بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک مبدل بسیارکاهنده لایه ای با سوئیچ زنی در ولتاژ صفر - ZVS - معرفی می شودکه باعث کاهش تلفات سوئیچینگ و افزایش راندمان مبدل شده است و دارای ریپل ولتاژ و جریان خروجی بسیار کم، جریان ورودی پیوسته با میزان تأثیرهارمونیک های جریان ورودی غیر اصلی به هار مونیک اصلی - - THD بسیار پایین وجریان خروجی بالا است و بدون اضافه کردن تجهیزات کنترلی اضافی جریان بین دو بازو مبدل بطورمساوی تقسیم می شودو یک نسبت کاهنده بسیار بالا را ارائه می دهد که برای کاربردهای مبدل بسیار کاهنده غیر ایزوله با قدرت بالا و ریپل جریان خروجی کوچک می باشد.
-1 مقدمه:
مبدلهای کاهنده لایه ای رایج - - IBC به عنوان یکی از انوع اصلی مبدلهای محسوب میشود و با توجه به ساختار ساده غیر ایزوله، تعداد المان کم، کنترل ساده و جریان خروجی بالا با ریپل کم وپاسخ سریع دربسیاری از مبدلهای بسیارکاهنده با قدرت بالا کاربرد فراوان داردکه درشکل 1 نشان داده شده است. اما مبدل IBC تلفات زیادی روی سوئیچ ها و دیودهای آن می باشدوبرای کاهش زیاد ولتاژ، سیکل وظیفه - D - آن بسیار کم استمخصوصاً تنظیم زمان در فرکانسهای سوئیچ زنی بالا کم می باشد.
همچنین سیکل وظیفه کوچک موجب افزایش پیک جریان سوئیچها می شود در نتیجه تلفات بالا می رود و ریپل جریان ورودی و THDمدار و سایز فیلتر ورودی مبدل افزایش می یابد.در عمل بعلت اختلاف پارامترهای مدار کنترل و مشخصات کلیدهای قدرت،سیکل وظیفه کلیدها با هم دقیقاً یکسان نیست که موجب نا هماهنگی درعملکرد دو بازوی - دوفاز - مبدل می شود وجریان دو بازو دیگر یکسان نمی باشد.بنابراین تقسیم جریان بین دو بازوی مبدل IBC به یکسان نبودن سیکل وظیفه کلیدها حساس می باشد. می توان با بالا بردن فرکانس سوئیچینگ، اندازه و وزن مبدل را کاهش داد ولی مبدل IBC که تحت سوئیچینگ سخت کار می کند تلفات سوئیچینگ افزایش و در نتیجه راندمان مبدل ;کاهش پیدا می کند ومشگل یکسان نبودن سیکل وظیفه که در بازوها ایجاد می شود با افزایش فرکانس زیاد می شود.
بهترین روش برای افزایش راندمان مبدل، استفاده ازتکنیک سوئیچینگ نرم می باشد که موجب کاهش تلفات سوئیچینگ ونیزکاهش سایزهیت سینک سوئیچها هم می شود.
شکل -1مبدل کاهنده لایه ای رایج - - IBC
روشهای مختلفی برای تحقق سوئیچینگ نرم وجود دارد که شایع ترین آن استفاده از مدارهای شبه رزونانسی می باشد که با اضافه کردن سوئیچهای کمکی، سلفها وخازنها شرایط سوئیچینگ نرم در این مبدلها ایجاد میشود.
برای اینکه سوئیچزنی نرم انجام گردد، سوئیچ میبایست درجریان صفر - - ZCS و یا در ولتاژ صفر - - ZV S سوئیچ زنی شود.[1] دیگرمزایای سوئیچینگ نرم کاهش هارمونیکها وتداخلات الکترومغناطیس - - EMI تولید شده توسط مدار مبدل است
اگردرمبدل باک مرسوم یک سوئیچ کمکی اضافه شود ودوسوئیچ - اصلی وکمکی - باهم سنکرون شوند مبدل باک سنکرون ساخته می شود که موجب کاهش تلفات ودرنتیجه موجب بهبود بهره مبدل میگردد ولی به دلیل بازیابی دیودهای معکوس بدنه سوئیچها، پیک لحظهای جریان درهنگام روشن وخاموش شدن سوئیچها اتفاق میافتد که موجب افزایش تلفات سوئیچینگ و تداخلات الکترومغناطیس میگردد که محققان در مرجع [3] با جایگزینی سلف تزویج به جای سلف خطی به سوئیچ زنی درولتاژ صفر دست یافتند و مساله پیک لحظهای جریان درهنگام روشن وخاموش شدن سوئیچها را هم با این تکنیک برطرف نمودهاند.
محققان در مرجع[2] برای بهبود عملکرد مبدل با اضافه کردن شاخه سلف وخازن واستفاده ازفیلتر سلف خطی وخازن در خروجی مبدل مذکور، یک مبدل طراحی کردند که شاخه سلف وخازن آن موجب شده سوئیچها درولتاژ صفر روشن شوند و با استفاده ازفیلترسلف و خازن در خروجی مبدل، سوئیچها درولتاژ صفرخاموش شوند که موجب افزایش بهره مبدل شده است. درمراجع[1]و[ 4] مبدل باک با دوسوئیچ - اصلی وکمکی - که ازسلف تزویج به جای سلف خطی در فیلتر خروجی - سلف وخازن - استفاده شده که مبدل باک با سلف تزویج ساخته شده است که سوئیچ اصلی درجریان صفر روشن و در ولتاژ صفر خاموش می شود وموجب افزایش بهره مبدل میگردد.
مبدل باک با تکنیک تانک رزونانس که درآن خازن وسلف رزونانس با فیلتر پایین گذر خروجی مبدل، سری میشود مبدل باک سنتی با تانک رزونانس ساخته میشود. حال برای افزایش راندمان مبدل ، یک سوئیچ کمکی با خازن تانک رزونانس سری شده که موجب می شود هر دو سوئیچ - اصلی و کمکی - درجریان صفر کارکنند وموجب افزایش بهره مبدل گردد.
محققان با اضافه کردن خازن، سلف - خطی وتزویج - وسوئیچهای کمکی روشهای مختلفی را برای استفاده از تکنیک های سوئیچینگ نرم در مبدل باک استفاده کردند که بطور خلاصه شرح مختصری از بعضی ازآنها دادهشد.
بطور کلی استفاده از تکنیکهای سوئیچینگ نرم قالباً موجب افزایش استرس ولتاژ وجریان سوئیچها میشود ومعمولاً تکنیک سوئیچینگ درجریان صفر موجب افزایش استرس جریان وتکنیک سوئیچینگ در ولتاژ صفر موجب افزایش استرس ولتاژمیشود مثلاً در مبدل باک در ولتاژ صفر مبدل دو سطحی، ماکزیموم ولتاژ دو سرسوئیچها دو برابر ولتاژ ورودی مبدل می باشد که با اضافه کردن کلمپ اکتیو - 2سلف وخازن سری - موجب کاهش ولتاژ سوئیچها، مشابه مبدل باک مرسوم میگردد و می توان جهت کاهش بیشتراسترس ولتاژسوئیچها ازمبدل باک سه سطحی با کلمپ اکتیو درولتاژصفر استفاده کرد که تا پنجاه درصد ولتاژ سوئیچها کاهش مییابد ولی موجب پیچیدگی مبدل میشود.
درمراجع [7]و[8]جهت کاهش زیاد ولتاژ بالا و انتقال قدرت بالا، یک مبدل باک بدون ایزوله بسیارکاهنده با جریان خروجی بالاو ریپل جریان خروجی پایین که دارای مدار کنترلی وساختمان ساده و پاسخ گذرای سریع و سایز تجهیرات پایین میباشد به نام مبدلکاهنده لایه ای معرفی میشود.
در مبدل کاهنده استاندارد، جهت کاهش ریپل جریان ازیک سلف بزرگ استفاده میشود که موجب افزایش تلفات و درنتیجه کاهش بازده مبدل میگردد[9] که با استفاده تکنیک لایه-ای - فازی - ریپل جریان نیز کاهش مییابد.
در مرجع [ 11] با اضافهکردن دو سلف کوچک به طور سری با سوئیچهای مبدل لایهای، تلفات بازیابی دیودهای معکوس کاهش قابل توجه مییابد.
مبدل لایهای IBC دارای معایب نیز میباشدکه می توان به استرس ولتاژ بالای سوئیچ ها و دیودها - مساوی ولتاژ ورودی - ،تلفات بالا سوئیچها و دیودهای بازیابی معکوس اشاره کرد وچون مبدل در ولتاژ ورودی بالا و بسیارکاهنده استفاده می شود می بایست سیکل وظیفه مبدل خیلی کوچک گردد که در فرکانسهای بالا، سیکل وظیفه کوچک موجب افزایش پیک جریان میشود و در مجموع موجب افزایش تلفات مبدل میگردد و همچنین موجب افزایش ریپل جریان ورودی و افزایش سایز فیلتر ورودی میشود.
مشگل دیگر در اختلاف سیکل وظیفه خیلی کوچک سوئیچها می باشد که به دلیل اختلاف پارامترهای مدار فرمان - بدلیل تلرانس المان ها مدار فرمان که اجتناب نا پذیر - میباشد که موجب نابالانسی در دو بازوی مبدل میشود وموجب میشود جریان به مقدار مساوی بین دو بازو تقسیم نشود
محققان برای رفع یا کاهش این مشکلات، مبدل های لایهای مختلفی را طراحی کردندکه میتوان به نمونههای ازآن اشاره کرد.
یک مبدل کاهنده با استفاده از تکنیک سوئیچنگ نرم در ولتاژ صفر و بار متغییر در مقاله[14] ارائه شده است . درمقاله[15]مبدل بسیار کاهنده با دو فاز - دو بازو - وچهار سوئیچ ارائه شده که هرفاز دارای دو سوئیچ میباشد که نسبت تبدیل ولتاژ آن یک چهارم مبدل لایهای مرسوم میباشد .
در مقاله [16] یک مبدل لایهای کاهنده جدید با تلفات کم سوئیچینگ و بهبود نسبت تبدیل پایین، ارائه شده که ولتاژدوسر کلیدهاودیودهای آن نصف ولتاژ ورودی میباشد.
در این مقاله یک مبدل بسیارکاهنده لایهای جدید با تکنیک سوئیچ زنی در ولتاژ صفر - - ZV S معرفی می شود - شکل - 3که این امر باعث کاهش تلفات سوئیچینگ و درنتیجه افزایش راندمان وکاهش EMI مبدل شده است. مبدل مذکوردارای ریپل ولتاژ و جریان خروجی بسیار کم، جریان ورودی پیوسته با میزان تأثیرهارمونیک های جریان ورودی غیر اصلی به هار مونیک اصلی - - THD بسیار پایین وجریان خروجی بالا است.بعلت استفاده از تکنیک سوئیچنگ نرم ZV S موجب افزایش ولتاژ دو سرکلیدها ودیودها خیلی بیشتراز ولتاژ ورودی می شود ولی این مبدل با تقسیم ولتاژ بین دو بازوی مبدل موجب بهبود استرس ولتاژ سوئیچها و ولتاژمعکوس دیودها نسبت به مبدل کاهنده مرسوم با تکنیک سوئیچ زنی در ولتاژ صفر - ZV S - شده است.
همچنین بدون اضافه کردن تجهیزات کنترلی اضافی جریان بین دو بازو مبدل بطورمساوی تقسیم می شودو می تواند یک نسبت کاهنده بسیار بالا را که به فرکانس سوئیچنگ وابسته است ارائه داد که یک انتخاب مناسب برای کاربردهای مبدل بسیار کاهنده غیر ایزوله با قدرت بالا و ریپل جریان خروجی کوچک وجریان ورودی پیوسته با THD بسیار کم می باشد.در این مبدل لازم به استفاده از خازن وسلف خروجی با ظرفیت بالا نمی باشد.
شکل -2مبدل کاهنده رایج با تکنیک ZV S
-2 توصیف مبدل معرفی شده
در این مدار در هر بازو سلفهای L1, L2 ودیودهای D1, D2 وسوئیچها Q1,Q2 تشکیل یک مدار کاهنده را می دهندکه با پالسهای با بازه زمانی 180درجه کلیدها کنترل می شود. با استفاده از خازنهای Cr1, Cr2 ودیودهای Dr1, Dr2 وسلفهای Lr1, Lr2 موجب می شود رزونانس در دو سر کلید ها اتفاق افتد که درنتیجه سوئیچ زنی در ولتاژ صفر انجام شود.چون در اثر رزونانس ولتاژ دو سر کلیدها بیشتراز ولتاژ ورودی افزایش مییابد بنابراین از خازنهای cin1,cin2 برای کاهش ولتاژ کلید ها استفاده می شود.
شکل: 3 مبدل کاهنده معرفی شده با تکنیک ZV S
-3 آنالیزمبدل معرفی شده
جهت ساده سازی آنالیزمبدل معرفی شده فرضیات زیررا در نظر می گیریم:
• همه سوئیچ ها و دیود ها ایده آل هستند.
• خازن های cin1, cin2 و co به اندازه کافی بزرگ هستند بنابراین تغییرات ولتاژ نا چیز دارند.
• خازن های cin1 , cin2 cin
• جریان های L1, L2 ثابت هستند
