بخشی از مقاله
چکیده -
از آنجا که در فناوریهای روز دنیا نیاز به منابع تغذیه DC با جریان بالا و ولتاژ کم دارای اهمیت میباشد، در این تحقیق سعی شده است تا با استفاده از روش شیفت فاز و بکارگیری مبدلهای الکترونیک قدرت یک منبع تغذیه مناسب طراحی میگردد که بدون شک با بکارگیری روشهای نوین و توپولوژی جدید دارای نوآوریهایی در زمینه مورد اشاره خواهد بود. طراحی منبع DC جریان بالا و ولتاژ پایین برای شارژ باتری به عنوان هدف اصلی در نظر گرفته شده است. حداقل ابعاد سیستم تغذیه به عنوان هدف دیگر در طراحی باید در نظر گرفته شود.
-1 مقدمه
IGBTها به سبب فوائد شاخص خود از جمله سادگی درایو و قابلیت کلیدزنی در فرکانسهای بالا، به طور گسترده در مبدلهای سوئیچینگ مورد استفاده قرار میگیرند. قابلیت تحمل ولتاژ و انتقال توان بالا با چگالی توان بالاتر و قیمت ارزانتر نسبت به ماسفتها باعث شده است این کلیدها در توانهای بالا جایگزین ماسفتها شوند.
فرکانس عملکرد IGBTها به دلیل مسئله دنباله داری جریان در آنها محدود است و برای استفاده از این کلیدها در فرکانسهای بالا باید تلفات خاموشی آنها کاهش یابد، برای این منظور روشهای ZVZCS معرفی شدهاند. در این روشها که از تکنیک شیفت فاز برای درایو سوئیچها استفاده میشود، شرایط ZVS برای سوئیچهای پیشفاز با اضافه کردن خازنهای اسنابر دو سر آنها و شرایط ZCS برای سوئیچهای پسفاز با صفر کردن جریان اولیه در مرحله هرزگردی تامین میشود.
با افزایش فرکانس سوئیچینگ، اندازه و حجم فیلترها و ترانسفورمر در مبدلها کاهش مییابد، اما به دنبال آن تلفات سوئیچینگ و نویز EMI بیشتر میشود. برای غلبه بر این مشکل روشهای سوئیچینگ نرم معرفی میشوند. در این روشها همپوشانی ولتاژ و جریان در لحظات سوئیچینگ صفر و یا حداقل میشود و تلفات سوئیچینگ کاهش مییابد. در انتخاب نوع روش سادگی، تعداد المان، عملکرد در فرکانس ثابت و بنابراین طراحی بهینه فیلترها، استرس ولتاژ و جریان روی ادوات نیمه هادی و... میتواند به عنوان ملاک مد نظر قرار گیرد. علاوه بر نوع روش سوئیچینگ نرم، انتخاب نوع المان نیمههادی در مبدل مهم میباشد.
IGBT ها با ترکیب خواص ماسفتها و BJTها و امتیازاتی از جمله سادگی درایو، تلفات هدایتی کم و دانسیته توان بالا به عنوان یک کاندید برای کاربردهای توان بالا محسوب میشوند، اما به دلیل دنبالهاری جریان آنها در هنگام خاموش شدن، استفاده از یک روش سوئیچینگ نرم مناسب برای استفاده از آنها در فرکانسهای بالا ضرورت دارد. یکی از روشهای سوئیچینگ نرم که مناسب IGBTها میباشد، روشهای ZVZCS میباشد.
در این روشها با اضافه کردن خازنهای اسنابر دو سر سوئیچهای یک یال، سوئیچینگ آنها تحت ZVS و با صفر کردن جریان در سوئیچهای یال دیگر توسط یک مدار خارجی و قبل از قطع سیگنال گیت، خاموشی آنها تحت ZCS انجام میگیرد و مسئله دنبالهداری جریان آنها در هنگام خاموش شدن، مرتفع میگردد. سادگی مدار و عملکرد در فرکانس ثابت، از امتیازات روشهای ZVZCS محسوب میشود. صفر کردن جریان اولیه ترانس و سلف نشتی تحت روشهای گوناگونی صورت میگیرد. در مبدل PWM- FB-ZVZCS با خازن بلوکه سری و سلف اشباع شونده، انرژی سلف نشتی توسط خازن سری شده با اولیه ترانس صفر میشود.
