بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله یک مبدل DC-DC ولتاژ و توان بالا برای کاربرد در لامپهای مایکروویو معرفی شده است. این مبدل دارای کلیدزنی نرم برای همه المانهای نیمه هادی می باشد. از طرفی با استفاده از تکنیک رزونانسی استرس کلیدها کاهش یافته که این امر سبب کاهش تلفات کلیدزنی مبدل خواهد شد. بعلاوه جهت دستیابی به توانهای بالاتر این قابلیت را دارد که بصورت Interleaved مورد استفاده قرار بگیرد. همچنین مبدل موردنظر بطور کامل مورد تحلیل قرار گرفته و رفتار آن بخوبی مورد تحلیل قرار گرفته است. جهت راستی آزمایی تحلیل های انجام گرفته، مبدل پیشنهادی در توان 38 کیلو وات و ولتاژ خروجی 14 کیلو ولت شبیه سازی شده است.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر از مبدلهایDC-DC ولتاژ بالا بصورت گسترده ای در سیستمهای راداری استفاده شده اند .[3-1] یکی از روش های افزایش بهره ولتاژ علاوه بر ترانسفورماتور، استفاده از مدارهای چند برابر کننده ولتاژ است .[5-4] در مراجع [7-6] مبدل معرفی شده دارای بهره ولتاژ بالایی می باشد اما تعداد المانهای آن نیز بسیار افزایشی یافته است که موجب کاهش بازدهی شده است. در مرجع [8] یک مبدل DC-DC با استفاده از مدار خازن سوئیچ شونده توانسته است به بهره ولتاژ بالایی دست یابد، اما استرس جریان کلیدها در ولتاژ و توان بالا بشدت افزایش می یابد.
بمنظور کاهش استرس جریان کلیدها از تکنیکهای رزونانسی استفاده می شود. دو ساختار اساسی مبدلهای رزونانسی شامل مدارهای رزونانسی سری و موازی می شود.[11-9] هر دو ساختار می توانند علاوه بر کاهش استرس جریان برای کلیدها، کلیدزنی نرم را نیز به همراه داشته باشند .[15-12] اما اکثر این مبدلها بصورت فرکانس متغیر کنترل می شوند که یکی از معایب آنها می باشد. در این مقاله یک مبدل DC-DC ولتاژ و توان بالا با قابلیت کلیدزنی نرم و استفاده از تکنیک رزونانس معرفی می شود. این مبدل دارای استرس جریان اندک در کلیدها بوده و دارای بازدهی بالایی می باشد. همچنین علارغم استفاده از تکنیک رزونانس، مبدل توسط سیکل وظیفه - D - کنترل می شود.
-2 معرفی مبدل پیشنهادی
مبدل پیشنهادی در شکل - 1 - نشان داده شده است که یک مبدل با کلیدزنی نرم همراه با اندوکتانس تزویج برای کاربرد در منابع انرژی ولتاژ پایین ارائه شده است. در این شکل جهت قراردادی جریان اندوکتانس ها با علامت فلش و ولتاژ خازنها با علامت مثبت نشان داده شده است. در طول این مقاله میزان مثبت یا منفی بودن آنها بر اساس این علائم خواهد بود. شکل موجهای مهم این مبدل نیز در شکل - 2 - نشان داده شده اند. طبق این شکل عملکرد مبدل به شش بخش تقسیم میشود که در ادامه تشریح می شوند.
بخش اول :[t0 t1] با توجه به شکل - 2 - در لحظه t0 کلید S2 خاموش و کلید S1 روشن می شود. در این حالت جریانی که از کلید S2 در حال عبور بوده از دیود موازی معکوس کلید S1 عبور می کند. بنابراین ولتاژ دوسر این کلید صفر شده و آماده روشن شدن تحت شرایط ZVS می باشد. در این بازه می توان پالس گیت کلید را اعمال کرده و آن را روشن کرد. جریان اندوکتانس نشتی در جهت مثبت بوده و خازن Cr شارژ می شود.
جهت جریان اندوکتانس مغناطیس کنندگی منفی و جریان از سر نقطه دار سیم پیچ اولیه وارد می شود. در ثانویه جریان از سر نقطه دار خارج شده و از آنجاییکه دیوده Do در جهت بایاس معکوس قرار دارد، جریان ثانویه توسط D1 و D2 بترتیب خازنهای C1 و C2 را شارژ می کند. با صفر شدن جریان اندوکتانس نشتی این بخش به پایان می رسد. مدار معادل عملکرد مبدل در این بخش در شکل -3 - الف - نشان داده شده است.
