بخشی از مقاله
چکیده:
مبدل های اصلاح ضریب توان - PFC - به دسته ای از مبدل های AC-DC گفته می شود که به منظور کاهش هارمونیک های جریان و هم فاز کردن ولتاژ و جریان خط، استفاده می شوند. این امر موجب بالا رفتن ضریب توان ورودی می گردد. در این مقاله یک مدار جدید رزونانس کمکی سوئیچینگ نرم برای ارائه انتقال ولتاژ صفر در یک مبدل بوست PFC ، استفاده می شود که باعث روشن شدن سوئیچ اصلی مبدل تقویت کننده تحت شرایط سوئیچینگ ولتاژ صفر، می گردد.
همچنین، این مدار باعث صرفه جویی در فضا و کاهش هزینه ها می شود. در ادامه روشی موثر برای کاهش تداخل امواج الکترومغناطیسی - EMI - به کار می رود. EMI در منابع سوئیچینگ اهمیت زیادی دارد به دلیل اینکه بر روی عملکرد مدار تاثیر گذاشته و سازگاری الکترومغناطیسی - EMC - را تضعیف می کند. یکی از عوامل ایجاد این تداخل، تغییرات سریع ولتاژ خازن پارازیتی ناشی از وجود گرماگیر است که در این مقاله با به کار بردن روش توازن، EMI مد مشترک مقدار قابل توجهی کاهش می یابد. به منظور تایید کاهش EMI، مبدل بوست ZVT-PFC در دو حالت توازن و بدون توازن در نرم افزار OrCAD شبیه سازی و با هم مقایسه می شوند.
-1 مقدمه
با توجه به کاربرد زیاد مبدل ها، فاکتورهایی مانند کارایی، به صرفه بودن، کم بودن هارمونیک های جریان ورودی و غیره برای انتخاب مبدل مناسب وجود دارد. منبع تغذیه ی متصل به برق AC دارای جریان هارمونیک می باشد و این جریان باعث مشکلات متعددی نظیر اعوجاج ولتاژ، گرما، نویز و کاهش قابلیت خط برای تامین انرژی می گردد. با توجه به این معایب، وجود استانداردها و توصیه های بین المللی، ما مجبور به استفاده از اصلاح ضریب توان - PFC - در منبع تغذیه هستیم .
بنا به تقاضا و به منظور کاهش این هارمونیک ها، مبدل های PFC برای تبدیل AC-DC و منبع تغذیه ی حالت متناوب، به کار می روند و در میان این مبدل ها، مبدل بوست PFC به دلیل ساختار ساده تر، هزینه های پایین و کاهش اعوجاج هارمونیک جریان ورودی، به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است .[2] اساسا PFC به معنای کاهش هارمونیک ها در حد صفر است
مبدل های اصلاح ضریب توان با به کار بردن سوئیچ ها، هارمونیک ها را به میزان قابل توجهی کاهش داده و شکل موج ها را به حالت سینوسی هم فاز نزدیک می کند و بدین ترتیب ضریب توان بیشترین مقدار خود را دارا خواهد بود.
حالت بوست یکی از روش های محبوب در میان مبدل های AC-DC می باشد و به طور معمول دارای یک پل دیود است که راهی مناسب برای رسیدن به ولتاژ خروجی بالا و ولتاژ خروجی تنظیم شده محسوب می شود. از سوی دیگر، تلفات ناشی از پل دیود به ویژه در ولتاژهای پایین افزایش یافته و از این رو کارایی مبدل کاهش می یابد. به منظور بهبود کارایی مبدل از تکنیک سوئیچینگ نرم استفاده می شود. تکنیک های سوئیچینگ نرم، باعث کاهش تلفات شده و همچنین توانایی سوئیچینگ دستگاه ها را برای عمل کردن در فرکانس بالا، افزایش می دهد
در کنار مزایای مبدل بوست PFC از عیب های آن می توان به تداخل امواج الکترو مغناطیسی اشاره کرد. تداخل امواج الکترومغناطیسی - EMI - پدیده ای است که در مبدل های سوئیچینگ اثرات نامطلوبی را در پی دارد. در این مبدل ها به دلیل کلیدزنی با فرکانس بالا، جریان با سرعت قطع و وصل می شود که منجر به تغییر سریع میدان مغناطیسی در سوئیچ و خازن های پارازیتی شده و تداخل امواج مغناطیسی رخ می دهد.
خازن های پارازیتی بین گره ها و زمین توسط بسته بندی مختلف نیمه هادی ها، ساختار فیزیکی، اتصالات گرماگیر و گذرگاه DC تعیین می شوند
برای محدود کردن تداخل با دستگاههای مجاور، رعایت استاندارد های EMI برای اکثر مبدل های قدرت سوئیچینگ اجباری است .[6] با بیشتر شدن dv/dt و di/dt مربوط به سوئیچ ها، تغییرات و نوسانات فرکانس بالا ایجاد می شود که می تواند قابلیت اطمینان کل سیستم را کاهش داده و سازگاری الکترومغناطیسی - EMC - هدایتی و تشعشعی را تضعیف میکند
روش های زیادی برای کاهش EMI در مبدلهای سوئیچینگ وجود دارد از جمله عایق بندی سوئیچ [8]، حذف اثر خازن های پارازیتی [9]، توازن و ... 5] و [6 و [13-10] .برخی از روش ها نظیر فیلترEMI باعث افزایش حجم و وزن مبدل و نیز افزایش قیمت می شود.
