مبدل نوین DC-DC افزاینده برای سیستم تبدیل انرژی پیل سوختی

چکیده

کلمات کلیدی

مقدمه

شکل1. سیستم تولید توان کلی پیل سوختی با یک مبدل افزایندۀ بالا.

قانون عملکردی مبدل ارائه شده

شکل2. پیکربندی مداری مبدل ارائه شده. 

 مود هدایت پیوسته (CCM)

شکل3. برخی شکل‌موج‌های مرسوم تحت عملکرد مود هدایت پیوسته در یک دورۀ کلیدزنی. 

شکل4. مسیر عبور جریان مودهای عملکردی برای عملکرد مود هدایت پیوسته. (الف) مود 1. (ب) مود 2. (ج) مود 3. (د) مود 4. (ه) مود 5. (و) مود 6. (ز) مود 7. (ح) مود 8. 

شکل5. بهرۀ ولتاژ در برابر نسبت کاری تحت نسبت کارهای مختلف و ضرایب تزویج سلف تزویجی. 

شکل6. بهرۀ ولتاژ در برابر نسبت کاری مبدل ارائه شده و نقطۀ مقابل. 

شکل7. (الف) مدار معادل مبدل ارائه شده مود هدایت ناپیوسته. (ب) برخی شکل‌موج های مرسوم تحت عملکرد مود هدایت ناپیوسته در یک دورۀ کلیدزنی. 

شکل8. مسیر عبور جریان مودهای عملکردی برای عملکرد مود هدایت ناپیوسته. (الف) مود 1. (ب) مود 2. (ج) مود 3. 

شکل9. ثابت زمانی نرمال شدۀ مرزی سلف در برابر نسبت کاری (با فرض اینکه n2 = n3 = 2.7).

طراحی و آزمایش مبدل ارائه شده

شکل10. تنش‌های ولتاژ هر تجهیز توان در برابر نسبت کاری تحت نسبت دورهای ثابت سلف تزویج، n2=n3=2.7 . 

شکل11. نتایج آزمایشگاهی مبدل ارائه شده تحت بار کامل PO = 750 W و Vin = 28.9 V .

شکل12. نتایج آزمایشگاهی مبدل ارائه شده تحت بار سبک PO = 115 W و Vin = 36.7 V. 

شکل13. نتایج آزمایشگاهی مبدل ارائه شده تحت شرایط مود هدایت ناپیوسته D=0.56، PO = 250 W و Vin=33.5 V. 

نتیجه‌گیری

شکل14. راندمان تبدیل آزمایشگاهی و ولتاژ پیل سوختی برای PEMFC تحت توان‌های خروجی مختلف. 

در این مقاله یک مبدل نوین dc-dc افزاینده برای سیستم تبدیل انرژی پیل سوختی ارائه می‌شود. مبدل ارائه شده از یک سلف تزویج شدۀ چندسیم‌پیچه و یک دوبلر (دوبرابر کنندۀ) ولتاژ استفاده می‌کند تا به یک بهرۀ ولتاژ خیلی بالا دست یابد. ولتاژ سوئیچ فعال کلمپ می‌شود و انرژی ذخیره شده در سلف پراکندگی بازیابی می‌گردد. بنابراین، تنش ولتاژ روی سوئیچ فعال کاهش یافته و راندمان تبدیل بهبود می‌یابد. در نهایت، یک مبدل نمونه آزمایشگاهی 750 وات با یک منبع تغذیۀ پیل سوختی غشائی با تبادل پروتونی تغذیه شده و ولتاژ 400 ولت خروجی عملی می‌شود. نتایج آزمایشگاهی موید عملکردهایی چون بهرۀ بالای ولتاژ، راندمان بالای مبدل و غلبۀ موثر بر تنش ولتاژ تجهیزات توان است. مبدل افزایندۀ ارائه شده را می‌توان برای کاربردهای ولتاژ ورودی کم و مبدل توان پیل سوختی به کار برد

