول های خازنی و سلول های سلفی بود. همچنین پدیده ی دوگانی بین ولتاژ مبدل و جریان آن نیز وجود داشت .[3]مبدل های مبتنی بر سلف ابتدایی شامل مبدل های باک، از جمله مدارهای پایه برای طراحی اکثر مدارهای مشابه بودند. به طرزی ساده، یک مبدل باک تنها توسط دو سوئیچ، شامل یک سلف و یک خازن ورودی ایجاد می شود .[4]
در نتیجه ی این ساختار ساده و روش های کنترلی موجود، ساختارهای دیگری نظیر بوست، باک - بوست، زتا، کاک وسپیک بواسطه ی مزایایی از قبیل بازده، طراحی آسان، کنترل ساده و غیره مورد بررسی قرار گرفتند .[5] همچنین مبدل های باک با خازن های هیبریدی dc-dc نیز برخی معایب مبدل های سنتی را رفع نمود .[6] مبدل های سوئ یچ خازنی کاربردهای وسیعی داشته و قادرند تا چگالی توان بالا را ارائه دهند .[7] به منظور حذف جریان پیک و دستیابی به سوئیچینگ به اصطلاح نرم، از سلف رزونانسی کوچکی در مبدل های SC استفاده شد، که منجر به بازده بالا و عملکرد مناسب این مدار شد .[8]
با توجه به دستیابی به گین ولتاژ بالا، پژوهشگران تلاش داشتند تا از مزایای مبدل های فوق استفاده نموده و با مبدل های با بازده بالا دست پیدا نمایند .[9] مبدل های زتا، کاک و سپیک از سلول های SC به منظور دستیابی به نرخ تبدیل ولتاژ بالا استفاده نمودند .[10] دیگر پژوهشگران نیز خانواده ای از مبدل های بوست dc-dc را برای دستیابی به گین بالای ولتا ژ استفاده نمودند .[10] در روش پیشنهادی توسط آن ها، شبکه بوست - سوئیچی با سلف و خازن سوئیچ شونده ترکیب شد. این روش منجر به گین ولتاژ خورجی بالاتر و ریپل خروجی کمتر شد .[10]
در این مقاله، به منظور دستیابی به گین ولتاژ خروجی بالاو بازده بالا، از روش جدید طراحی مبدل سوئیچ شونده به همراه خازن و سلف استفاده شده که در آن سوئیچ به وسیله ی ک کنترل کننده فازی مدیریت شده و بدین ترتیب برخی از معایب مدارهای ذکر شده رفع گردیده است. سازماندهی مقاله بدین ترتیب است که در بخش 2، تجزیه و تحلیل مدار و ملاحظات طراحی بیان شده است. نتایج شبیه سازی در بخش 3 ارائه شده است و در بخش 4 نیز نتیجه گیری انجام گرفته است.
-2 روش تهیه تجزیه و تحلیل مدار و ملاحظات طراحی
-1-2 تجزیه و تحلیل اجزای مدار
در مدار نشان داده شده در شکل 1، 2 سلف استفاده شده است که نقش سلف L1 انتقال دهنده ی انرژی و نقش سلف Lr تنها به عنوان محدودکننده جریان C1، هنگامی که سوئ یچ Q باز است عمل می کند. هنگامی که سوئیچ Q روشن است، شارژ یا دشارژ خازن C1 هنگامی رخ می دهد که هیچ استراتژی از پیش تعیین شده ای برای محدود کردن پی ک جریان وجود نداشته باشد. در این صورت جریان به حداکثر پیک خود رسیده و می تواند موجب آسیب رسیدن به مدار شود. به منظور حل این مساله، سلف کوچک Lr به صورت سری با خازن متصل شده تا به عنوان تانک رزونانسی عمل نموده و در این حالت، جریان خازن به صورت پیوسته و با شیب اندک افزایش پیدا می کند. به منظور اطمینان از رخدادن این پدیده، زمان سوئیچینگ باید بیشتر از نیمی از فرکانس رزونانس باشد.
سه حالت کار برای هر مبدل SCI در یک پریود از چرخه سوئیچینگ وجود دارد. در شکل 2، مدار سه حالت نشان داده شده و شکل موج ایده آل آن در شکل 3 نشان داده شده است. تمام شبیه سازی های ارائه شده در این مقاله بر اساس این فرض ها استوار است: - 1 - تمام قطعات بدون هیچ گونه افت ولتاژ یا مقاومت ذاتی ایده آل هستند، - - 2 خازن خروجی بسیار بزرگ است و ریپل ولتاژ خروجی می تواند نادیده گرفته شود یا ثابت در نظر گرفته شود و - - 3 سلف L1 در مد جریان ثابت عمل می کند.در حالت 1 بین فاصله زمانی t0-t1، وقتی سوئیچ Q روشن است، دیود D2 به صورت معکوس بایاس می شود. دیود D1 به صورت مستقیم بایاس شده و مطابق آنچه پیشتر بیان شد، سلف رزونانس Lr یک تانک رزونانسی را تشکیل می دهد.
