بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مبدل DC-DC دوجهته غیر ایزوله با شرایط کلیدزنی نرم و بهره ولتاژ بالا
چکیده- در این مقاله یک مبدل DC-DC دو جهته غیر ایزوله جدید، با شرایط کلید زنی نرم و همچنین بهره ولتاژ بالا ارائه شده است. در مبدل پیشنهادی از روش سلف تزویج جهت دستیابی به بهره ولتاژ بالا استفاده شده است. شرایط کلیدزنی نرم برای این مبدل با استفاده از روش کنترل جریان در مرز CCM/DCM، بدون به کار گیری هیچ المان اضافی، فراهم شده است. از اینرو مبدل پیشنهادی دارای ساختاری ساده وکنترل آسان میباشد. در این مبدل مشکل بازیابی معکوس دیود بدنه سوئیچ ها نیز حذف شده است. به منظور تائید تحلیل تئوری، نتایج شبیه سازی مبدل پیشنهادی با مشخصه تبدیل ولتاژ 24V/200V و توان خروجی 100W، ارائه شده است.
کلید واژه- بهره ولتاژ بالا، سلف تزویج، غیر ایزوله، کلید زنی نرم، مبدل DC-DC دو جهته
-1 مقدمه
در سال های اخیر استفاده از مبدلهای دو جهته DC-DC، در کاربردهای گوناگون توسعه پیدا کرده است. مبدل دو جهته DC-DC قابلیت انتقال توان بین دو منبع DC را دارد. در حالیکه پلاریته ولتاژ هر دو منبعی که به مبدل متصل است بدون تغییر باقی میماند. با توجه به این ویژگیها، این مبدلها در کاربردهایی که بر پایه المانهای ذخیره کننده انرژی مانند باتریها و ابر خازن ها میباشند، مورد استفاده قرار میگیرند. برخی از این کاربردها شامل: خودروهای الکتریکی هیبریدی [2],[1] سیستمهای پیل سوختی [3]، منابع تغذیه بدون وقفه [5] ,[4] (UPS)، فتوولتائیک[6] و ... میباشد. مبدلهای دوجهته در این کاربردها وظیفه شارژ و دشارژ المانهای ذخیره کننده را به عهده دارند.
انواع مبدلهای دو جهته را میتوان به دو دسته ایزوله [8] ,[7] و غیر ایزوله [10] ,[9] تقسیم بندی کرد. به کار گیری مبدل ایزوله زمانی که امکان استفاده از زمین مشترک بین ورودی و خروجی مبدل فراهم نباشد، ضروری میباشد. در این مبدلها با تنظیم نسبت دور ترانس میتوان به بهره ولتاژ بالا دست پیدا کرد. با این وجود، در این مبدلها تعداد سوئیچ ها بین 4-9 سوئیچ میباشد که باعث افزایش تلفات کلیدزنی و پیچیدگی کنترل میشود. همچنین مبدلهای ایزوله نسبت به مبدلهای غیر ایزوله دارای هزینه بیشتر و سایز بزرگتری هستند. اما در بسیاری از کاربردها، مبدلهای با بهره ولتاژ بالا، نیازی به ایزولاسیون ندارند .[11] از اینرو مبدلهای غیر ایزوله که دارای ساختاری ساده، کنترل آسان و حجم کمتر هستند، بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاند.
مبدل دو جهته باک/بوست معمولی در شکل (1) نشان داده شده است که با ضریب وظیفه خیلی کم یا خیلی زیاد میتواند به بهره ولتاژ بالایی در حالت افزاینده/کاهنده (step up/step down) دست پیدا کند. اما به دلیل وجود المانهای پارازیتی [12]، ضریب وظیفه زیاد، منجر به کاهش بازدهی می شود. و همچنین تلفات کلید زنی سوئیچ ها بالاست و پدیده بازیابی معکوس دیود بدنه سوئیچ ها نیز وجود دارد.
