بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه، داشتن دقت بالا در دستگاههای الکترونیکی جهت استفاده در برخی صنایع جایگاه ویژهای دارد. دقت پایین دستگاههای الکترونیکی معایبی همچون تلفات بالا، اندازهگیری با خطای زیاد را به همراه دارد، برای داشتن دقت بالا نیازمند طراحی بهینه در مدارات الکترونیک قدرت هستیم که حاصل این طراحی بهینه حذف تلفات مختلف مدار ازجمله پدیده ringing هست.
در این مقاله ابتدا به بررسی سه روش متداول که هر سه روش به دنبال ایجاد شرایط کلید زنی تحت ولتاژ صفر - ZVS* - جهت کاهش تلفات هدایت و حذف پدیده ringing، شامل روش استفاده از مدارات اسنابر، استفاده از ساختار مبدلهای رزونانسی و روش سوئیچینگ با مدولاسیون پهنای پالس می باشند، پرداختهشده است.
ازجمله مزایای روش مدولاسیون پهنای پالس نسبت به سایر روشها، کنترل ساده تر، فرکانس کلید زنی متغیر و استفاده کمتر از قطعات هست. اما این روش به دلیل ایجاد سوئیچینگ سخت و درنهایت ایجاد تلفات زیاد در مبدلهای سوئیچینگ دارای معایبی ازجمله ایجاد پدیده ringing هست، با استفاده از تغییر در زمانبندی وکنترل زمان خاموشی روش مدولاسیون پهنای پالس و تغییر در ساختار سمت ثانویه ترانسفورماتور مبدل تمام پل سوئیچینگ ZVS متعارف، روش جدیدی ارائه گردیده است.
با استفاده از روش پیشنهادی علاوه برداشتن مداری با ساختار ساده و بهینهشده، تلفات سوئیچینگ ازجمله پدیده ringing بهطور کامل حذف گردیده است. کاربردی بودن این روش با استفاده از نرمافزار PSPICE نشان دادهشده است. همچنین این روش بهصورت عملی بر روی دستگاه تستر رله AMT-105 ساخت شرکت وبکو امیرکبیر بهطور کامل پیادهسازی شده است.
.1 مقدمه
منابع تغذیه سوئیچینگ، منابع تغذیه الکترونیکی هستند که به منظور تبدیل توان الکتریکی به سطح ولتاژ دیگر با راندمان بالا، دارای مدارات سوئیچینگ می باشند. بر خلاف یک منبع تغذیه خطی، یک منبع تغذیه سوئیچینگ، مدام در حال خاموش و روشن شدن است، که این عامل باعث ایجاد تلفات مختلف همچون ringing و تولید تداخل الکترومغناطیسی - EMI - در این تجهیزات می شود. مبدل های سوئیچینگ قدرت به طور وسیعی در سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند. در طراحی مدار های الکترونیک قدرت، مساله نویز و هارمونیکها در مبدل اهمیت زیادی دارد، خصوصا که در توانها و فرکانس های بالا می تواند سبب اختلال جدی در عملکرد مبدل یا تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی مجاور آن شود.
امروزه سیستم های متنوع الکترونیکی مانند سیستم های مخابراتی، توزیع برق، موتور های الکتریکی، رایانه ها و غیره بنا بر نیاز و کاربردهای صنعتی در کنار هم به کار گرفته می شوند. ایجاد نویز توسط برخی از این سیستم ها و حساس بودن برخی دیگر باعث شده که این مدار ها در عملکرد طبیعی یکدیگر اختلال ایجاد نمایند. [2] ایده منابع تغذیه سوئیچینگ در سال 1970 توسط مهندسان الکترونیک مطرح گردیده است.
این تجهیزات در ابتدای امر از بازدهی پایینی برخوردار بوده اند ولی در مقایسه با باتری ها ومنابع تغذیه آنالوگ وزن و حجم کمتری داشته اند. در عرصه دستگاههای ابزار دقیق، کاهش تلفات سوئیچینگ و پدیده ringing بسیار حائز اهمیت است. بنابراین کاهش و در نهایت حذف این تلفات از اهداف مهم سازندگان این دستگاهها به شمار می رود. برای حذف پدیده ringing مطالعات متنوعی انجام شده است در ادامه به بیان برخی از این مطالعات می پردازیم.
ساده ترین روش استفاده از مدارات اسنابر می باشد. اسنابر ها مداراتی هستند که معمولا در دو سر عناصر نیمه هادی جهت حفاظت و بهبود عملکرد این عناصر به کار می روند. مزایای مدارات اسنابر عبارتند از: کاهش یا حذف Spike ولتاژ یا جریان، محدود کردن dI/dt یا dV/dt، نگه داشتن خط بار در ناحیه عملکرد ایمن، کاهش EMI با تعدیل ringing ولتاژ و جریان، این روش معایبی را به همراه دارد، مخصوصا زمانی که توان خروجی افزایش می یابد، انرژی از بین رفته بر روی مقاومت مدار اسنابر خیلی زیاد است بنابراین راندمان سیستم کاهش می یابد.
روش دوم استفاده از مبدل های رزونانسی می باشد . در مبدل های زرونانسی، یک مدار LLC رزونانسی که در یک فرکانس خاص عمل می کند، به مبدل تمام پل شیفت فاز DC-DC کمک می کند تا شرایط ZVS از بی باری تا بار کامل را بدست آورد.[4] از دیگر مزایای این مبدل ها، راندمان بالا، فرکانس سوئیچینگ بالا، چگالی توان زیاد و نویز الکترومغناطیسی کم، می باشد. مبدل های رزونانسی خانواده ای از مبدل های سوئیچینگ نرم هستند که در آن ها یک شبکه رزونانسی به طور مستقیم به عنوان واسط انتقال انرژی استفاده می شود و رگولاسیون معمولا به وسیله کنترل کردن فرکانس سوئیچینگ بدست آورده می شود.
این روش معایبی همچون پیچیدگی مدار و حجم زیادی از قطعات را به همراه دارد. روش سوم استفاده از مبدل سوئیچینگ با مدولاسیون پهنای پالس متعارف که در اولیه متشکل از یک پل سوئیچ قدرت و یک ترانسفورماتور سری شده با یک سلف و یک پل یکسو کننده دیودی در خروجی است. هدف نهایی تمام روش ها از جمله این روش ایجاد شرایط سوئیچینگ نرم است. تکنیک سوئیچینگ نرم متعارف جهت بهبود راندمان در مبدل های تمام پل استفاده می شود. با این حال، راندمان مبدل هایی که از این تکنیک سوئیچینگ نرم استفاده می کنند به دلیل رنج محدود شرایط ZVS کم است. در چنین شرایطی، برای مقابله با این محدودیت روشهای متعددی بیان شده است.
مبدل ZVS شیفت فاز تمام پل به طور گسترده ای در توانهای متوسط و بالا استفاده می شود، این مبدل دارای چندین مشخصه خوب از جمله تنش پایین تجهیزات، EMI پایین، فرکانس سوییچینگ ثابت و سوئیچینگ نرم برای تمام سوییچ ها با بکارگیری خازن پارازیتی ماسفت و نشستی سلف می باشد .[8] در مبدل تمام پل شیفت فاز متعارف چند محدودیت اساسی وجود دارد در شرایطی که کم باری باشد بدست آوردن شرایط ZVS در سوییچ ها بسیار مشکل خواهد بود بدلیل اینکه انرژی ذخیره شده در اندوکتانس نشتی ترانس نمی تواند در بار کامل و نیز به ویژه در کم باری ایجاد شرایط ZVS را تضمین کند.
در این مقاله با استفاده از تغییر در زمان بندی روش مدولاسیون پهنای پالس و تغییر در ساختار سمت ثانویه ترانسفورماتور مبدل تمام پل سوئیچینگ ZVS متعارف، پدیده ringing حذف گردیده است. با استفاده از روش پیشنهادی علاوه بر داشتن مداری با ساختار ساده و بهینه شده، تلفات سوئیچینگ از جمله پدیده ringing به طور کامل حذف گردیده است. کاربردی بودن این روش با استفاده از نرم افزارPSPICE نشان داده شده است.همچنین این روش به صورت عملی بر روی دستگاه تستر رلهAMT-105 ساخت شرکت وبکو امیر کبیر به طور کامل پیاده سازی شده است.
این مقاله به صورت زیر فصل بندی شده است: در بخش دوم به بیان روش جدید و شبیه سازی می پردازد. بخش سوم تحلیل خروجی های شبیه سازی انجام شده است. بخش چهارم مقایسه روش پیشنهادی با مبدل سوئیچینگ با مدولاسیون پهنای پالس متعارف، صورت گرفته است. بخش پنجم نتیجه گیری بیان شده است.
.2 روش جدید و شبیه سازی
همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود. تحلیل و شبیه سازی مدار با فرض اینکه همه قطعات و تجهیزات ایده آل هستند، صورت گرفته است. در مبدل ارائه شده چهار سوئیچ اصلی با نام های M1,M2M3,M4 که خازنهای پارازیت داخلی C1,C2,C3,C4 و دیودهای بدنه D1,D2,D3,D4 را نیز شامل می شوند، وجود دارد. L1 سیم پیچ اولیه و L3 و L4 و L5 و L6 سیم پیچ های ثانویه می باشند. دیود های D8,D9,D10,D11 یکسوساز ولتاژ خروجی می باشندL7. و L8 سلفهای فیلتر خروجی - - Long Filter می باشند. C5 و C6 خازنهای صافی فیلتر خروجی می باشند. جهت فرمان دادن به گیت ماسفت ها از مدولاسیون پهنای پالس - - PWM به شیوه جدید استفاده می کنیم به این صورت که با توجه به فرکانس کاری که 50 کیلوهرتز می باشد دوره تناوب موج مربعی 20 میکروثانیه می شود. عرض پالس را بر اساس آزمایش های مکرر انجام شده جهت ایجاد شرایط 9,5 ZVS میکرو ثانیه در نظر گرفتیم.
شکل - 1 مدار مبدل طراحی شده
حالت اول: با در نظر گرفتن فرضیات فوق الذکر ابتدا ماسفت های M1 و M4 را روشن می کنیم. بنابراین، ولتاژ مثبت 310 ولت روی اولیه ترانسفورماتور افت می کند. به دلیل داشتن افزایش ولتاژ دو سر سلف، در پی آن افزایش جریان سلف را خواهیم داشت. با روشن شدن ماسفت ها ولتاژ از طریق ترانسفورماتور به ثانویه منتقل می شود و چون در سمت ثانویه دیودهای D8 و D9 در بایاس مستقیم قرار می گیرند، هدایت می کنند.
حالت دوم: بعد از 9,5 میکرو ثانیه M1 و M4 خاموش می شوند، در این زمان مقدار ولتاژ خازن داخلی M1 و M4 صفر ولت و مقدار ولتاژ خازن داخلی M3 و 310 M2 ولت می شود. در سمت ثانویه دیودهای D8 و D9 در بایاس معکوس قرار می گیرند و هدایت نمی کنند، در این زمان به مدت 0,5 میکرو ثانیه برای روشن کردن ماسفت M2 و M3 وقفه ایجاد می کنیم
