طراحی و پیاده‌سازی یک مبدل دابل باک تک سوئیچ تک مرحله‌ای بدون ترانسفورماتور با با ولتاژ پایین لینک DC و ویژگی‌های کاهشی بالا و ضریب توان ثابت برای ورودی

چکیده

عبارات شاخص

مقدمه

مودهای عملکردی مبدل S4 ارائه شده

تعریف ناحیۀ 1 و ناحیۀ 2

مودهای عملکردی در ناحیۀ 1

عملکردی در ناحیۀ 2

مودهای 

تحلیل مدار

مشخصات مستقل خط و بار

مشخصات وابستۀ خط و بار

خلاصه

مثال طراحی و نتایج آزمایشگاهی

 طراحی نمونۀ آزمایشگاهی

نتایج آزمایشگاهی

نتیجه‌گیری

شکل1. مبدل S4 بدون ترانسفورماتور ارائه شده. 

شکل2. دو ناحیۀ کاری مبدل S4 ارائه شده. 

شکل3. شکل‌موج‌های کلیدی مبدل S4 ارائه شده: (الف) درناحیۀ 1 و (ب) در ناحیۀ 2. 

شکل4. مودهای عملکردی مبدل S4 ارائه شده. 

شکل5. مشخصات بار و خط مستقل

شکل6. مشخصات خط و بار وابسته: (الف) ولتاژ لینک dc و (ب) قید DCM. 

جدول 1:تنش ولتاژ و جریان نیمه‌هادی‌های اصلی

جدول2:جدول جستجو برای طراحی سریع

جدول3:مشخصات نمونۀ آزمایشگاهی

شکل7. محاسبۀ پارامتر: (الف) انتخاب دورۀ کاری و (ب) محاسبۀ تنش جریان. 

شکل8. نمونۀ آزمایشگاهی: (الف) انتخاب اجزای اصلی و (ب) تصویری از نمونه. 

شکل9. شکل‌موج‌های آزمایشگاهی با چندین دورۀ کلیدزنی: (الف) و (ج) بار کامل و ورودی ولتاژ 90 ولت 

موثر؛ (ب) بار کامل و ورودی ولتاژ 264 ولت موثر. 

شکل10. شکل‌موج‌های آزمایشگاهی با چندین دورۀ سیکل خط در بار کامل

شکل11. شکل‌موج‌های آزمایشگاهی با یک دورۀ سیکل خط در بار کامل

شکل12. نتایج اندازه‌گیری

این مقاله یک مبدل تک سوئیچ تک مرحله‌ای (S4) بدون ترانسفورماتور را ارائه می‌دهد که یک بخش اصلاح ضریب توان نوع باک را با یک بخش خروجی dc-dc نوع باک به شیوه‌ای خاص ترکیب می‌کند. مبدل ارائه شده مزایای مبدل‌های S4 بدون ترانسفورماتور موجود را حفظ می‌کند، مزایایی چون تنش کم ولتاژ در دو سر خازن لینک dc، تنش کم جریان سوئیچ، و ولتاژ ورودی به خروجی با کاهشی بالا. علاوه بر این، مبدل ارائه شدهد یک ویژگی جالب دیگر هم دارد؛ ضریب توان ورودی آن همواره ثابت است حتی وقتی شرایط خط و بار تغییر کنند. این مشخصات موجب می‌شوند مبدل ارائه شده از لحاظ هزینه مقرون به صرفه بوده، طراحی آن راحت و ساده بوده و برای کاربردهای توان پایین و غیرایزوله مناسب باشد. قانون عملکرد و تحلیل مبدل ارائه شده در این مقاله بیان شده و نمونه طراحی نیز برای نشان دادن اعتبار تحلیل ارائه شده، فراهم می‌شود.