به منظور افزایش بهره ولتاژ در مبدلهای غیر ایزوله، توپولوژیهایی ارائه شده است. مبدلهای دو جهته با سوئیچ خازنی میتواند بهره ولتاژ بالایی داشته باشد. با این وجود به دلیل تعداد زیاد سوئیچ ها، این مبدل ها مشکل تلفات کلید زنی بالا و استرس جریان را دارند .[13-15] از تکنیک مبدل در هم تنیده میتوان برای مبدل دو جهته استفاده کرد. با استفاده از این تکنیک میتوان به بهره ولتاژ بالا دست پیدا کرد و مشکل ریپل جریان نیز حل می شود [10-12] ، ولی ساختار در هم تنیده اجزای زیادی دارد و الگوریتم کنترل مبدل را پیچیده میسازد. یک روش دیگر استفاده از سلف تزویج میباشد، که با داشتن ساختاری ساده و استفاده از کمترین المان، می توان به بهره ولتاژ بالا دست پیدا کرد
در این مقاله یک مبدل دو جهته غیر ایزوله باک/بوست با سلف تزویج پیشنهاد شده است، که تنها دو سوئیچ دارد. مبدل پیشنهادی علاوه بر داشتن بهره ولتاژ بالا، به منظور کاهش تلفات کلیدزنی و افزایش فرکانس از روش کنترل جریان در مرز CCM/DCM برای دستیابی به شرایط کلید زنی نرم استفاده شده است. همچنین در این مبدل مشکل بازیابی معکوس دیود نیز حذف شده است. سوئیچهای این مبدل با مدولاسیون پهنای باند (PWM) کنترل میشوند و هر دو سوئیچ مکمل یکدیگر کلیدزنی میگردند، بنابراین پیادهسازی مدار کنترل آن بسیار ساده می باشد.
در بخش بعدی عملکرد مدار به صورت تئوری تحلیل و شکل موجهای کلیدی و مدار معادل هر وضعیت ارائه میشود. در بخش 3 ملاحظات طراحی و در بخش 4 نتایج شبیه سازی و در پایـان، نتیجهگیری در بخش 5 آورده شده است.
-2 مبدل دوجهته پیشنهادی
مبدل دو جهته پیشنهادی در شکل (2) نشان داده شده است. در این مدار فرض شده که مبدل در حالت مستقیم به صورت بوست و در جهت عکس به صورت باک عمل میکند. مدارمعادل هر وضعیت برای این حالت بوست درشکل (3) آورده شده است.
همچنین، شکل موجهای اصلی مبدل پیشنهادی برای حالت بوست درشکل (4) نشان داده شده است.
سلف تزویج شده L1 به عنوان یک اندوکتانس مغناطیسی Lmو یک ترانسفورماتور ایدهآل که نسبت دوری برابر n2/n1=n دارد، مدل میشود. اندوکتانس نشتی سلف تزویج شده به صورت Llk نشان داده شده است. خازنهای CS1 و CS2 خازنهای اسنابر هستند.
-1-2 عملکرد مبدل پیشنهادی در حالت بوست
مبدل پیشنهادی در حالت بوست دارای شش وضعیت عملکرد می باشد. قبل از t0 سوئیچ S1 در حال هدایت است.
وضعیت (t0-t1) (1 در ابتدای این مد سوئیچ S1 را خاموش میکنیم. جریان Lm ، خازن اسنابر CS1 را شارژ و CS2 را دشارژ میکند. (طی یک رزونانس) به دلیل کوچک بودن خازن اسنابر این مد خیلی کوتاه است و تغییرات به صورت خطی در نظر گرفته شده است.
از طریق خازن اسنابر CS2، از سیم پیچ n2 جریان عبور میکند که به دلیل تزویج بین دو سیم پیچ، از n1 نیز جریان عبور میکنـد و یک تغییر ناگهانی در جریان بوجود میآید.
به خاطر وجود خازن اسـنابر CS1، خـاموش شـدن S1 بـه صـورت ZVS می باشد.