با توجه به اینکه ولتاژ این خازن کمتر از 0.2Vin میباشد، زمان صفر کردن جریان سلف نشتی بزرگ است و این امر حداکثر ضریب وظیفه را کاهش میدهد، اما در عوض محدوده ZVS در این مبدل وسیع است، زیرا اولا ولتاژ اعمال شده به ترانسفورمر برای صفر کردن جریان پایین است و تا رسیدن ولتاژ خازنهای اسنابر به این ولتاژ، شارژ و دشارژ آنها توسط جریان سلف فیلتر خروجی انجام میگیرد، ثانیا با کاهش بار ولتاژ خازن سری نیز کاهش مییابد. استفاده از خازن بلوکه سری، از به اشباع رفتن ترانس تحت تأثیر هر گونه عدم تقارن جلوگیری میکند. اما استفاده از سلف اشباع شونده در توان و فرکانس بالا، تلفات آن را بالا میبرد و مسئله خنک کنندگی این سلف در مطرح میشود . همچنین از آنجا که مدار کلمپی برای محدودکردن نوسانات وجود ندارد، برای برش این نوسانات احتیاج به مدار کلمپ اضافی میباشد.
در مبدل PWM-FB-ZVZCS با استفاده از خاصیت شکست معکوس IGBT ، انرژی سلف نشتی در سوئیچهای شاخه پیشفاز تلف میشود، بنابراین کاربرد این مبدل در موادی که سلف نشتی بزرگ باشد، مسئلهساز است. در این مبدل برای برش نوسانات دیودهای یکسوکننده ثانویه، به مدار کلمپ اضافی احتیاج میباشد. در مبدل PWM-FB-ZVZCS با کلمپ فعال صفر کردن جریان اولیه توسط یک سوئیچ و خازن اضافی در طرف ثانویه انجام میگیرد. از آنجا که در این مبدل شروع زمان صفر کردن جریان اولیه توسط سوئیچ اضافی و به صورت کنترل شده انجام میگیرد، محدوده ZVS این مبدل وسیع است.
همچنین از آنجا که خازن کلمپ بزرگ، و تغییر ولتاژ آن در هنگام مراحل شارژ و صفر کردن جریان ترانسفورمر زیاد نیست و نیز جذب نوسانات فرکانس بالا ناشی از نوسان خازنهای پیوند دیودهای یکسوکننده و سلف نشتی توسط این خازن، استرس ولتاژ روی دیودهای یکسوکننده ثانویه در مقدار حدود nVS باقی میماند. امتیاز دیگر این مبدل، قرار گرفتن ولتاژ بزرگ nVS بر روی سلف نشتی و صفر کردن سریع جریان سلف نشتی میباشد که این خصوصیت در مبدلهای توان بالاتر که در آنها اندازه سلف نشتی بزرگ است، مهم میباشد. در این مبدل اثر افزاینده ضریب وظیفه قابل کنترل است. در برابر این نکات مثبت، وجود سوئیچ اضافی، کنترل آن و پیچیدگی مدار قرار میگیرد و نیز از آنجا که روشن شدن این سوئیچ در هنگام اتصال کوتاه بودن دیودهای ثانویه انجام میگیرد، در عمل روشن شدن آن با نوسان و نویز زیادی توأم است .
در مبدل ZVZCS-PWM-FB با استفاده از اسنابر بازیافت انرژی صفر کردن جریان سلف نشتی به صورت خودکار و کنترل نشده توسط مدار ERS فراهم میآید. انرژی گردشی زیاد، استرس ولتاژ زیاد - 2nVS - روی دیودهای یکسوکننده ثانویه و محدوده کم ZVS سوئیچهای یال پیشفاز، از معایب این روش محسوب میشود، هر چند زمان صفرکردن جریان اولیه در این مبدل کوتاه است . برای کاهش انرژی گردشی، مبدل ZVZCS-PWM-FB با سیم پیچ کمکی ترانسفورمر معرفی میشود .