بیشتر کاربردهای صنعتی نه تنها به یک ولتاژ dc برای تغذیۀ بارهای خود نیاز دارند، بلکه به یک ضریب توان (PF) بزرگ برای ورودی نیازمندند تا اعوجاج هارمونیکی در جریان کشیده شده از شبکه کاهش یابد. این الزامات را می‌توان به سادگی با یک مبدل اصلاح ضریب توان (PFC) برآورده کرد [1]-[8]. با این حال، ولتاژ خروجی آن دارای ریپل‌های زیادی در دو برابر فرکانس خط است. این ریپل‌ها وقتی بزرگتر هم می‌شوند که ولتاژ خروجی کمتر و بار سنگین‌تر شود. راهکار دیگر استفاده از یک مبدل PFC به صورت سری با یک مبدل dc-dc است، که به این طریق توان ورودی لحظه‌ای و توان خروجی پایدار را می‌توان توسط یک خازن واسط لینک dc از هم تفکیک کرد [9]-[13]. با وجود این، یک چنین پیکربندی دومرحله‌ای دارای معایبی چون تعداد زیاد اجزا، هزینۀ سنگین، و کنترل پیچیده است. برای مصالحه بین اندازه، هزینه و عملکرد، مبدل‌های تک سوئیچ تک مرحله‌ای (S4) زیادی ارائه شده است. از منظر توپولوژی، مبدل‌های S4 را می‌توان به عنوان یک نسخۀ یکپارچه‌ای از ساختار دومرحله‌ای در نظر گرفت، که در آن سوئیچ‌های موجود در PFC و مبدل dc-dc به صورت یکپارچه و یکی شده‌اند. با استفاده از این روش ترکیبی مزایایی حاصل می‌شود که عبارتند از : 1) بخش‌های PFC و dc-dc یک سوئیچ را بین خود به اشتراک می‌گذارند، لذا اندازه و هزینه کاهش می‌یابد؛ 2) ضریب توان بزرگ ورودی را می‌توان به طور خودکار توسط بخش PFC و با مود هدایت ناپیوسته (DCM) بدست آورد، تنها ولتاژ خروجی را باید تنظیم کرد، لذا کنترل‌کننده می‌تواند ساده باشد؛ و 3) توان ورودی و خروجی همچنان می‌توانند مجزا باشند چون خازن واسط لینک dc هنوز باقی است، بنابراین ریپل‌های ولتاژ در خروجی کاهش می‌یابند. به خاطر این ویژگی‌ها، مبدل‌های S4 به طور خاص برای کاربردهای توان پایین که دارای محدودیت‌های بحرانی در اندازه و هزینه هستند مناسب است. مبدل‌های S4 با عایق گالوانیزه شده در دهه‌های گذشته مورد بررسی قرار گرفته است [14]-[29]. با این حال، در برخی کاربردهای روشنائی، عایق گالوانیزه به دلیل الزامات امنیتی و استانداردها عملیاتی نیست. برای مثال، درایو مربوط به ظهور روشنائی حالت جامد می‌تواند غیرایزوله باشد، چون لامپ‌های التهابی موجود نیز از شبکه ایزوله نیستند [2]، [30]-[32]. در یک چنین موردی، مبدل‌های S4 بدون ترانسفورماتور فشرده‌تر بوده و راهکارها از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه‌تر هستند. متاسفانه، اگر نیاز به یک ولتاژ خروجی کم باشد، یک دورۀ کاری به شدت باریک مورد نیاز است مثل حالت مربوط به مبدل‌هایی که از ترانسفورماتور استفاده نمی‌کنند، به خصوص در شرایط خط بالا (high-line). دورۀ کاری باریک به سختی توسط یک کنترل کنندۀ PWM کم هزینه محقق می‌شود و منجر به راندمان پایین می‌وشد [3]، [33]، [34]. بنابراین، توپولوژی طراحی شده برای چنین مبدل‌های S4 بدون ترانسفورماتور باید نه تها شامل یک ضریب توان خوب برای ورودی و یک ولتاژ خروجی پایدار باشد، بلکه باید دارای