وضعیت (2 در این مد چون خازن CS2 کامل تخلیه شده و دیود بدنه S2 در حـال هـدایت اسـت، S2 را تحـت شـرایط ZVS روشن میکنیم. در این مد مبـدل ماننـد بوسـت معمـولی عمـل میکند. جریان به صورت خطی کاهش پیدا میکند، تـا بـه صـفر برسد و به دلیـل عملکـرد مبـدل در حالـت DCM، جریـان وارد مقادیر منفی میشود.
وضعیت (3 در ابتدای این مد جریان وارد مقادیر منفی شده و دیود بدنه S2 دیگر قادر به هدایت کردن نیست و جریان از سوئیچ S2 عبور میکند. در نتیجه تلفات بازیابی معکوس دیود بدنه سوئیچ حذف میشود.
وضــعیت (t3-t4) (4 در لحظــه t3 ســوئیچ S2 را خــاموش میکنیم. طی یک رزونانس، جریان سلف نشتی خازن اسـنابر CS2 را شارژ و CS1 را دشارژ میکند و به صفر میرسد. به دلیل وجـود خازن CS2 خاموش شدن S2 به صورت ZVS میباشـد. بـه دلیـل کوچک بودن خازن اسنابر این مد خیلی کوتاه است. در پایان این مد خازن اسنابر CS1 کاملا دشـارژ شـده و دیـود بدنـه S1 هـدایت میکند.
وضعیت (t4-t5) (5 در ابتدای این مد، چون دیود بدنـه S1 در حال هدایت است، سوئیچ را به صورت ZVS روشن میکنـیم. در این مد چون سوئیچ S2 خاموش است، جریان سیم پیچ n2 صـفر شده، و به دلیل تزویج بین دو سـیم پـیچ، جریـان n1 نیـز صـفر میشود و تنها مؤلفه جریان، جریـان سـلف مغنـاطیس کننـدگی است. به دلیل افتادن ولتاژ Vin به روی سلف مغناطیس کنندگی، جریان به صورت خطی افزایش پیدا میکند.
وضعیت (t4-t5) (6 با شروع این مد دیود بدنه S1 دیگر قـادر به هدایت کردن نمیباشد و جریان از خود سوئیچ عبور مـیکنـد. جریان با همان شیب مد قبلـی بـه صـورت خطـی افـزایش پیـدا میکند. در این مد مبدل مانند بوست معمولی کار میکند.
با خاموش کردن سوئیچS1، سیکل بعدی سوئیچینگ آغاز میشود.
-2-2 عملکرد مبدل پیشنهادی در حالت باک
عملکرد مبدل پیشنهادی در حالت باک مشابه حالت بوسـت میباشد، تنها بـا ایـن تفـاوت کـه جهـت جریـان Isum و جریـان سوئیچها، عکس حالت بوست می باشد.
-3 ملاحظات طراحی
-1-3 طراحی سلف Lcritical
چون مبدل با روش کنترل جریان در مرز CCM/DCM کـار میکند، با بدست آوردن Lcritical میزان سـلف مـرزی مشـخص میشود.
از معادلات 7.8.9 نتیجه میشود:
-2-3 بهره ولتاژ مبدل پیشنهادی
در مبدل دوجهته معمولی در حالت بوست، بهره ولتاژ برابر:
میباشد، وتنها با تغییر سیکل وظیفه میتوان بهره ولتاژ را تغییر داد. که برای کاربردهای با بهره بالا کارآیی لازم را ندارد.
بهره ولتاژ مبدل پیشنهادی در حالت بوست با صـرفنظر از سـلف نشتی به صورت زیر بدست می آید.
با توجه به بالانس ولت-ثانیه برای سلف تزویج، زمان DTS سوئیچ S1 روشن است:
و مــدت زمــان (1-D)TS ســوئیچ S1 خــاموش اســت، و بــا فــرض n2/n1=n بدست می آید:
از معادلات (12) و (13) نتیجه میشود:
