بخشی از مقاله

چکیده -

امروزه منابع تغذیه ولتاژ بالای توان پایین، نقش مهمی در بسیاری از کاربرد ها دارند. در این مقاله از یک اینورتر پوش پول به همراه یک مدار چند برابر کننده1 برای تولید منبع تغذیه ولتاژ بالا استفاده شده است. مبدل dc-dc پیشنهادی، در کاربردهایی که ولتاژ ورودی پایین و ولتاژ خروجی بالا داریم، می تواند به کار گرفته شود. عمل افزایش ولتاژ در این مبدل در دو مرحله انجام می پذیرد. در گام اول، یک ولتاژ dc پایین به یک ولتاژ نسبتا بالای ac تبدیل می شود. این افزایش توسط اینورتر پوش پول به همراه یک ترانسفورمر افزاینده انجام می گیرد. سپس، در گام دوم یک مدار چند برابر کننده، خروجی حاصل از ترانسفورمر را افزایش می دهد تا به مقدار موردنظر برسد. در این مقاله همچنین از یک کنترل کننده برای بهبود پایداری سیستم و افزایش دقت خروجی مبدل استفاده شده است.

-1 مقدمه

منابع تغذیه dc ولتاژ بالای توان پایین، به عنوان یک بخش مهم در زمینه های مختلف نظیر دستگاه های پزشکی x-ray، کاربرد های الکترواستاتیک، صنایع نظامی و صنعتی کاربرد دارند .[1] هدف از ارائه این مقاله، تولید یک منبع تغذیه dc با دقت ولتاژ خروجی بالا، ریپل ولتاژ پایین، پایداری حالت گذرا و دائمی می باشد.

معمولا در طراحی منبع تغذیه ولتاژ بالا، از یک ترانسفورمر افزاینده ا ستفاده می شود.[2] ساختار تران سفورمر های افزاینده بگونه ای است که سیم پیچی سمت ثانویه دارای تعداد دور بالایی می با شد. این امر سبب می شود تا پارامتر های اخلال گر3 نظیر اندوکتانس نشتی4 و ظرفیت خازنی سرگردان5 افزایش پیدا کنند. افزایش عوامل فوق سبب ایجاد اختلال در عملکرد صحیح مبدل می شوند [3]، بطوری که افزایش اندوکتانس نشتی، باعث به وجود آمدن اسپایک ولتاژ و درنتیجه آسیب رساندن به قطعات مدار می شود. همچنین ظرفیت خازنی سرگردان، باعث ایجاد اسپایک جریانی و درنتیجه بالا رفتن تلفات و کاهش راندمان در مبدل می شود

در این مدار به منظور کاهش اثرات عوامل بیان شده، از یک مدار چند برابر کننده استفاده شده است تا نسبت تعداد دور در ترانسفورمر را کاهش دهد. استفاده از این روش باعث بهبود عملکرد سی ستم و کاهش ابعاد ترانس و هزینه ی آن می شود .[5] بنابراین در این مبدل از پارامتر های اخلال گر به دلیل ناچیز بودن مقادیر آنها در مدار، صرف نظر شده است.

همچنین در این مقاله، از اینورتر پوش پول برای تبدیل ولتاژ dc ورودی به ولتاژ ac استفاده شده است. معمولا استفاده این نوع اینورتر در مدار های سوییچینگ منابع تغذیه ولتاژ بالا رایج است. در این مبدل به منظور کاهش حجم ترانس و اجزا مدار از جمله خازن ها، افزایش دقت در خروجی و بهبود راندمان از فرکانس کاری کیلوهرتز استفاده شده است. همچنین استفاده از تران سفورمر در این مبدل سبب می شود تا ق سمت خروجی مدار از  قسمت ورودی مدار ایزوله شود. همچنین در این مبدل از یک اینورتر به همراه ترانسفورمر و یک چند برابر کننده استفاده شده است تا خروجی مطلوب به دست آید.

از جمله روش هایی که تا کنون به منظور بالا بردن ولتاژ خروجی مبدل استفاده شده اند، می توان به روش های مختلف رزونانس1 اشاره کرد. این روش ها قابلیت استفاده ی بهینه از پارامتر های اخلال گر را در مدار خود دار ند. الب ته مدار های رزونانس سری - SRC - 2 فقط قابلیت تنظیم خروجی را در یک فرکانس کاری مشخص دارند و خروجی آن ها در حالت های بی باری غیر قابل کنترل است .[6] همچنین در مدار های رزونانس موازی - PRC - 3، به دلیل عدم وابستگی جریان رزونانس به بار و بالا بودن آن، تلفات زیادی در حالت بی باری به سی ستم تحمیل می شود .[7] بنابراین در حالت کلی تنها مدارهای افزایش ولتاژ رزونانسی - SPRC - 4 که تلفیقی از دو روش سری و موازی هستند، می توانند در توان های بالا کار کنند و با تغییر فرکانس کاری کنترل شوند

-2 مبدل ولتاژ بالا در یک نگاه

ساختار کلی مبدل dc-dc ولتاژ بالای پیشنهادی در این مقاله در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود این مبدل از یک ورودی dc، یک اینورتر، ترانسفورمر افزاینده ولتاژ، چند برابر کننده، تقسیم کننده ولتاژ و کنترلر تشکیل شده است. در این مبدل ورودی dc منبع تغذیه باید در یک ولتاژ معینی تنظیم شود تا مبدل بتواند عملکرد مطلوبی دا شته با شد. همچنین در این مبدل، منبع تغذیه ورودی باید بتواند علاوه بر اینورتر، کنترل کننده را نیز تغذیه کند. همچنین در این مبدل از یک اینورتر پوش پول ا ستفاده شده ا ست تا ورودی dc را به یک سیگنال ac با فرکانس 15 کیلو هرتز تبدیل کند. سپس سیگنال تولید شده تو سط اینورتر به ورودی تران سفورمر داده می شود تا دامنه ی سیگنال ac به مقدار مورد نظر افزایش پیدا کند.