در این مبدل ولتاژ اعمال شده به سلف نشتی با انتخاب مقدار m - نسبت تبدیل سیم پیچ کمکی - قابل تغییر است، اما پیچیدگی نسبی و تعداد المانهای زیاد این مبدل به عنوان یک نکته منفی برای آن محسوب میشود. همچنین از آنجا که مدار کلمپی برای محدود کردن نوسانات دیودهای یکسوکننده وجود ندارد، استرس ولتاژ و نوسانات دیودهای یکسوکننده ثانویه زیاد است به طوریکه برای برش این نوسانات، احتیاج به مدار کلمپ اضافی میباشد. برای رفع این نکات منفی مبدل PWM-FB-ZVZCS با مدار کمکی ساده معرفی شده است.
سادگی مبدل، کلمپ نوسانات یکسوکننده ثانویه و محدود بودن دامنه نوسانات در حد D - n. - 2-D - ضریب وظیفه مبدل میباشد - از مزایای این مبدل محسوب میشود .[1] در مرجع[2] با تغییر در ساختار فیزیکی سلف موجود در مبدل باک، یک مبدل با ولتاژ پایین و جریان بالا ارائه گردیده است. در مرجع [3] نیز با استفاده از تغییر در ساختار سلف در مبدل DC-DC سعی در بهبود حالت گذرای سیستم میباشد. در مرجع >4@ طراحی و کنترل یک مبدل چند سطحی برای شارژ باتری در اتوموبیلهای برقی ارائه گردیده است. در این تحقیق ضمن معرفی مبدل و مودهای عملکرد آن، پیاده سازی و نتایج شبیه سازی ذکر می شود.
-2 عملکرد مبدل
شکل1 شماتیک مبدل و شکل موجهای اصلی را نشان میدهند.
شکل :1 مبدل تمام پل ZVZCS با استفاده از مدارکمکی ساده
شکل :2 شکل موجهای اصلی
این مبدل دارای 9 مود عملکرد به شرح زیر میباشد:
حالت S1 - 1 و S2 هدایت میکنند و توان از ورودی به خروجی منتقل میگردد. خازن کلمپ Cc با رزونانس با سلف نشتی از طریق مسیر DC و Co تا مقدار - -2 - nVsVo شارژ میشود و ولتاژ دو سر یکسو کننده از مقدار Vo به مقدار 2nVs-Vo میرسد.
معادلات جریان اولیه و جریان و ولتاژ خازن کلمپ عبارتست از:
حالتDc - 2 خاموش میشود و ولتاژ یکسوکننده به مقدار nVs بر میگردد. روند انتقال توان از ورودی به خروجی ادامه دارد. حالت S1 - 3 خاموش میشود و خازنهای اسنابر سوئیچهای C1 و C2 با جریان خروجی شارژ و دشارژ میشوند. در این حالت ولتاژ اولیه و ولتاژ یکسو کننده با یک سرعت کاهش مییابند. ولتاژ اولیه مطابق با رابطه زیر به صورت خطی کاهش مییابد.
حالت - 4 هنگامیکه ولتاژ یکسو کننده به ولتاژ خازن Cc رسید، دیود Dh روشن میشود. در این حالت ولتاژ یکسو کننده با سرعت کمتری نسبت به ولتاژ اولیه کاهش مییابد. ولتاژ اولیه معمولا با همان سرعت قبلی به روند کاهش خود ادامه میدهد و انرژی سلف نشتی خازنهای اسنابر را شارژ و دشارژ میکند. تفاوت ولتاژ ثانویه و اولیه به سلف نشتی اعمال و باعث جریان آن میشود.
جریان و ولتاژ اولیه در پایان این مود برابر با Ia و Va میباشد. حالت - 5خازن اسنابر C3 به طور کامل دشارژ میشود و دیود Ds3 روشن میشود. در این حالت S3 میتواند تحت ZVS کامل روشن شود.
