بخشی از مقاله
چکیده -
افزایش فرکانس به منظور کاهش حجم و افزایش راندمان در مبدل های باک مدولاسیون پهنای پالس با کلید زنی سخت - - PWM BUCK با مشکلاتی از قبیل تلفات بسیار بالا و در مبدل های باک شبه رزونانسی - - QRC با مشکلاتی از قبیل افزایش جریان های گردشی، تنش ولتاژ های بالا بر روی کلید و دیودها و همچنین محدودیت کلیدزنی نرم برای محدوده وسیع جریان بار همراه می باشد.
در این مقاله یک مبدل باک تحت سوییچینگ ولتاژ و جریان صفر برای فرکانس های بالاتر از 100 کیلوهرتز که به روش مدولاسیون پهنای پالس - PWM - کنترل می شود، جهت کاربرد در توان های پایین و متوسط طراحی شده است. در این مقاله مبدل فوق و وضعیت های مختلف عملکرد آن به همراه مدارهای معادل مبدل در هر وضعیت به طور کامل تحلیل خواهد شد و به منظور اثبات ادعاهای خود، مبدل باک جدید ZVZCS-PWM با نرم افزار PSPICE برای یک بار اهمی 480 وات در فرکانس سوییچینگ 100 کیلوهرتز شبیه سازی خواهد شد.
-1 مقدمه
در بسیاری از کاربردهای مهندسی الکترونیک قدرت تقاضا برای داشتن مبدل های توان متوسط و توان بالا در حال افزایش است. این موضوع منجر به طراحی مبدل هایی شده است که دارای فرکانس سوییچینگ بالا همراه با راندمان بالا و همچنین سایز کوچک و وزن کم هستند. به عبارت دیگر می توان گفت که پیشرفت مبدل های توان DC/DC در راستای افزایش فرکانس سوییچینگ به منظور کوچک سازی، افزایش توان و راندمان بالا می باشند.
اگرچه افزایش فرکانس سوییچینگ در مبدل های تبدیل توان DC/DC مطلوب است، اما افزایش فرکانس باعث افزایش تلفات کلیدزنی و کاهش راندمان، افزایش نویز و کاهش طول عمر کلیدهای قدرت نیمه هادی می شود. استفاده از مبدل های رزونانسی و شبه رزونانسی با تکنیک های کلیدزنی در ولتاژ صفر - ZVS - و جریان صفر - ZCS - توانسته اند تا حدود زیادی تلفات سوییچینگ در فرکانس های بالا را کاهش دهند اما این مبدل ها خود دارای مشکلاتی هستند. برای مثال مبدل های شبه رزونانسی با مدولاسیون پهنای پالس - QRC-PWM - با سوییچینگ به روش ZVS یا ZCS که دارای سیستم کنترل فرکانس ثابت هستند، دارای انرژی گردشی بوده که خود ایجاد تلفات می کند، همچنین کلیدزنی نرم برای محدوده وسیع بار و ولتاژ خط انجام نمی گیرد و تنش ولتاژ و جریان روی کلیدها و دیودهای قدرت وجود دارد
برای رفع مشکلات کلید زنی مبدل های QRC-PWM ، مبدل های فرکانس متغیر طراحی شده اند که این نوع مبدل ها نیز دارای سیستم کنترل پیچیده ای هستند و طراحی فیلتر برای آنها بسیار مشکل می باشد
بمنظور رفع تنش ولتاژ و جریان روی کلیدها و دیودهای قدرت در مبدل های QRC-PWM ، دسته جدیدی از مبدل های رزونانسی با کلید زنی انتقالی تحت عنوان مبدل انتقال ولتاژ صفر - - ZVT و مبدل انتقال جریان صفر - - ZCT طراحی شده اند 7]و.[8 در این مبدل ها به جای استفاده از شبکه تشدید سری از یک شبکه تشدید موازی توسط یک کلید کمکی در دو سر کلید قدرت استفاده می شود. عیب این مبدل ها این است که کلید کمکی با کلید زنی سخت کار می کند و تلفات کلید زنی در آنها بالاست که منجر به کاهش راندمان می شود.
در این مقاله یک مبدل باک مدولاسیون پهنای باند با کلیدزنی به روش ولتاژ صفر - ZVS - و جریان صفر - ZCS - جهت استفاده در توان های متوسط - کوچکتر از 500 وات - طراحی و شبیه سازی شده است. در این مبدل کلید اصلی تحت شرایط ZVS سوییچ می کند و یک کلید کمکی موسوم به کلید Q2 به منظور کاهش استرس های ولتاژ بر روی کلید اصلی Q1 و همچنین حذف جریان گردشی موجود در مبدل های شبه رزونانسی مدولاسیون پهنای باند مرسوم - QRC-PWM - و مبدل های انتقالی تحت شرایط ZCS سوییچ خواهد کرد.
شکل - 1 - مبدل هدف را نشان می دهد. در این مبدل با استفاده از تکنیک کلید زنی ZVS-ZCS-PWM ، تلفات کلید زنی مبدل های باک PWM با کلید زنی سخت و همچنین جریان گردشی و استرس های زیاد ولتاژ روی کلیدها در مبدل های باک QRC-PWM با کلیدزنی نرم تحت شرایط ZVS ، حذف خواهد شد که نتیجه آن افزایش فرکانس کاری مبدل به همراه افزایش راندمان و کوچک شدن حجم آن خواهد بود.
- جریان خروجی به صورت منبع جریان ثابت Io در نظر گرفته می شود.
- ولتاژ خروجی به صورت منبع ولتاژ ثابت Vo می باشد.
مبدل هدف دارای هفت وضعیت عملکرد می باشد که فاصله زمانی بین 0 تا t7 نشان داده شده در شکل - 2 - نشان دهنده هر وضعیت است. همچنین شکل - 2 - دنباله های کلید زنی و شرایط ZVS و ZCS برای کلید اصلی و کلید کمکی در یک دوره کامل سوییچینگ - یک سیکل - را نشان می دهد.
مدار معادل هر وضعیت مبدل هدف در شکل - 3 - نشان داده شده است. توجه کنید که خطوط پر رنگ در مدار معادل ها مسیر عبور جریان در هر وضعیت را نشان می دهند.
شکل - . - 1 مبدل باک ZVT-PWM
در ادامه پس از تحلیل کامل مبدل در وضعیت های مختلف و نمایش مدار معادل هر وضعیت و به دست آوردن روابط ولتاژ و جریان مربوطه و زمان های مختلف هر مد سوییچینگ، به منظور اثبات ادعاهای خود مبدل هدف با توان خروجی 500 وات و ولتاژ 100 ولت برای تغذیه یک بار اهمی 20 اهم با استفاده از نرم افزار PSPICE شبیه سازی خواهد شد.
شکل - . - 2 دنباله کلید زنی و شرایط سوییچینگ ZVZCS
-1-2 وضعیت اول - 0 W < W1 -
-2 اصول عملکرد مبدل هدف
برای تحلیل و بررسی اصول عملکرد مبدل باک هدف فرض هایی در نظر گرفته شده اند که عبارتند از:
- عناصر فیلتر خروجی یعنی Co و Lo در مقایسه با عناصر تشدید Lr و Cr بسیار بزرگ هستند.
- کلیه عناصر ایده آل در نظر گرفته شده اند.
وضعیت اول در شکل - - 3 نشان داده شده است. این وضعیت با روشن شدن کلید Q2 در لحظه t=0 شروع می شود. کلید Q1 در این وضعیت خاموش بوده و به دلیل اینکه دیود D در زمان های قبل از روشن شدن کلید Q2 در حالت هرزگردی بوده، ولتاژ دو سر خازن Cr برابر ولتاژ ورودی Vs می باشد.
شکل - . - 3 مدار معادل وضعیت های مختلف عملکرد مبدل هدف
تا زمانیکه Vcr =Vin باشد همچنان دیود D به هدایت خود ادامه می دهد. با این وجود کلید Q2 تحت شرایطی روشن می شود که جریان سلف Lr برابر صفر است - ILr - t - =0 - و این یعنی روشن شدن کلید کمکی Q2 تحت شرایط جریان صفر - . - ZCS تحت این شرایط جریان Ilr - t - از رابطه - - 1 بدست می آید.
جریان سلف Lr در انتهای این وضعیت یعنی در لحظه t1 برابر جریان خروجی Io می شود و همچنان Vcr = Vin و مدار وارد وضعیت دوم می شود. از این رو بازه زمانی t1 از رابطه - 2 - بدست می آید.
-2-2 وضعیت دوم - W < W2 - W1
در لحظه t1 خازن Cr شروع به دشارژ شدن می کند و دیود D خاموش می شود و رزونانس بین Cr و Lr اتفاق می افتد. تحت این شرایط ولتاژ خازن و جریان سلف به ترتیب از روابط - 3 - و - 4 - بدست می آیند.
ولتاژ خازن در لحظه t2 به مقدار صفر می رسد و در این لحظه کلید اصلی Q1 تحت شرایط ولتاژ صفر روشن می شود و مدار وارد وضعیت سوم می شود. از این رو t 2 از رابطه - 5 - محاسبه می شود.
-3-2 وضعیت سوم W < W3 - - W2
این وضعیت با روشن شدن کلید Q1 تحت شرایط ZVS شروع شده و جریان از طریق دیود D1 هدایت می شود. جریان سلف Lr در این وضعیت از مقدار پیک خود شروع به کاهش می کند و از رابطه - 6 - بدست می آید.
در لحظه t3 مقدار جریان iLr - t - که در حال کاهش از مقدار پیک خود می باشد به مقدار جریان خروجی Io رسیده و مدار وارد وضعیت چهارم می شود. از این رو t3 از رابطه - 7 - محاسبه می شود.
-4-2 وضعیت چهارم - W3 W < t4 -
در این وضعیت جریان کلید کمکی Q2 از مقدار Io کمتر شده و در لحظه t4 و با صفر شدن جریان iLr - t - صفر می شود. بنابراین در لحظه t4 کلید کمکی Q2 تحت شرایط ZCS خاموش می شود.