بخش دوم :[t1 t2] در لحظه t1 جهت جریان اندوکتانس نشتی و در نتیجه جریان کلید S1 معکوس می شود. در این لحظه جریان از درون کلید S1 که در بخش قبل روشن شده بود، عبور می کند. با معکوس شدن جریان اندوکتانس نشتی جریان سیم پیچ اولیه نیز معکوس می شود. در این بخش اندوکتانس نشتی با خازن Cr رزونانس کرده و مطابق با شکل - 2 - جریانی بصورت یک نیم سیکل سینوسی را تشکیل می دهد . در این حالت جهت جریان در سیم پیچ ثانویه نیز عوض می شود. در نتیجه دیودهای D1 و D2 خاموش و DO روشن می شود و جریان ثانویه سبب دشارژ شدن خازنهای C1 و C2 می شود. بعبارت دیگر در ثانویه خازنهای C1و C2 بصورت سری و به همراه سیم پیچ ثانویه، خازن خروجی CO را شارژ می کنند. مدار معادل عملکرد مبدل در این بخش در شکل -3 - ب - نشان داده شده است.
بخش سوم :[t2 t3] با اتمام حالت رزونانس و با صفر شدن جریان سیم پیچ اولیه در لحظه t2 وارد حالت سوم می شویم. در این حالت مبدل وارد حالت هدایت ناپیوسته میشود. جریان سیم پیچهای اولیه و ثانویه صفر شده و جریان اندوکتانس مغناطیس کنندگی با جریان اندوکتانس نشتی برابر است. در خروجی نیز بار توسط خازنهای Co و Cc تغذیه می شود. مدار معادل عملکرد مبدل در این بخش در شکل -3 - ج - نشان داده شده است.
بخش چهارم :[t3 t4] در لحظه t3 کلید S1 خاموش شده و این بخش آغاز می شود. با خاموش شدن کلید S1 جریان از دیود موازی معکوس کلید S2 عبور می کند . در این حالت ولتاژ کلید صفر بوده و آماده روشن شدن تحت شرایط ZVS می باشد. همچنین با خاموش شدن S1جریان سیم پیچ اولیه مجدداً افزایش می یابد و در نتیجه دیودهای D1 و D2 خازنهای C1 و C2 را شارژ میکنند. همانطور که در شکل - 2 - نیز نشان داده شده است، در این بخش Lk و Cr بازهم وارد حالت رزونانس می شوند. با صفر شدن جریان رزونانس در لحظه t4 این بخش نیز به پایان می رسد. مدار معادل عملکرد مبدل در این بخش در شکل -3 - د - نشان داده شده است.
بخش پنجم :[t4 t5] در لحظه t4 جهت جریان اندوکتانس نشتی معکوس شده و این بخش آغاز می شود. اما جهت جریان سیم پیچ اولیه بدون تغییر باقی می ماند،. بنابراین عملکرد مدار ثانویه نیز تغییری نمی کند. با صفر شدن جریان کلید S2 نیز این بخش به پایان می رسد. مدار معادل عملکرد مبدل در این بخش در شکل -3 - ه - نشان داده شده است. بخش ششم :[t5 t6] در لحظه t5 جهت جریان کلید S2 معکوس می شود. با توجه به اینکه کلید در بخش قبل روشن شده بود جریان از درون آن عبور کرده و تحت شرایط ZVS روشن می شود. عملکرد سایر المانهای مبدل مانند بخش قبل است. مدار معادل عملکرد مبدل در این بخش در شکل -3 - و - نشان داده شده است.
-3 تحلیل مبدل پیشنهادی
-1-3بهره ولتاژ
در ابتدا برای تحلیل مبدل فرض می شود جریان اندوکتانس های ورودی و مغناطیس کنندگی ثابت هستد. همچنین ولتاژ خازنهای C1، C2، CC و CO نیز ثابت فرض می شوند. همچنین لازم به ذکر است که طبق مدل میانگین، در حالت پایدار و در هر سیکل کلیدزنی متوسط ولتاژ المان های مغناطیسی و همچنین متوسط جریان خازنها صفر می باشد.
