بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک مبدل تک سوئیچه بهره بالا تحت شرایط کلید زنی نرم طراحی شده است. ساختار پیشنهادی با استفاده ازادغام کردن یک مبدل بوست و یک مبدل سپیک و سپس استفاده از ایده کسکد ادغام شده با مبدل بوست بدست آمده است که در آن یک مدار اسنابر کلیدزنی نرم استفاده شده و بدون سوئیچ کمکی شرایط فوق را در مبدل پیشنهادی فراهم آورده است. به طور کلی مزایای مبدل پیشنهادی شامل بهره ولتاژ و راندمان بالا، استرس ولتاژ پایین سوئیچ و دیودها، شرایط سوئیچینگ نرم ، جریان بازیابی معکوس دیودها و جریان ورودی پیوسته با ریپل کم می باشد. عملکرد مبدل پیشنهادی و آنالیز تئوری وضعیت ها مورد بررسی قرار گرفته و نتایج شبیه سازی ارائه شده است.
-1 مقدمه
معمولا در کاربردهای بهره بالا، می توان از مبدل بوست پایه بخاطر سادگی مدار و بازده بالا استفاده نمود. با این حال، در کاربردهایی که بهره ولتاژ بسیار بالا نیاز باشد، مبدل بوست مشکلات متعددی دارد که این مسائل منجر به افزایش تلفات و کاهش شدید بازده در این مبدل می شود
یکی از مشکل های مبدل بوست در کابردهای بهره با ولتاژ خروجی بالا، زیاد بودن استرس ولتاژ سوئیچ و دیود مبدل می باشد. در این مبدل استرس ولتاژ سوئیچ برابر ولتاژ خروجی است. ماسفت های سیلیکونی قدرت ولتاژ بالا عموما از مشکلاتی مانند مقاومت روشنی بالا و زمان گذار زیاد رنج می برند. همچنین در دیودهای ولتاژ بالا، عموما زمان بازیابی معکوس زیاد است که این زمان طولانی منجر به تلفات شدید بازیابی معکوس در مبدل می شود.
مشکل دیگر مبدل بوست در کاربردهای بهره بالا، نزدیک به واحد بودن ضریب وظیفه مبدل می باشد. اگر ضریب وظیفه کاری مبدل نزدیک به واحد باشد، تقریبا در کل دوره کلیدزنی سوئیچ مبدل روشن می باشد و جریان از مقاومت روشنی سوئیچ عبور می کند که عبور جریان از این مقاومت منجر به تلفات هدایتی زیادی در مبدل می شود. علاوه بر این، بزرگ بودن ضریب وظیفه منجر به سخت تر شدن پایداری مبدل و مشکل بودن تنظیم ولتاژ خروجی می گردد. با توجه به مشکلات بیان شده، استفاده از مبدل بوست پایه در کاربردهای بسیار بالا عموما منجر به پایین بودن بازده سیستم و یا افزایش هزینه تمام شده آن می شود.
در سالهای اخیر روش های بسیار زیادی جهت افزایش بهره مبدل های پایه و مخصوصا مبدل بوست ارائه شده است که البته هر کدام از این روش ها مزایا و معایبی را به مبدل اضافه می کند. این روشها را می توان به گروهای های مختلفی دسته بندی نمود. گروه اول از سلول های سلف های سوئیچ شده و یا خازن های سوئیچ شده استفاده می کنند که در مراجع [2]-[1] نمونه هایی از آنها ارائه شده است . این سلول ها معمولا به صورت موازی شارژ می شوند و به صورت سری با خروجی مبدل دشارژ می شوند و نسبت تبدیل ولتاژ مبدل را گسترش می دهند.
گروه دوم بر پایه روش های بالابرنده ولتاژ و یا روش های چند برابر کننده ولتاژ هستند. به عنوان نمونه ای از این گروه، در مرجع [3]، N طبقه از واحدهای دیود-خازن-سلف بر پایه مدار بالابرنده ولتاژ و مدار چند برابر کننده ولتاژ استفاده شده اند تا مبدل بتواند بهره های ولتاژ بسیار زیاد را ایجاد کنند. در مرجع [4]، یک سری از مدارهای بالابرنده ولتاژ ارائه شده اند و با مبدل پایه سپیک ترکیب گشته اند تا نسبت تبدیل ولتاژ را بهبود دهند. تکنیک های بسیار بالا برنده ولتاژ مثبت و منفی که ولتاژ خروجی را طبقه به طبقه افزایش می دهند در مرجع [5] ارائه شده اند. در مرجع [6]، یک مبدل درهم تنیده بسیار افزاینده با مدار محدود کننده فعال و سلول های چندبرابر کننده ولتاژ ادغام شده بررسی شده است.
دسته ای دیگر ازروش های افزایش بهره ولتاژ مبدل های بوست کوادراتیک هستند و بهره ولتاژ مبدل را با افزایش ضریب وظیفه به شدت افزایش می دهند.[7] اما گسترده ترین دسته از روش های افزایش بهره در مبدل های پایه، تکنیک های بر پایه سلف های کوپل شده می باشند. کوپل کردن سلف ها باعث ایجاد یک آلترناتیو ساده، موثر
و بسیار توانا برای رسیدن به یک بهره ولتاژ بسیار گسترده می شود.