همچنین در این مبدل از یک چند برابر کننده مرتبه 4 استفاده شده است تا عمل یکسو سازی و فیلتر کردن ولتاژ ac حاصل شده در سمت ثانویه ترانسفورمر را انجام دهد. درنهایت خروجی مبدل همان خروجی چند برابر کننده است که با یک مدار تقسیم کننده ولتاژ شامل مقاومت های مقدار بالا، به کنترل کننده وارد می شوند. سپس این ولتاژ در کنترل کننده با یک ولتاژ مرجع مقایسه شده و در نهایت اختلاف بین این دو ولتاژ، تعیین کننده مقدار جریان ورودی به اینورتر خواهد بود.

-1-2 چند برابر کننده ولتاژ

چند برابر کننده های ولتاژ از بخش های جدایی ناپذیر منابع تغذیه ولتاژ بالا به حساب می آیند.

شکل :1 ساختار کلی مبدل dc-dc ولتاژ بالای پیشنهادی

این نوع چند برابر کننده ها توسط گریناچر، کار برده شده اند .[2] همچنین این ساختارها به دلیل داشتن ویژگی هایی مطلوبی همچون قیمت پایین، استفاده ی آسان و فراگیر، در بین کاربران از محبوبیت خاصی برخوردارند. اولین ساختار چند برابر کننده، با نام "چند برابر کننده کاکرافت والتون نیم موج"1 معرفی شد. بعدها ساختارهای مختلفی برای کاربردهای مختلف ارائه شد که از همان ساختار اولیه نشئت گرفته بودند. با توجه به اینکه چند برابر کننده ها از یک شبکه ی خازنی و دیودی تشکیل شده اند، بنابراین نیاز است تا مقدار ظرفیت خازن ها از روی فرکانس کاری سیستم تعیین شوند، به طوری که هر چه فرکانس کاری سیستم کم تر باشد، مقدار ظرفیت خازنی خازن های مورد استفاده بیشتر می شود تا سیستم عملکرد خود را حفظ کند.[11] شکل 2 اصول کاری یک چند برابر کننده مرتبه n نیم موج مثبت را نشان می دهد.

چند برابر کننده ها بر پایه اصل شارژ خازن تا مقدار حداکثر دامنه ی سیگنال ac کار می کنند. همانطور که در شکل 2 مشاهده می شود، وقتی در دوره منفی خود قرار دارد، جریان 1 از طریق دیود 1 خازن 1 را تا مقدار پیک شارژ می کند. سپس در دوره بعدی که ولتاژ ورودی مقدار مثبت دارد،خازن 2 توسط جریان  2 به مقدار مجموع مقدار پیک مثبت و  1 شارژ می شود.

دوباره با تغییر دوره ولتاژ ورودی به منفی، این بار خازن 3 به دلیل بایاس بودن دیود های 1 و 3 ، به اندازه  2 شارژ می شود و مدار به همین صورت به کار خود ادا مه می د هد. در این مدار مجموع دو خازن و دو دیود ت شکیل یک مرحله در چند برابر کننده را می دهند. هر مرحله ازاین مدار    یک مدار دو برابر کننده است. بنابراین خازن های,…  2 -      -  2,  4 هر کدام به اندازه دوبرابر مقدار پیک شارژ می شوند که در نهایت از ولتاژ مجموع این خازن ها به عنوان خروجی استفاده می شود. اگر جهت قرارگیری دیود ها در این مدار عوض شود، در این صورت ولتاژ خروجی منفی خواهد بود. در مبدل پیشنهادی از یک چند برابر کننده مرتبه 4 با خروجی منفی استفاده شده است.

اگر خروجی مدار های چند برابر کننده در حالت بی باری باشند در این صورت هیچ گونه افت ولتاژ و ریپلی 2 در خروجی مدار مشاهده نمی شود . اما در حالت بارداری به دلیل کشیده شدن جریان توسط بار، افت ولتاژ و ریپلی در ولتاژ خروجی ظاهر خواهد شد.

بررسی این دو پارامتر عملکرد چند برابر کننده را نشان خواهد داد. افت ولتاژ ∆   و ریپل ولتاژ خروجی برای ساختار های مختلف مقادیر متفاوتی دارند. برای ساختار نشان داده شده در شکل 2 که در مبدل پی شنهادی به صورت منفی استفاده شده است، ولتاژ خروجی بدون بار ، افت ولتاژ و ریپل ولتاژ خروجی به صورت روابط زیر تعریف می شوند که در این روابط C ظرفیت خازنی خازن های چند برابر کننده، fs فرکانس ولتاژ ورودی، Rl مقاومت بار و n تعداد مرتبه های چند برابرکننده است.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید