بخشی از مقاله
خلاصه: در این مقاله ابتدا مزایا و مشکلات مبدل بوست پایه بررسی شده است و سپس راهکارهایی که تاکنون برای کاهش اثرات ناشی از این مشکلات ارائه شده بررسی میشوند. سپس یک مبدل بهره بالای بوست فلای بک سوئیچینگ نرم جهت برطرف کردن مشکلات مبدل بوست پایه در کاربردهای بهره بالا معرفی شده است. مبدل پیشنهادی علاوه بر داشتن ضریب وظیفه مناسب در بهره های بالا، از مزایایی نظیر استرس ولتاژ بسیار کمتر از ولتاژ خروجی و شرایط سوئیچینگ نرم نیز برخوردار است.
همچنین به دلیل اینکه در مبدل پیشنهادی از هیچ سوئیچ و یا هسته مغناطیسی اضافهای جهت برقراری شرایط سوئیچینگ نرم استفاده نشده است تعداد المان مبدل نسبت به مبدل بوست فلای بک پایه افزایش چندانی نیافته است. نحوه عملکرد مبدل پیشنهادی توسط تحلیل های نظری بیان شدهاست. برای اثبات تحلیلهای نظری، مبدل پیشنهادی برای ولتاژ ورودی 40 ولت، ولتاژ خروجی 400 ولت و سطح توان 100 وات در نرم افزار PSPICE شبیه سازی شده و در پایان با مشخصاتی مشابه با مبدل شبیه سازی شده، به صورت عملی پیاده سازی شدهاست، تا توانایی های مبدل پیشنهادی به اثبات رسانیده شود.
-1 مقدمه
امروزه با توجه به تمایل هر چه بیشتر بشر به انرژیهای تجدید پذیر، توجه و تمرکز بیشتری بر رشد و توسعه سیستمهای تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر، گذاشته شده است. انرژی خورشیدی، یکی از ارزان ترین و در دسترسترین منابع انرژی تجدید پذیر میباشد. جذب انرژی رایگان از نور خورشید همواره برای بشر جذابیت داشته است؛ ولی با توجه به این که هزینه اولیه و راه اندازی سیستمهای تولید انرژی از نور خورشید، بسیار بالا است و همچنین بازدهی این سیستمها چندان قابل توجه نیست، این گزینه برای تأمین انرژی، چندان مقرون به صرفه نبوده است.
اما برای کاهش مصرف سوختهای فسیلی که منجر به آلودگیهای شدید زیست محیطی می شوند، مطالعات و پروژههای تحقیقاتی گسترده ای انجام شده است تا بتوان منابع انرژی تجدید پذیر و پاک را رقیبی برای سوخت های تجدید ناپذیر از جمله فسیلی قرار داد. روشهای استفاده از انرژی خورشیدی می باشند که در حال حاضر استفاده می شوند.
برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی از سلولهایی تحت عنوان سلولهای خورشیدی استفاده می شود. این ماژول با جذب انرژی از نور خورشید، در خروجی خود یک اختلاف پتانسیل ایجاد می کنند. با این حال ولتاژ ایجاد شده در خروجی سلولهای خورشیدی موجود به مراتب پایین تر از سطح ولتاژ مورد نیاز در ورودی اینورترها است.
علت این قضیه این است که در سلولهای خورشیدی از اتصال سری و یا موازی سلول های خورشیدی استفاده می شود تا سطح توان مد نظر ایجاد شود. سری کردن بیش از حد این سلول ها موجب می شود در هنگامی که بر روی یک یا چند سلول سایه قرار بگیرد و یا به علت دیگری قادر به عبور جریان نباشد، مسیر جریان کلیه سلول های دیگر سری با آن نیز مسدود می شود.
به علت تفاوت بسیار زیاد سطح ولتاژهای خروجی سلولهای خورشیدی و ورودی اینورترها، نمی توان از مبدلهای بوست و باک-بوست پایه جهت افزایش ولتاژ خروجی سلول خورشیدی استفاده کرد. مبدل های بوست و باک-بوست پایه، با توجه به این که در ضریب وظیفه های نزدیک به یک دچار افت شدیدی در بازده می شوند، مشخصا نمی توانند برای این کاربرد به کار روند .[1]
یک راه حل ساده، اتصال سری سلولهای خورشیدی با یکدیگر برای افزایش ولتاژ است ولی انجام اینکار باعث می شود زمانی که روی بخشی از ماژولها سایه بیافتد و یا بین ماژولها عدم تطبیق وجود داشته باشد، عملکرد کلیه ماژول ها مختل شود این رو لازم است برای رسیدن ولتاژ خروجی سلولهای خورشیدی به سطح مطلوب، از مبدلهای DC-DC با بهره ی ولتاژ بالا استفاده کرد که این مبدل باید بتواند بهره ولتاژ بالایی را در عین داشتن بازده مناسب ایجاد کند.
مبدل های بوست و باک-بوست پایه، با توجه به این که در ضریب وظیفه های نزدیک به یک دچار افت شدیدی در بازده میشوند، مشخصا نمی توانند برای کاربردهای با بهره ولتاژ بالا به کار روند .[1] علاوه بر که ضریب وظیفه زیاد نه تنها اسپایک ولتاژ شدیدی ایجاد می کند و تلفات هدایتی را افزایش می دهد، بلکه مشکل بازیابی معکوس دایود را نیز شدیدتر می کند [2]، .[3] تاکنون توپولوژی های بسیاری به هدف دستیابی به بهره ولتاژ بالا بدون افزایش شدید در ضریب وظیفه پیشنهاد شده اند که در مقاله مروری نشان داده شده اند .[4]
مبدل فلای-بک یک ساختار ساده ایزوله است که می تواند بهره ولتاژ بالا ایجاد کند ولی استرس ولتاژ سوئیچ این مبدل به خاطر وجود سلف نشتی در ترانسفورمر این مبدل، بالا است. برای بازیابی انرژی ذخیره شده در سلف نشتی و کم کردن استرس ولتاژ سوئیچ در مبدل فلای-بک، چند تکنیک بازیابی انرژی در مقالات [7]-[5] ارائه شده است تا استرس ولتاژ سوئیچ کلمپ شود و انرژی ذخیره شده در سلف نشتی مبدل فلای بک به چرخه پردازش توان باز یابد.
بعضی مبدل های ایزوله منبع ولتاژ موجود مانند مبدل تمام پل شیفت فاز هم می توانند با افزایش نسبت دور ترانس به بهره های ولتاژ بالا دست یابند ولی متاسفانه با افزایش ریپل جریان ورودی، توان خروجی ماکزیمم را محدود می شود و عمر مفید خازن های الکترولیتی نیز کاهش می یابد. برای کاهش این اثرات، خازن های الکترولیتی بیشتر برای کم کردن اثر ریپل جریان ورودی باید مورد استفاده قرار گیرد.
علاوه بر این مشکلات، استرس ولتاژ دایود خروجی خیلی بیشتر از ولتاژ خروجی است که باعث کاهش بیشتر بازده مبدل در کاربردهای ولتاژ بالا می شود. مبدل های ایزوله دیگر از نوع منبع جریان، مانند مبدل بوست دوتایی با کلمپ فعال و مبدل تمام پل بوست با کلمپ فعال [9]-[8]، نیز می توانند به بهره ولتاژ و بازده بالا دست یابند. ولی عملکرد این مبدل ها در شروع آغاز به کار باید به صورت جداگانه ای مورد بررسی قرار گیرد. جدا از این مسئله، قیمت افزایش چشمگیری به خاطر اینکه تعداد زیادی المان قدرت مورد نیاز خواهد بود و برای مدار کنترل نیز به سنسورهای ایزوله نیاز خواهد بود.
برای کاهش هزینه تمام شده سیستم و بهبود بازده مبدل، مبدل های DC-DC غیرایزوله راه حل مناسب تری خواهد بود [10]و.[11] مبدل های بر پایه خازن های سوئیچ شده که در مقالات [15]-[12] نمونه هایی از آنها موجود است، راه حلی برای بهبود بازده و رسیدن به بهره ولتاژ بالا هستند. متاسفانه، تکنیک خازن سوئیچ شده پایه باعث می شود سوئیچ در لحظات گذرا استرس جریان زیادی را به خود ببیند و تلفات هدایتی مبدل زیاد باشد.
علاوه بر این، تعداد زیادی سلول خازن سوئیچ شده نیاز است تا بتوان بهره ولتاژ نسبتا زیادی را بدست آورد، که این خود باعث افزایش شدید پیچیدگی مبدل می شود .[27] به هر حال، اخیرا تحقیقاتی بر روی بازده انرژی مبدل های دارای خازن سوئیچ شده صورت پذیرفته است و نتایج آن در مقاله [33] گزارش شده است و در این مقاله مولفان، قواعدی برای طراحی و ساخت مبدل های بر پایه خازن سوئیچ شده با بازده بالا ارائه کرده اند.
در [34]، توپولوژی های مختلفی بر پایه مفهوم سلول خازن سوئیچ شده ارائه شده است که در آنها یک روش سوئیچینگ نرم استفاده شده است تا بتوان تلفات سوئیچینگ و مشکلات تداخلات الکترومغناطیسی را کاهش داد. مبدل های داری سلف کوپل شده راه حل دیگری برای بهبود بهره ولتاژ هستند زیرا در آنها علاوه بر ضریب وظیفه، نسبت دور سلف های کوپل شده نیز عامل دیگری در تعیین بهره ولتاژ است و با افزایش آن می توان بهره ولتاژ را افزایش داد. در مقالات [18]-[16] و [31]-[29] نمونه هایی از مبدل های دارای سلف کوپل شده ارائه شده اند.
با وجود مزیت بیان شده برای مبدل های داری سلف کوپل شده، در مبدل های داری سلف کوپل شده تکفاز جریان ورودی نسبتا زیاد است و باعث کاهش عمر مفید خازن ورودی مبدل خواهد شد .[27] بدین خاطر خانواده ای از مبدل های بوست اینترلیود بهره ولتاژ بالا با سلفهای کوپل شده متقاطع در مقاله های [21]-[19] و [30] ارائه شده است که در آنها از یک مدار کلمپ فعال یا غیر فعال برای رسیدن به شرایط سوئیچینگ نرم استفاده شده است.
برای کاهش ریپل جریان ورودی و خروجی و کاهش اندازه خازن های مورد نیاز در ورودی و خروجی مبدل های سویچینگ تکنیک اینترلیود کردن استفاده می شود .[24] استفاده از این تکنیک باعث کاهش استرس جریان المانهای نیمه هادی قدرت نیز می شود. در مقاله [24] یک مبدل اینترلیود دوبرابر کننده ولتاژ ارائه شده است که در آن استرس ولتاژ سوئیچ ها نیز کاهش و بازده افزایش یافته است.
با این حال، بهره ولتاژ این مبدل به اندازه کافی زیاد نیست و استرس ولتاژ دایودها در این مبدل بسیار زیاد خواهد بود.[28] برای رسیدن به بهره ولتاژ بیشتر و کاهش بیشتر استرس سوئیچ ها و دایود ها، مبدل با نسبت تبدیل بالا در [25] و مبدل بسیار افزاینده در [26] ارائه شده است. این مبدلها می توانند بهره ولتاژ بالایی را ایجاد کنند ولی متاسفانه در آنها استرس ولتاژ دایود همچنان نسبتا زیاد می باشد.
در این مقاله یک مبدل بهره بالای بوست فلای بک سوئیچینگ نرم جهت برطرف کردن مشکلات مبدل بوست پایه در کاربردهای بهره بالا پیشنهاد شده است. مبدل پیشنهاد شده علاوه بر داشتن ضریب وظیفه مناسب در بهره های بالا، از مزایایی نظیر شرایط سوئیچینگ نرم و استرس ولتاژ بسیار کمتر از ولتاژ خروجی برای سوئیچ نیز برخوردار است. همچنین به دلیل اینکه در مبدل پیشنهادی از هیچ سوئیچ و یا هسته مغناطیسی اضافهای جهت برقراری شرایط سوئیچینگ نرم استفاده نشده است تعداد المان مبدل نسبت به مبدل بوست فلای بک پایه افزایش چندانی نیافته است.
نحوه عملکرد مبدل پیشنهادی توسط تحلیل های نظری بیان شده است. برای اثبات تحلیل های نظری، ابتدا مبدل پیشنهادی برای ولتاژ ورودی 40 ولت ولتاژ خروجی 400 ولت و سطح توان 100 وات در نرم افزار PSPICE شبیه سازی شده است. همچنین مبدل پیشنهادی با مشخصاتی مشابه با مبدل شبیه سازی شده، به صورت عملی پیاده سازی شده است تا قابلیت پیاده سازی مبدل پیشنهادی به صورت عملی به اثبات رسانیده شود. در انتها نیز از مطالب و نتایج بیان شده، یک نتیجهگیری کلی بیان خواهد شد و پیشنهاداتی برای علاقمندان به این موضوع ارائه شده است.
-2 مبدلهای بوست-فلای بک بهره بالای سوئیچینگ نرم پیشنهادی
-1-2 مقدمه
با توجه به مطالب بیان شده در قبل، مبدل های بهره بالای بر مبنای سلف کوپل شده از مزایایی نظیر افزایش بهره با تنظیم نسبت دور، استرس ولتاژ سوئیچ کمتر از ولتاژ خروجی و ... برخوردار میباشند و در مقابل از مشکلاتی نظیر اسپایک ناشی از انرژی ذخیره شده در سلف نشتی، تلفات سوئیچینگ سخت رنج می برند. بر این اساس در این بخش یک مبدل بهره بالای سوئیچینگ نرم ارائه شده است که علاوه بر دارا بودن مزایای مبدلهای بهره بالای بر مبنای سلف کوپل شده، از مزایایی نظیر کلیدزنی نرم و جذب و بازگردانی انرژی ذخیره شده در سلف نشتی برخوردار می باشد.
در بخش دوم مبدل پیشنهادی معرفی شده است و اجزای تشکیل دهنده آن به ترتیب بیان شده اند. در بخش سوم نحوه عملکرد مبدل پیشنهادی در بازه های زمانی مختلف عملکردی بیان شده است. در بخش چهارم ویژگیهای مبدل پیشنهادی بررسی شده و در بخش پنجم یک رویه برای طراحی مبدل پیشنهادی ارائه شده است. در ادامه در بخش ششم مبدل پیشنهادی برای سطح ولتاژ ورودی 40 ولت، خروجی 400 ولت و سطح توان 100 وات شبیه سازی شده است و همچنین در قسمت هفتم مبدل پیشنهادی با مشخصاتی مشابه با مبدل شبیه سازی شده پیاده سازی شده تا قابلیت مبدل پیشنهادی به اثبات رسانیده شود و نتایج آن در این بخش گزارش شده است و در انتها نیز یک جمع بندی از مطالب این فصل صورت گرفته است.
-2-2 معرفی مبدل بهره بالای پیشنهادی
شکل 1 مبدل بهره بالای سوئیچینگ نرم پیشنهادی را نمایش میدهد. این مبدل شامل یک مبدل بوست فلای بک و یک مدار کمکی اسنابر پسیو ایجاد کننده شرایط سوئیچینگ نرم میباشد. در مبدل پیشنهادی، مدار اسنابر پسیو کمکی از یک سلف کوپل شده با ترانس مبدل فلای بک استفاده شده است که این موضوع باعث افزایش نیافتن حجم مبدل شده است.
به ترتیب در مبدل پیشنهادی S سوئیچ مبدل، D1 دیود خروجی بوست، D2 دیود خروجی فلای بک، n1 و n2 سیم پیچ های مربوط به مبدل بوست فلای بک، CO1 خازن خروجی بوست و CO2 خازن خروجی فلای بک می باشد. همچنین المان های مدار اسنابر پسیو کمکی شامل سیم پیچ n3 که با سیم پیچ های n1 و n2 دارای تزویج می باشد، خازن اسنابر CS و دایود های اسنابر D3 و D4 می باشد.
-3-2بررسی عملکرد مبدل پیشنهادی
برای بررسی دقیق عملکرد مبدل پیشنهادی، از یک مدل برای سلفهای کوپل شده در مبدل نشان داده شده در شکل 1 استفاده شده است که شکل2 مبدل پیشنهادی با مدل سلفهای کوپل شده و جهت های قراردادی جریان و ولتاژ المان ها نشان داده شده است. برای بررسی مبدل در حالت پایدار عملکرد، از المان های پارازیتی قطعات صرفه نظر شده است.
همچنین فرض شده است که اندازه خازن های CO1 و CO2 به اندازه ای بزرگ است که در حالت دائمی عملکرد بتوان ولتاژ آنها را ثابت فرض کرد. با در نظر گرفتن فرضیات بیان شده، می توان 6 بازه زمانی را در یک دوره سوئیچینگ برای مبدل مشخص کرد و برای هر یک از این بازه های زمانی یک مدار معادل ترسیم نمود. همچنین شکل موج های نظری عملکرد مبدل پیشنهادی در شکل 3 نمایش داده شده است. در ادامه به بیان نحوه رفتار مبدل در هر یک از بازه های زمانی پرداخته شده است.