روش توازن از جمله روشهای ساده و مقرون به صرفه بوده که توانایی کاهش EMI به کمک اصلاح ساختار مبدل دارد 14 ] و .[15 در ادامه، ابتدا یک مبدل بوست تصحیح ضریب توان با گذار صفر ولتاژ که در سالهای اخیر معرفی شده است، به صورت اجمالی بررسی و وضعیت های عملکردی آن بیان می شود. سپس این مبدل طراحی و نتایج شبیه سازی آن در نرم افزار OrCAD ارائه می شود و نیز این مبدل از دید EMI مد مشترک بررسی می شود و روش توازن برای کاهش EMI در آن با استفاده از مدل سازی و نیزشبیه سازی مورد ارزیابی قرار می گیرد.
-2 اصول عملکرد مبدل بوست ZVT-PFC پیشنهاد شده در
-1-2طرح مدار و فرضیات
شکل 1 طرح مدار مبدل بوست ZVT-PFC پیشنهاد شده [16] را نشان می دهد. این مبدل نسبت به مبدل مرسوم بوست PWM متفاوت است و شامل یک سلف رزونانسی Lr ، یک خازن رزونانسی Cr و یک سوئیچ کمکی S2 - ماسفت - می باشد.
به منظور شرح راحتتر حالت پایدار در طول یک چرخه ی سوئیچینگ، فرضیات زیر در نظر گرفته شده اند:
.1 ولتاژ ورودی Vin ثابت است.
.2 خازن خروجی Co به اندازه کافی بزرگ است.
3. سلف اصلی Lf نیز به اندازه کافی بزرگ است.
4. سلف اصلی Lf بسیار بزرگتر از سلف کمکی Lr می باشد.
شکل: 1 مدار مبدل بوست ZVT-PFC پیشنهاد شده در [16]
-2-2تحلیل و بررسی مراحل عملکرد
برای یک چرخه ی سوئیچینگ ، عملکرد مدار پیشنهادی می تواند به هشت مرحله تقسیم شود. شکل موج ها و مدارهای معادل برای هر مرحله، به ترتیب در شکل های 2 و 3 نشان داده شده اند.
مرحله اول }شکل - 3الف - - :{ t0 < t < t1
قبل از زمان t0 ، سوئیچ اصلی S1 و سوئیچ کمکی S2 خاموش هستند. هنگامی که در t0 ، سوئیچ کمکی به آرامی روشن می شود، جریان سلف کمکی Lr به صورت خطی از صفر تا Ii در t1 ، افزایش می یابد. در طول این دوره دیود D روشن است. دوره زمانی t01 از فرمول زیر به دست می آید:
مرحله دوم }شکل - 3ب - - :{ t1 < t < t2
در این مرحله، مدار بین Lr و Cr شروع به رزونانس می کند. جریان سلف کمکی - ILr - تا زمانی که به IS2_Peak برسد، به افزایش خود ادامه می دهد. همچنین خازن Cr تا زمانی که رزونانس، ولتاژ سوئیچ اصلی را به صفر برساند، دشارژ می گردد. دوره زمانی رزونانس t12 طبق فرمول زیر محاسبه می شود:
مرحله سوم }شکل - 3پ - - :{ t2 < t < t3
هنگامی که دیود خاموش است، جریان سوئیچ اصلی برای مدت زمانی بسیار کوتاه منفی می شود. ولتاژ سوئیچ اصلی - VDS_S1 - در t3 صفرمی باشد. سوئیچ اصلی S1 تحت سوئیچینگ ولتاژ صفر روشن می شود. معادله زیر برای جریان پیک سوئیچ کمکی IS2_peak بدست می آید:
مرحله چهارم }شکل - 3ت - - :{ t3 < t < t4
در این مرحله جریان سوئیچ اصلی - IS1 - افزایش می یابد، در حالی که جریان سوئیچ کمکی - IS2 - کاهش می یابد. از این رو، مجموع جریان های دو سوئیچ برابر با Ii می باشد. در این مرحله ، به منظور تحلیل و بررسی ، سوئیچ ها را می توان با یک منبع ولتاژ و مقاومت مدل کرد، به این دلیل که مشخصه های جریان جاری از طریق دو سوئیچ، به وسیله ی عناصر مقاومتی هر سوئیچ تعیین می شود.
مرحله پنجم }شکل - 3ث - - :{ t4 < t < t5
در این مرحله سوئیچ کمکی S2 به آرامی خاموش می شود. جریان در سلف کمکی به ولتاژ روی خازن پارازیتی S2 تبدیل شده است. جریان سلف کمکی - ILr - در t5 صفر است. در این مقاله، مبدل بوست ZVT-PFC پیشنهادی، با مقادیر بسیار کوچک Lr و CDS_S2 پیاده سازی شده است و از این رو، زمان رزونانس می تواند ناچیز باشد.
مرحله ششم }شکل - 3ج - - t5 < t < t6
رفتار مبدل در این مرحله با رفتار مبدل مرسوم بوست PWM، یکسان می باشد. در t5، D خاموش می گردد و سوئیچ اصلی S1 هدایت را انجام می دهدو جریان Ii در حالی جریان دارد که مدار کمکی غیرفعال می باشد.
مرحله هفتم }شکل - 3چ - - :{ t6 < t < t7
در این مرحله، سوئیچ اصلی خاموش است و خازن رزونانسی Cr به صورت خطی تا ولتاژ Vin شارژ می شود. دیود D در t7 به صورت طبیعی روشن می باشد.
مرحله هشتم }شکل - 3ح - - :{ t7 < t < t0
در این مرحله، این مبدل مانند مبدل مرسوم بوست PWM، حالت آزاد می باشد.
سوئیچ اصلی S2 در t0 دوباره روشن می شود و حالت های عملیات تکرار می گردند.