پس از بررسی های انجام شده، مهم ترین ویژگی هایی که می توان در انتخاب ساختار یک مبدل بهره بالا در نظر گرفت، پیوسته بودن جریان ورودی، استرس کم ولتاژ و جریان برای المان های نیمه هادی، عملکرد کلیدزنی نرم و بهره ولتاژ مناسب برای عملکردن در ضریب وظیفه های نزدیک نیم، می باشد. در میان مبدل های بهره بالا با سلف کوپل شده، مبدل ترکیبی بوست-سپیک ایزوله ادغام شده و مبدل های کسکد ادغام شده تنها ساختار های بهره بالای تک فازی هستند که دارای جریان ورودی پیوسته می باشند.
در این مقاله بهبود مبدل بوست- سپیک ایزوله ادغام شده مورد بررسی قرار گرفته و با استفاده از تکنیک خازن سوئیچ شده بهره ولتاژ مبدل افزایش یافته است. سپس جهت بررسی صحت عملکرد این مبدل، یک نمونه آزمایشی از مبدل پیشنهادی برای تبدیل ولتاژ 40 ولت به 400 ولت در فرکانس کلیدزنی 100 کیلوهرتز و برای سطح توان نامی 200 وات طراحی و سپس شبیه سازی شده است. مبدل پیشنهادی ویژگی هایی از جمله جریان ورودی پیوسته به دلیل داشتن سلف در ورودی مبدل، استرس ولتاژ کم برای المان های نیمه هادی، شرایط کلیدزنی نرم برای المان های نیمه هادی مبدل و بهره ولتاژ مد نظر را در ضریب وظیفه کمتر از 0/5دارا می باشد و صحت عملکرد مبدل را تایید می کند.
-2 مبدل پیشنهادی بهره بالا تحت شرایط کلید زنی نرم
شکل1 مدار مبدل پیشنهادی بهره بالا تحت شرایط کلید زنی نرم را نمایش می دهد. در این شکل دیودهای Ds1 ، DS2 سلف Lr خازن CS المان های مدار اسنابر کلیدزنی نرم برای خاموش شدن سوئیچ را نشان می دهد. سلف LS سلف اسنابر کلیدزنی نرم در زمان روشن شدن مبدل می باشد. ترانسفورمر نشان داده شده در شکل، مربوط به مبدل سپیک ایزوله می باشد. خازن Co1 خازن خروجی قسمت بوست کسکد مبدل و خازن Co2 خازن خروجی مربوط به قسمت سپیک مبدل می باشد. خازن C2 و دیود D2 نیز مربوط به مدار خازن سوئیچ شونده می باشد که برای افزایش ولتاژ خروجی قسمت سپیک ایزوله و کاهش استرس ولتاژ دیود D3 به کار رفته است.
شکل :1 مدار مبدل پیشنهادی بهره بالا تحت شرایط کلیدزنی نرم
برای تحلیل عملکرد مبدل پیشنهادی فرضیات زیر جهت ساده سازی در نظر گرفته می شوند.
الف- المان های مدار به صورت ایده آل در نظر گرفته می شوند بنابراین از افت ولتاژ دیود ها و المانهای پارازیتی سایر قطعات صرف نظر می شود.
ب- خازن های خروجی Co1 و Co2 و همچنین خازن های C1 و C2 به اندازه کافی بزرگ می باشند بنابراین از تغییرات ولتاژ دوسر آنها صرف نظر می شود.
در شکل 2 شکل موج های کلیدی عملکرد مبدل پیشنهادی در هر یک از وضعیت های کلیدزنی نمایش داده شده است.
شکل :2 شکل موج های کلیدی عملکرد مبدل پیشنهادی در یک سیکل
وضعیت اول عملکرد :
در آغاز این وضعیت، سوئیچ S روشن می شود و بدلیل وجود سلف LS جریان سوئیچ به صورت خطی با شیب ملایم از مقدار صفر افزایش می یابد و بنابراین سوئیچ S به صورت کلیدزنی در جریان صفر روشن می شود. در طی مدت زمان این وضعیت جریان سلف LS به صورت خطی افزایش می یابد و جریان دیود Din2 نیز به صورت خطی کاهش می یابد .
در آغاز این وضعیت، یک رزونانس بین سلف Lr و خازن CS شروع می شود و از طریق مسیر C1-DS2-Lr-CS-S جریان سلف Lr به صورت رزونانسی از مقدار صفر افزایش می یابد و ولتاژ خازن CS نیز از طریق رزونانس افزایش می یابد. همچنین با روشن شدن سوئیچ S، یک ولتاژ منفی دوسر سلف نشتی قرار می گیرد و جریان این سلف را در جهت منفی افزایش می دهد. با افزایش جریان در سلف نشتی جریان عبوری از سیم پیچ شروع به کاهش می کند تا در انتهای این وضعیت تغییر جهت داده و دیود D3 خاموش گردد. مدار معادل مبدل پیشنهادی در وضعیت اول عملکرد در شکل 3 نمایش داده شده است.
شکل: 3 مدار معادل مبدل پیشنهادی در وضعیت اول
وضعیت دوم عملکرد :[t1-t2]
در لحظه t1 جریان عبوری از سیم پیچ ترانسفورمر تغییر جهت می دهد و دیود D3 خاموش و دیود D2 روشن می شود. در طی مدت زمان این وضعیت رزونانس بین سلف Lr خازن CS ادامه می یابد و جریان سلف LS نیز به افزایش خود ادامه می دهد. در انتهای این وضعیت جریان LS به جریان سلف Lin می رسد و دیود Din2 خاموش می شود. مدار معادل مبدل در این وضعیت در شکل 4 نشان داده شده است.