ویژگی کاهندگی ولتاژ بالا باشد (یعنی یک ولتاژ خروجی پایین اما یک دورۀ کاری نسبتا بزرگ). اخیرا، چندین مبدل S4 بدون ترانسفورماتور ارائه شده است تا از پس نیازهای فوق‌الذکر برآید. مبدل S4 بوست- بوست یا باک- بوست در [35] ارائه شده است. بخش PFC بوست یک PF خوب را برای ورودی فراهم می‌کند، اما نیازمند یک ولتاژ بزرگ برای لینک dc است، که ویژگی کاهندگی مبدل را تنزل می‌دهد. مبدل‌های S4 با بخش‌های PFC باک- بوست [33]، [34]، [36]، ولتاژ لینک dc را کاهش می دهند و کاهش سطح ولتاژ می‌تواند با یک بخش باک [34]، باک درجه دوم [33] یا باک- بوست [36] محقق شود. با این حال، تک سوئیچ موجود در مبدل‌های فوق‌الذکر باید بتواند از پس جریان‌های هر دو بخش برآید، که منجر به مشکل حرارتی سوئیچ می‌شود. در [37] و [38]، یک مبدل S4 باک/ باک- بوست ارائه شده است تا ولتاژ لینک dc هر چه بیشتر کاهش یافته و ویژگی کاهندگی ارتقاء یابد، و تک سوئیچ دیگر نیاز نیست جریان هر دو بخش را تحمل کند. با این وجود، از آنجا که بخش PFC آن از نوع باک است، این مدار باید به دقت طراحی شود تا اینکه بتوان به یک PF ورودی رضایت‌بخش در حالت تغییر شرایط خط و بار دست یافت. برای غلبه بر معایب مبدل S4 بدون ترانسفورماتور فوق‌الذکر اما حذف مزایای آن، این مقاله یک توپولوژی جدید ارائه می‌کند که یک PFC باک و بخش‌های dc-dc باک را با هم ترکیب می‌کند، شکل1 را ببینید. یک بخش dc-dc باک در این مدار تعبیه شده است (اجزا با آبی تاکید شده‌اند)، جائی که خازن لینک dc، Cb، به عنوان ورودی آن عمل می‌کند؛ از سوی دیگر، اگر S روشن بوده و Da به هدایت خود ادامه دهد (هدایت Da توسط طراحی پارامتر تضمین خواهد شد، که بعدا بحث می‌شود)، گره a و گره b دارای پتانسیل ولتاژ یکسانی خواهند بود، اجزای به رنگ قرمز یک بخش معادل PFC باک را تشکیل می‌دهند که در آن vin به عنوان ورودی بوده، Cb با Co سری بوده و به عنوان خروجی با آن رفتار می‌شود. با یک چنین ترکیبی، مزایای ذیل قابل حصول است: 1) PFC باک معدل منجر به یک تنش ولتاژ کم بر روی خازن لینک dc یعنی Cb می‌شود، از خازن‌های الکترولیتی با مقدار ولتاژ نامی کوچک اما ظرفیت بزرگ می‌توان استفاده کرد؛ 2) تک سوئیچ S تنها باید جریان بخش dc-dc را تحمل کند، لذا تنش جریان کم است؛ 3) ترکیب دو سلول باک منجر به ولتاژ ورودی به خروجی با کاهش زیاد باشد؛ 4) برای معادل بخش PFC باک، سینک معادل آن یعنی Cb و Co، سری با پلاریته‌های معکوس هستند. این ساختار یک ویژگی ضریب توان ثابت را به همراه می‌آورد، که مستقل از شرایط خط و بار است. این ویژگی‌ یکتا موجب تسهیل بسیار زیاد طراحی مدار می‌شود. برای تشریح واضح‌تر مشخصات فوق‌الذکر، مودهای عملکردی مبدل S4 ارائه شده در بخش2 ارائه می‌شوند. سپس، مشخصات مداری در بخش3 تحلیل می‌گردد. بر طبق تحلیل صورت گرفته، یک روند طراحی که به راحتی می‌توان آن را پیگیری کرد، یک مثال طراحی و نتایج آزمایشگاهی در بخش4 داده می‌شود. نتیجه‌گیری‌ها نیز در نهایت در بخش5 ارائه می‌گردد