توسعۀ تولید انرژی سبز اخیرا بسیار اهمیت یافته است تا به این ترتیب به آلودگی زیست‌ محیط و مسالۀ اتمان ذخایر انرژی فسیلی راهکارهایی اندیشیده شود. پیل‌های سوختی یکی از انواع منابع انرژی تجدیدپذیر موثر و بسیار کارآمد برای بسیاری از کاربردها هستند، کاربردهایی چون خودروهای برقی هیبریدی، منابع تغذیۀ بدون وقفه (UPS)، تاسیسات پشتیبانی تلکام و ادوات الکترونیکی قابل حمل [1]-[4]. پیل‌های سوختی الکتریسیته را از طریق واکنش‌های شیمیایی بین هیدروژن و اکسیژن تولید می‌کنند. در رابطه با پیل‌های سوختی و انباره‌های پیل سوختی تحقیقات زیادی را می‌توان در نوشته‌های فنی یافت [5]، [6]. پیل سوختی با غشای با تبادل پروتونی (PEMFC) یکی از رایج‌ترین پیل‌های سوختی برای سیستم‌های تولید توان پایین تا متوسط است. این پیل انرژی هیدروژن و اکسیژن را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و آب و حرارت را در سطح ذرات کاتالیزگر تولید می‌کند. واکنش‌های روی آند و کاتد و واکنش کلی PEMFC را می‌توان به صورت ذیل توصیف کرد، واکنش آند واکنش کاتد و واکنش کلی شکل1 نشان دهندۀ سیستم کلی تولید توان پیل سوختی است. به طور کلی، ولتاژ خروجی انباره‌های پیل سوختی یعنی VFC بسته به توان خروجی بین 24 تا 40 ولت متغیر است. به منظور بهره‌برداری به صورت منبع ac (220 ولت موثر در فرکانس 50 یا 60 هرتز) از یک پیل سوختی، نیاز به یک ولتاژ باس بالا (380 تا 400 ولت) در ورودی اینورتر dc-ac است. بنابراین، برای تقویت ولتاژ پایین در انباره‌های پیل سوختی به ولتاژ بالا در باس dc، نیاز به یک مبدل dc-dc افزاینده است. شکل1. سیستم تولید توان کلی پیل سوختی با یک مبدل افزایندۀ بالا. در کل، مبدل بوست مرسوم را می‌توان به منظور تامین بهرۀ ولتاژ افزایندۀ بالا با یک نسبت کار بزرگ به کار گرفت. با این حال، به دلیل قیود تلفات سوئیچ‌ها و دیودهای قدرتف مقاومت سری معادل سلف‌ها خازن‌ها و مشکل بازیابی معکوس دیود‌ها، راندمان تبدیل و بهرۀ ولتاژ افزاینده محدود است [7]، [8]. بنابراین، برای یک سیستم تولید توان پیل سوختی، یک مبدل افزاینده با نسبت کاری معقول برای دستیابی به راندمان بالا و ولتاژ بالا بسیار حائز اهمیت است. مبدل‌های ایزوله، مثل انواع پیشرو، چرخ طیار (فلای بک)، نیم پل، تمام پل و پوش پول، را می‌توان برای تبدیل یک ولتاژ پایین به یک ولتاژ خروجی بالاتر از طریق تنظیم نسبت دور ترانسفورماتور به کار برد. با وجود این، سوئیچ فعال این مبدل‌ها از تنش فوق العاده زیاد ولتاژ و اتلاف زیاد توان در اثر سلف پراکندگی ترانسفورماتور، رنج خواهد بود [9]، [10]. برای کاهش خیز ولتاژ، از یک اسنوبر مقاومتی-خازنی-دیودی می‌توان برای محدود کردن تنش ولتاژ روی سوئیچ فعال بهره برد. با این حال، راندمان کاهش خواهد یافت [11]. اسنوبرهای بدون اتلاف و تکنیک‌های کلمپ فعال به منظور بازگردانی انرژی ذخیره شده در سلف پراکندگی و غلبه بر خیز ولتاژ دو سر سوئیچ فعال، به کار گرفته شده‌اند [12]-[15]. با این حال، به دلیل سوئیچ اضافی توان هزینه افزایش یافته و نیاز به درایور سمت بالا (high side) است. به منظور بهبود راندمان تبدیل و افزایش بهرۀ ولتاژ افزاینده بدون استفاده از ترانسفورماتور ایزوله، مبدل‌های افزایندۀ زیادی بر اساس یک مبدل بوست دارای یک سلف تزویجی ارائه شده است [16]-[28]. مبدل‌های افزایندۀ بالا با یک ریپل جریان ورودی کم مبتنی بر سلف تزویجی توسعه یافته‌اند [16]، [17]. ریپل جریان ورودی کم این مبدل‌ها با استفاده از یک مدار LC اضافی با یک سلف تزویجی محقق می‌شود. با این حال، مسائل سلف پراکندگی که به خیز ولتاژ و راندمان مربوط می‌شود قابل توجه است. یک مبدل یکپارچۀ بوست- فلای‌بک مبتنی بر یک سلف تزویجی با راندمان بالا و بهرۀ ولتاژ افزایندۀ بالا گزارش شده است [18]، [19]. انرژی ذخیره شده در سلف پراکندگی در طی دورۀ سوئیچ خاموش به خروجی بازگردانی می‌شود. بنابراین، راندمان را می‌‌توان افزایش داد، و نیز می‌توان بر تنش ولتاژ روی سوئیچ فعال غلبه کرد. بیشتر مبدل‌های افزاینده، که از پشته‌سازی ولتاژ خروجی برای افزایش بهرۀ ولتاژ استفاده می‌کنند، در [20]-[23] و [31] ارائه شده‌اند. یک مبدل dc-dc افزایندۀ بالا با یک سلف تزویجی یکپارچه و یک فیلتر کاهش تداخل الکترومغناطیسی مود مشترک در [20] ارائه شده است. یک مبدل sepic-flyback با یک سلف تزویجی و یک پشته‌سازی ولتاژ خروجی در [21] توسعه یافته است. یک مبدل افزایندۀ بالا، که از سلف تزویجی و یک تکنیک دو برابر کنندگی ولاژ روی پشته‌سازی ولتاژ خروجی برای دستیابی به بهرۀ ولتاژ افزایندۀ بالا بهره می‌برد، در [22] معرفی شده است. یک مبدل بوست افزایندۀ بالا که از چندین سلف تزویجی برای پشته‌سازی ولتاژ خروجی بهره می‌برد در [23] ارائه شده است. بهرۀ ولتاژ بالا را می‌توان با یک سیم‌پیچی ثانویۀ ترانسفورماتور و ولتاژ ورودی- خروجی سری شده برای مبدل‌های گسترش یافتۀ نوع پیشرو مبدل‌های افزایندۀ بالا بدست آورد [31]. با این حال، تجهیزات اضافی، مثل دیودها و خازن‌های خروجی، برای این مبدل‌ها موردنیاز هستند. همچنین،‌ مبدل‌های افزاینده، که از یک لیفت ولتاژ استفاده می‌کنند، در [24]، [25] معرفی شده‌‌اند. چون سوئیچ در طی دورۀ روشن بودن آن جریان زیادی را متحمل می‌شود، این تکنیک برای کاربردهای توان خروجی پایین مناسب است. مبدل‌های افزایندۀ بالا با تنش ولتاژ کم روی سوئیچ فعال را می‌توان با استفاده از سلف یکپارچۀ تزویجی و تکنیک لیفت ولتاژ محقق ساخت [26]-[28]. از آنجا که مقدار ولتاژ نامی پایین و مقاومت هدایتی کم rds(on) سوئیچ توان برای این مبدل‌ها به کار می‌روند، راندکان تبدیل بالایی حاصل می‌شود. با این حال، نیاز به یک سلف تزویجی با یک راندمان تزویج بالا منجر به دشوای ساخت و افزایش هزینه خواهد شد. یک مبدل افزایندۀ بالا، که از سلول کلیدزنی سه حالته و یک مرحله ضرب‌کنندۀ ولتاژ مبتنی بر خازن‌ها بهره می‌برد، می‌تواند بهرۀ افزایندگی بالایی باشد [29]، [30]. بهرۀ ولاتژ را می‌توان با افزدون مراحل ضرب کنندۀ ولتاژ خازن‌ها افزایش داد. از آنجا که دو سوئیچ دارای عملکرد جاگذاری شده هستند، اندازۀ سلف را می‌توان کاهش داد چون فرکانس عملکرد سلف دو برابر فرکانس سوئیچنگ است. علاوه بر این، تلفات هدایتی را می‌توان به دلیل تقسیم جریان سوئیچ‌های فعال کاهش داد. لذا، این مبدل به طور مناسب برای کاربردهای توان بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این وجود، برای عملکرد جاگذاری شدۀ این مبدل بوست بهرۀ ولتاژ بالا نیاز به دو سوئیچ است. این مقاله یک مبدل dc-dc نوین افزایندۀ بالا با راندمان بالا معرفی می‌کند که تنها یک سوئیچ فعال دارد. مبدل ارائه شده یک سلف تزویجی سه سیم‌پیچه و یک دوبرابرکنندۀ ولتاژ در خروجی استفاده می‌کند تا یک ولتاژ dc بزرگ حاصل شود. مبدل ارائه شده دارای ویژگی‌های ذیل است: 1) بهرۀ ولتاژ افزایندۀ بالا؛ 2) انرژی ذخیره شده در سلف پراکندگی بازگردانی می‌شود تا راندمان افزایش یابد؛ 3) تنش ولتاژ روی سوئیچ فعال کلمپ می‌شود؛ لذا، می‌توان از یک سوئیچ توان با ولتاژ نامی پایی و یک مقاومت کوچک rds(on) استفاده کرد.