اگر ولتاژ ورودی برابر با V1 در نظر گرفته شود، در تانک رزونانس، جریان IC1 القا شده و در شکل سینوسی، شروع به زیاد شدن به صورت تدریجی می نماید.با ادامه یافتن این پدیده، C1 شارژ شده و ولتاژ آن به آرامی افزایش می یابد. . علاوه بر این، ولتاژ ورودی V2 در سلف L1 ایجاد شده و جریان iL1 به صورت خطی افزایش می یابد. می توان این پدیده را از طریق فرمول های زیر به صورت ریاضی بیان نمود:
که در آن 0 برابر با /1 - Lr C1 - است و فرکانس زاویه ای رزونانس نامیده می شود. همچنین، IC1 و 9C1 که مربوط به جریان خروجی هستند، به ترتیب برابر با جریان خازن و دامنه نوسانات جریان خازن می باشد. در نهایت، IL1-min حداقل مقدار جریان سلف L1 است.در این حالت، ولتاژ خازنی به حداکثر مقدار خود می رسد. می توان نشان داد:
در حالت 2 و بین فاصله زمانی t1-t2، رزونانس متوقف می شود، سوئیچ Q به حالت ON می رود و iL1 مطابق آنچه در شکل 3 نشان داده شده است، به صورت خطی افزایش می یابد. در این زمان، جریان از طریق خازن C1 جریان پیدا نمی کند و بنابراین ولتاژ آن حداکثر مقدار خود را حفظ می کند. این حالت همچنان تا زمانی که سوئیچ خاموش شود ادامه پیدا می کند، و پس از آن، جریان سلف iL1 به حداکثر مقدار خود می رسد:
در نهایت، در حالت 3 بین فاصله زمانی t2-t3، سوئیچ Q خاموش خواهد شد و دیود D1 به صورت مستقیم بایاس می شود، این در حالی است که دیود D2 به صورت معکوس بایاس شده است. همانطور که واضح است، در این مورد، C1،L1 و منبع ورودی V2 به صورت سری متصل می شوند و بنابراین جریان عبوری از المان های C1 و L1 یکسان است و می تواند توسط رابطه زیر نمایش داده شود:
در اینجا فرض بر آن است که فرکانس سوئیچ به اندازه کافی بزرگ است، بنابراین ولتاژ خازنی VC1 و جریان القایی iL1به صورت خطی تغییر می کند. در نهایت در این حالت، iL1 و VC1 هر دو به حداقل مقدار خود می رسند. پس از این، سوئیچ Q روشن خواهد شد و تمام این 3 حالت دوباره تکرار خواهد شد.
-3 ملاحظات طراحی
بر اساس پژوهش های گذشته، در زمینه ی مبدل های دو ورودی، نشان داده شده است که دامنه نوسان جریان و ولتاژ می تواند توسط خازن C1 و سلف Lr تعیین شود. همچنین اندازه سلف L1 با مد نظر قرار دادن ریپل جریان می تواند طراحی و برآورد شود. در نتیجه، مراحل طراحی به صورتی که در ادامه اورده شده است در نظر گرفته می شود:
-1 در سطح اول فرایند طراحی، مقادیر مینیمم و ماکزیمم فرکانس سوئیچینگ بایستی تعیین شود و سپس بر اساس این قانون که زمان سوئیچ بایستی بیشتر از نیمی از یک دوره تناوب از فرکانس رزونانس باشد، فرکانس رزونانس محاسبه می گردد:
که در آن، Dmin به عنوان حداقل مقدار نرخ کار نعریف می شود و TS برابر با چرخه سوئیچینگ است.
-2 مقدار L1 را می توان به صورت زیر فرموله کرد:
که در آن dmax برابر با حداکثر مقدار نرخ کار یا وظیفه است و IL1 ریپل جریان عبوری از سلف L1 است.
-3 مقدار خازن C1 می تواند توسط رابطه زیر تعیین شود:
که در آن Io-max حداکثر جریان خروجی است و Vc1 دامنه نوسان ولتاژ خروجی است.
-4 مقدار سلف Lr را می توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه نمود:
-4 ملاحظات مربوط به کنترل سوئیچینگ
در این مقاله، از روش فازی به منظور کنترل عمل سوئیچینگ مدار استفاده شده است. در بخش بعد، نتایج شب یه سازی کارامد بودن روش اتخاذ شده را نشان می دهد. در ادامه به جزئیات روش ارائه شده تمرکز می شود. به منظور طراحی یک کنترل کننده فازی، بایستی توابع عضویت ورودی در ابتدا مشخص شود. سپس قواعد فازی نمایش داده شده و عمل نرمال سازی انجام می شود. سپس توابع عضویت خروجی و قواعد
