بخشی از مقاله
بهبود راندمان مبدل بوست سه سطحی برای کاربردهای بهره بالا
خلاصه
مبدلهای الکترونیک قدرت و روشهای کنترل آنها شالوده اصلی سیستمهای فتوولتائیک هستند.در این مقاله بر روی کاهش تلفات مبدل بوست سه سطحی تحقیق شده است و با استفاده از تکنیکهای سوئیچینگ نرم ، تلفات سوئیچینگ در این مبدل کاهش یافته است.مبدل جدید ، تحلیل شده و سپس نتایج شبیه سازی ارائه شده است.
کلمات کلیدی: سیستم های قدرت فتوولتائیک ، مبدل های بهره بالا ، مبدل بوست سه سطحی ، انرژی خورشیدی
.1 مقدمه
انرژی های نو می تواند به عنوان جایگزینی برای وابستگی سنتی ما به سوخت های فسیلی و همچنین رفع آلودگی های زیست محیطی ناشی از مصرف سوخت های فسیلی باشند.به عنوان نمونه ای از انرژیهای تجدید پذیر می توان از انرژی باد، انرژی خورشیدی و پیل های سوختی نام برد.انرژی فتوولتائیک توجه زیادی را از لحاظ سادگی استفاده و پیاده سازی در میان سایر انرژی های نو به خود جلب کرده است.در حقیقت ظرفیت نصب شده در زمینه انرژی خورشیدی نسبت به انرژی باد و هیدرو مقدار کمتری به خود اختصاص داده است همچنانکه هزینه اقتصادی تولید انرژی از سلول های خورشیدی در حال کاهش بوده و بازدهی این روش ها در حال افزایش می باشد.به نظر می رسد انرژی تولیدی از روش فتوولتائیک در آینده سهم بیشتری را به خود اختصاص خواهد داد. به منظور استفاده از انرژی خورشیدی و تکنولوژی فتوولتائیک به سلول های خورشیدی و مدارات واسط مانند مبدل های الکترونیک قدرت نیازمند هستیم . از آنجاییکه ولتاژ تولیدی سلول های خورشیدی پایین است لذا به منظور بالا بردن ولتاژ ، مجبور به استفاده از روش هایی مانند اتصال سری و موازی این سلول ها و همچنین استفاده از مدارات الکترونیک قدرت می باشیم.
2 - مبدل بوست سه سطحی
ساختار این مبدل بر اساس شکل 1 می باشد . از آنجائیکه استرس ولتاژ روی المان ها تقسیم می شود ، لذا این مبدل برای کاربردهایی با ولتاژ خروجی زیاد مناسب می باشد . همچنین با توجه به استرس ولتاژ کمتر بر روی سوئیچ ها ، در این مبدل می توان از سوئیچ های با مقاومت هدایتی کوچکتر نظیر MOSFET استفاده نمود . البته با توجه به سرعت بالای کلید زنی در MOSFET ، می توان تلفات کلید زنی را کاهش داد . ( وهوا و ژیانگینگ ، 3( 2011
از مزایای این مبدل می توان موارد زیر را بر شمرد:
- پلاریته یکسان در ورودی و خروجی
- کاهش استرس ولتاژ دیودها که باعث کاهش زمان بازیافت معکوس آنها می شود.
- کاهش Ron سوئیچ ها در اثر کاهش استرس ولتاژ
به دلایل فوق این مبدل می تواند با بهره بالاتری کار کند .کاهش استرس المان ها موجب کاهش هزینه های اقتصادی و تلفات هدایتی می شود . همچنین به خاطر استرس پائین ، تلفات سوئیچینگ و نویز EMI کاهش می یابد . اما عملکرد این مبدل در شرایط سوئیچینگ سخت می باشد و در نتیجه مشکل تلفات بازیافت معکوس دیودها همچنان وجود دارد.
.2 تشریح عملکرد یک مبدل بوست سه سطحی
عملکرد این مبدل در یک دوره کلید زنی در چهار وضعیت زیر قابل بررسی می باشد.
حالت اول: : 0 < t > t 1 در این حالت سوئیچهای S1 و S2 روشن هستند.در نتیجه هر دو دیود D1 و D2 خاموش هستند.
حالت دوم: : t1 < t >t2 در این حالت سوئیچ S1 روشن و سوئیچ S2 خاموش است.در نتیجه دیود D1 خاموش و D2 روشن است
حالت سوم: : t2 < t >t 3 در این حالت مشابه حالت اول سوئیچهای S1 و S2 روشن بوده در نتیجه هر دو دیود D1 و D2 خاموش هستند
حالت چهارم: : t3 < t > t 4 در این حالت سوئیچ S1 خاموش و سوئیچ S2 روشن است.در نتیجه دیود D1 روشن و D2 خاموش است .
در مبدل بوست سه سطحی تلفات هدایتی با کاهش استرس ولتاژ سوئیچ ها کاهش می یابد ولی تلفات سوئیچینگ در این مبدل زیاد است . همچنین به علت بالا بودن جریان ، تلفات بازیافت معکوس دیود مقدار بالایی دارد که باعث ایجاد تلفات سوئیچینگ می شود.
.3تکنیک هایی برای عملکرد مبدل بوست سه سطحی در حالت سوئیچینگ نرم
تکنیک هایی برای عملکرد این مبدل در حالت سوئیچینگ نرم ارائه شده است . شکل 2 عملکرد این مبدل را در حالت اکتیو ZVT ارائه می کند.(ژانگ و همکاران ، 1995 ؛ یااو و همکاران ، 4( 2006
سوئیچ کمکی (Sc1(2 قبل از سوئیچ اصلی (S1(2روشن می شود . به خاطر وجود رزنانس بین خازن (Cs1(2 و اندوکتانس (Lr1(2 سوئیچ اصلی به صورت ZVS خاموش می شود . در مدار مذکور سوئیچ های کمکی هنگام خاموش شدن به صورت سوئیچینگ سخت کار می کنند و نوسانات ولتاژ ناشی از وجود خازن پارازیتی سوئیچ کمکی و سلف رزنانسی باعث افزایش استرس ولتاژ سوئیچ می شود.
مدار پیشنهادی دیگر برای دستیابی به سوئیچینگ نرم استفاده از روش بدون تلفات پسیو می باشد . در شکل 3 نمونه ای از مبدل بوست سه سطحی پسیو بدون تلفات آورده شده است . ( وو و هه ، .5( 2002
هر سلول سوئیچینگ نرم بدون تلفات پسیو بوسیله مجموعه ای از سلف رزنانسی (Lr1(2 و خازن رزنانسی (Cr1(2 و خازن ذخیره کننده (Cc1(2 و سه دیود D1(2)3 و D1(2)2 وD1(2)1 ساخته شده است.
وجود (Lr1(2 و (Cr1(2 و( Cc1(2 موجب روشن شدن سوئیچ اصلی S1(2) به صورت ZCS و خاموش شدن سوئیچ مذکور به صورت ZVS می شود . همچنین باعث خاموش شدن دیود (Do1(2به صورت ZCS و روشن شدن دیود مذکور به صورت ZVS می شود . در هر مرحله انرژی رزنانسی ابتدا در خازن (Cc1(2 ذخیره شده سپس به بار منتقل می شود . تمام المان های قدرت تحت حالت سوئیچینگ نرم کار می کنند که موجب بهبود بازده مدار می شود . اما وجود المان های پسیو زیاد از معایب این مبدل است . همچنین استرس ولتاژ یا جریان المان های قدرت افزایش یافته است.
.4مبدل جدید در حالت سوئیچینگ نرم
همانگونه که در شکل 4 نشان داده شده است به مبدل بوست سه سطحی یک مدار کمکی برای عملکرد مدار به صورت سوئیچینگ نرم اضافه شده است . این مدار شامل سوئیچ کمکی و خازن رزنانس Cr و سلف رزنانس Lr می باشد . همچنین یک سلف کوپل شده با سلف رزنانس و دو دیود نیز اضافه شده اند که انرژی جذب شده از سلف رزنانس را به خروجی مبدل منتقل می کنند . این مدار کمکی موجب عملکرد سوئیچ های مبدل به صورت ZVS در لحظه روشن شدن و همچنین موجب عملکرد سوئیچ کمکی M3 به صورت ZCS در لحظه روشن شدن و خاموش شدن می شود . این امر تلفات سوئیچ ها را کاهش داده و بازده مبدل را افزایش می دهد و عملکرد سوئیچینگ نرم ایجاد می کند.
.5طریقه عملکرد مدار مبدل بوست سه سطحی با سوئیچینگ نرم
برای عملکرد مبدل پیشنهادی به صورت ZVS بایستی به نحوی کنترل انجام شود که قبل از روشن شدن دو سوئیچ اصلی ، ولتاژ دو سر آن ها به صفر رسیده باشد و به این ترتیب ZVS در لحظه روشن شدن دو سوئیچ اصلی بدست خواهد آمد . همچنین در لحظه خاموش شدن نیز ولتاژ آن دو سوئیچ به صورت نرم افزایش می یابد. سوئیچ مدار کمکی نیز دارای عملکرد ZCS در لحظه خاموش شدن و روشن شدن می باشد . این مبدل در هر نیم سیکل دارای چهار مد کاری می باشد که در ادامه توضیح داده خواهد شد.
حالت اول : (t0˂t˂t1 )
هانگونه که در شکل 5 نشان داده شده است سوئیچ M2 و M1 روشن است . سوئیچ M3 خاموش است . در لحظه t0 ،سوئیچ M1 را خاموش می کنیم . بنابراین ولتاژ دو سر سوئیچ M1 به خاطر خازن اسنابر به آرامی افزایش می یابد.جریان سوئیچ M1 کاهش پیدا می کند و به صفر می رسد.
حالت دوم : (t1˂t˂t2)
مطابق با شکل6 سوئیچ M2 روشن است و سوئیچ M1 خاموش است . خازن C1 از طریق Lin شارژ می شود.در لحظه t1 سوئیچ M3 را روشن می کنیم . سوئیچ M3 به صورت ZCS روشن می شود . ولتاژ دو سر سوئیچ M3 کاهش یافته و به صفر می رسد . با روشن شدن M3 جریان سلف نشتی Lr طی رزنانس با Cr تا سطح جریان Lin افزایش یافته و D1 خاموش می شود.
حالت سوم : (t2˂t˂t3)
طبق شکل 7 بعد از خاموش شدن D1 رزنانس Lr و Cr به همراه Cs ادامه می یابد و Cs تخلیه می شود.
حالت چهارم : (t3˂t˂t4)
مطابق با شکل 8سوئیچ M1 را روشن می کنیم . با توجه به تخلیه خازن Cs این سوئیچ به صورت ZVS روشن می شود . همچنین در ادامه رزنانس Cr از طریق سلف نشتی Lr و سوئیچ های M1 و M2 تخلیه می شود
