بخشی از مقاله
چکیده -
سیستمهای توان پالسی، توانایی تولید پالسهای ولتاژ بالا در زمان بسیار کوتاه، در حد میکروثانیه و یا نانوثانیه را دارند. در این سیستمها، انرژی انباشته شده در تجهیزات ذخیرهکننده انرژی، مانند خازنها و سلفها در زمان کلیدزنی به صورت یک پالس ولتاژ بالا به بار منتقل میشود؛ در نتیجه ولتاژ خروجی پالسی تولید میگردد.
پالسهای قدرت کاربردهای زیادی در صنعت، پزشکی، صنایع نظامی و محیط زیست دارند. در این مقاله سعی شده با استفاده از ادوات نیمههادی و همچنین ترکیب مبدل بوست با ساختار مارکس، یک ژنراتور مارکس فشرده جدید طراحی شود. طرح پیشنهادی در توان 80 وات، با منبع ورودی 20 ولت و خروجی 800 ولت، در نرم افزار OrCAD شبیهسازی شدهاست. با توجه به طراحی انجام شده، در ولتاژ خروجی یکسان، تعداد المانها در طرح پیشنهادی در مقایسه با سایر ساختارهای مولد مارکس کمتر است ولی بهره ولتاژ آن بیشتر است.
-1 مقدمه
اصول پایهای که بر اساس آن پالسهای قدرت ایجاد میشوند بسیار ساده است و مبتنی بر جمعآوری انرژی از منابع عادی اولیه - در سطوح پایین توان - و در مرحله بعد، ذخیرهسازی موقت آن انرژی در خازنها، القاگرها و ... و در نهایت تخلیه این انرژی به صورت ناگهانی به شکل یک پالس ولتاژ بالا در بار میباشد. در فرآیند ذخیرهسازی و آزادسازی، کل انرژی موجود مقدار ثابتی است. اما به دلیل تخلیه این انرژی در مدتزمان بسیار کوتاه، توان لحظهای ایجاد شده بسیار زیاد خواهد بود. در این سیستمها توانهای لحظهای از مرتبه مگاوات و حتی گیگاوات، ولتاژهای در حد چند ده کیلوولت و جریانهای چندصد آمپری کاملاً معمول است
برای ارزیابی عملکرد مولدهای توان پالسی علاوه بر توان لحظهای و انرژی، پارامترهایی نظیر دامنه ولتاژ، زمان صعود، ژنراتور مارکس بهعنوان یک منبع تولید پالس میتواند پالسهایی با ولتاژ بسیار بالا در حد چندین کیلو ولت را در بازه زمانی بسیار کوتاه در حد چند میکروثانیه یا نانوثانیه تولید کند. مولد مارکس شامل یک شبکه خازنی است، که بهصورت موازی با زمان نزول، عرض پالس، نرخ تکرار پالس و توان متوسط نیز دارای اهمیت بسیاری است، که با توجه به نوع بار و کاربرد آن تعیین میشوند
مولدهای توان پالسی قادرند پالسهای تکقطبی، دوقطبی و به طور کلی اشکال مختلف پالس را با مشخصات متغیر ایجاد کنند. این مولدها در ابتدا به منظور تحقیقات پیرامون گداخت هستهای و استفاده در زمینههای تسلیحاتی و نظامی مورد استفاده قرارگرفتند و بتدریج گسترش یافتند.
امروزه این مولدها کاربردهای بسیار گستردهای در صنایع، پزشکی و تحقیقاتی پیدا کردهاند. فرآوری و استریلیزاسیون مواد غذایی، خرد کردن برخی کانیهای خاص در معادن، تولید ازن، تصفیه هوا، تصفیه آب، الکتروپوریشن، تصفیه فاضلاب صنعتی، تغذیه لامپهای مایکروویو در مد پالسی، تصفیه گازهای آلاینده خروجی صنایع، بازیافت بتن، لیزر، رادار و ترکیب مولکولی - فیوژن - از دیگر کاربردهای این مولدها هستند
در طرحی یک ژنراتور مارکس، شامل N طبقه، با استفاده از سوییچهای حالتجامد طراحی و ساخته شدهاست، که باعث افزایش ولتاژ خروجی به میزان N برابر ولتاژ ورودی گردیده. همچنین ولتاژ خروجی مولد متناسب با عملکرد آن بهبود مییابد، ولی در عین حال افزایش تعداد طبقات به منظور افزایش ولتاژ خروجی، باعث کاهش قابلیت اطمینان سیستم به صورت قابل ملاحظهای میشود .
یک توپولوژی MG بر مبنای مدار سوئیچینگ نیز در 12]و[13 پیشنهاد شده است که همزمان از IGBT و SCR استفاده میکند. مرجعی دیگر مولدی را پیشنهاد میکند که ترکیبی از توپولوژی مارکس و چند برابر کننده ولتاژ خازن دیودی - CDVM - است. همچنین یک مولد مارکس دوقطبی با دو منبع ورودی نیز در [14] آمده است.
یک مولد پالس باریک دو قطبی بر اساس ساختار مبدل فلایبک در [15] پیشنهاد شده است. توپولوژی دیگری نیز بر اساس سلولهای مبدل چند سطحی ماژولار نیمپل - HB-MMC - معمولی با کلیدهای IGBT ارائه شدهاست، که میتواند هر دو پالس ولتاژ بالای مستطیل شکل تکقطبی و دوقطبی با عرض پالس 10 میکروثانیه و فرکانس 10 کیلوهرتز را تولید کند.
در ادامه یک پیکرهبندی جدید از ژنراتور مارکس با استفاده از کلیدهای نیمهرسانا، که مبتنی بر مبدل بوست در همتنیده در حالت DCM است را مورد بررسی قرار میدهیم. این مولد قادر است پالس تکقطبی ولتاژ بالا در محدوده میکروثانیه برای کاربردهایی مانند تصفیه آب و تصفیه هوا تولید کند. لازم به ذکر است، ژنراتور پیشنهادی قابلیت گسترش تا n طبقه با تعداد N خازن را دارد . - N=4n - ما در این ساختار آن از ماسفت و دیود به عنوان ادوات نیمههادی استفاده کردهایم.
-2 ساختار ژنراتور پیشنهادی
همانطور که در شکل - 1 - ملاحظه میکنید، این مولد درواقع ترکیبی از دو مبدل بوست به صورت درهمتنیده در ورودی و ساختار مارکس در خروجی میباشد. در ساختار مارکس این مولد هر طبقه دارای چهار خازن - C1-C4 - ، چهار دیود - D1-D4 - و چهار سوئیچ - S3-S6 - میباشد؛ سلفهای L1 و L2، کلیدهای S1 و S2، به همراه یک منبع DC ولتاژ پایین مدار بوست درهمتنیده ورودی را تشکیل میدهند.
طراحی این مدار بهگونهای است که مبدل بوست ورودی در حالت هدایت ناپیوسته - DCM - قرار دارد. به دلیل این که بهره ذاتی مبدل بوست در این حالت نسبت به حالت هدایت پیوسته بیشتر است، این امر باعث افزایش بهره مولد پیشنهادی ما نیز میگردد. علاوه بر این ناپیوسته بودن جریان در این ساختار، به صورت ذاتی، باعث ایجاد شرایط کلیدزنی در جریان صفر - ZCS - برای برخی از کلیدها میگردد، که این امر میتواند به کاهش تلفات کلیدزنی در این ساختار کمک کند.
شکل - : - 1 ساختار ژنراتور مارکس پیشنهادی یک طبقه
-3 نحوه عملکرد ژنراتور مارکس طراحی شده یک طبقه
با توجه به الگوی کلیدزنی مدار و همچنین شکل موجهای ولتاژ و جریان المانهای ژنراتور پیشنهادی، عملکرد این مولد در هر سیکل کلیدزنی به چهار بخش تقسیم میشود، هر بخش در ادامه توضیح داده میشود.
1؛-3 بخش اول :[t0 t1]
در لحظه t0، کلید S1 خاموش و همزمان کلید S3 روشن میشود. در نتیجه منبع ورودی، سلف مبدل بوست و خازنهای خروجی یک مدار رزونانسی را تشکیل میدهند؛ انرژی ذخیره شده از سیکل قبلی در سلف L1 از طریق کلیدهای S3، دیود بدنه کلید S4، کلید S2 و دیودهای D1 و D3 به طور کامل در خازنهای C1 و C3 که موازی هم قرار دارند، تخلیه میگردد و خازنها را تا مقدار VC-max شارژ میکند.
2؛-3 بخش دوم :[t1 t2]
در لحظه t1 برای مدت T ، کلید S3 خاموش و همزمان کلید S1 روشن میشود. سپس سلف L1 شروع به شارژ شدن میکند و جریان آن طبق رابطه - 1 - به صورت خطی با شیب - V/L - افزایش مییابد. در کل این بازه نیز کلید S2 روشن است و منبع ورودی درحال شارژ کردن سلف L2 تا مقدار نهایی IL_max میباشد. لازم به ذکر است که به دلیل DCM بودن مبدل بوست، خاموش شدن کلید S3 در این بازه در جریان صفر - ZCS - صورت میگیرد، درنتیجه کاهش تلفات کلیدزنی را درپی دارد.
در این روابط Vin ولتاژ منبع ورودی، VL ولتاژ سلف مبدل بوست، L مقدار اندوکتانس سلف، T مدت زمان وصل بودن کلید مبدل بوست - شارژ سلف - ، D1 سیکل وظیفه کلید مبدل بوست و IL مقدار جریان سلف میباشد.
3؛ -3 بخش سوم :[t2 t3]
در لحظه t2، کلید S2 خاموش و همزمان کلید S4 روشن میشود. در نتیجه منبع ورودی، سلف L2 مبدل بوست و خازنهای خروجی C2 و C4 یک مدار رزونانسی را تشکیل میدهند؛ جریان سلف L2 از طریق کلیدهای S4، دیود بدنه کلید S3، کلید S1 و دیودهای D2 و D4 به طور کامل در خازنهای C2 و C4 تخلیه میگردد و خازنها را تا مقدار VC-max شارژ میکند. در کل این بازه کلید S1 روشن میباشد و منبع ورودی درحال شارژ کردن سلف L1 است.
4؛-3 بخش چهارم :[t3 t4]
در لحظه t3 برای مدت T ، کلید S4 خاموش و همزمان کلید S2 روشن میشود. سپس سلف L2 شروع به شارژ شدن میکند و جریان آن طبق رابطه - 1 - به صورت خطی با شیب - LV - افزایش مییابد. در کل این بازه نیز کلید S1 روشن میباشد و منبع ورودی درحال شارژ کردن سلف L1 است. به طور همزمان با وصل شدن کلید S2 و قطع ارتباط هر دو مبدل بوست با خازنهای خروجی کلیدهای S5 و S6 روشن میشوند و با سری شدن خازنها مجموع ولتاژ آنها که برابر 4VC-max میگردد، به صورت یک پالس ولتاژ بالای نمایی در خروجی تخلیه میگردد. ثابت زمانی تخلیه برابر RL.Ceq-ser میباشد و در پایان این بخش کلیدهای S5 و S6 خاموش میشوند. لازم به ذکر است که خاموش شدن کلید S4 در این بازه در جریان صفر - ZCS - صورت میگیرد، درنتیجه باعث کاهش تلفات کلیدزنی میگردد.
-4 طراحی مقادیر المانهای مدار پیشنهادی
با نوشتن معادله دیفرانسیل مدار، رابطه جریان سلف در هر لحظه بر حسب t به صورت زیر حاصل میشود:
در رابطه بالا Ceq-par مقدار ظرفیت معادل دو خازنی است، که در زمان شارژ با هر مبدل بوست موازی هستند. رابطه ولتاژ خازنها بر حسب t به صورت زیر بدست میآید سپس طراحی برای مقادیر معلوم RLoad، Vin، مدت زمان پالس tw، Vout-max، فرکانس تکرار پالس خروجی fr و حداکثر ولتاژ سوئیچ موجود صورت میگیرد.
طبق ساختار مدار حداکثر ولتاژ روی کلیدها، دو برابر ولتاژ خازنها میباشد. در نتیجه ولتاژ قابل تحمل کلید باید از دوبرابر ولتاژ خازن بیشتر باشد.
