مبدل رزونانس سری با پل سری شده

Transcript

1 The 8 th Symposium on Advances in Science and Technology (8thSASTech), Mashhad, Ian. 8thSASTech.khi.ac.i مبدل رزونانس سری با پل سری شده مسعود جباری امیر قاسمی - گروه برق دانشگاه آزاد اسالمی واحد نجف آباد - عضو هیئت علمی گروه برق دانشگاه آزاد اسالمی واحد نجف آباد 0amighasemi@gmail.com نام ارائه دهنده مقاله: امیر قاسمی خالصه این مقاله یک توپولوژی جدید برای مبدل رزونانس سری ) SC ( معرفی می کند که مبدل رزونانس سری با پل سری شده (SB-SC-L) نام دارد. مبدل ارائه شده ایزوله و کاهنده می باشد که شرایط ZCS را در لحظات روشن و خاموش شدن برای کلیه المان های فعال فراهم می آورد. در مبدل ارائه شده اینورتر به صورت سری با بار قرار می گیرد و سایز المان های پسیو و ترانسفورمر کوچک است. این مبدل اگرچه نیم پل است اما بهره ولتاژ آن شبیه به مبدل تمام پل تا مقدار واحد قابل دستیابی می باشد. مبدل ارائه شده در هر دو مد DCM و CCM تحت شرایط سوئیچینگ نرم کار می کند. همچنین در مبدل سلف نشتی ترانسفورمر به صورت سری با هر دو سوئیچ قرار داردو بنابراین هیچ اسپایک جریانی در لحظه روشن شدن سوئیچ ها رخ نمی دهد و تلفات در لحظه روشن شدن سوئیچ ها کاهش می یابد. کلمات کلیدی : تبدیل توان رزونانسی سوئیچینگ نرم SC ZCS. مقدمه مبدل های سوئیچینگ به طور گسترده برای تبدیل توان DC-DC استفاده می شوند. تکنیک های سوئیچینگ نرم به منظور افزایش راندمان و چگالی توان مبدل و نیز کاهش تلفات سوئیچینگ و تداخالت الکترومغناطیس ) EMI ( استفاده می شوند. شرایط سوئیچینگ نرم به وسیله سوئیچینگ تحت جریان صفر ) (ZCS و/یا ولتاژ صفر ) Z ( حاصل می شود.[ [-] [ مبدل های رزونانسی خانواده ای از مبدل های سوئیچینگ نرم هستند که در آنها یک شبکه رزونانسی به طور مستقیم به عنوان واسط انتقال انرژی استفاده می شود و رگوالسیون معموال به وسیله کنترل کردن فرکانس سوئیچینگ بدست آورده می شود [[-]3[. در این مبدل ها اندازه المان های پسیو و ترانسفورمر ایزوله کننده بیشتر کاهش یافته اند. به طور قابل توجه تر اثرات مضر المان های پارازیتی ( به خصوص سلف نشتی ترانسفورمر ) به طور زیادتر کاهش داده شده اند و بنابراین چگالی توان و پاسخ گذرا افزایش یافته اند. یک تانک LC سری فرکانس باال ساده ترین شبکه ای است که همراه با یک اینورتر استفاده شده است تا مبدل رزونانس سری ) SC ( را ایجاد کند. بر پایه توپولوژی اینورتر مبدل می تواند نیم پل ) HB- ( یا تمام پل ) FB- ( باشد. توپولوژی HB-SC در شکل )( نشان داده شده است. اگر فرکانس سوئیچینگ کمتر از نصف فرکانس رزونانس باشد مبدل در مد هدایت ناپیوسته ) DCM ( قرار می گیرد و عملکرد ZCS بدست آورده می شود. با افزایش فرکانس سوئیچینگ به بیشتر از نصف D Q d L C n C + V Q d D شکل) (-توپولوژی HB-SC

2 The 8 th Symposium on Advances in Science and Technology (8thSASTech), Mashhad, Ian. 8thSASTech.khi.ac.i فرکانس رزونانس مبدل به مد هدایت پیوسته (CCM) می رود. در CCM عملکرد ZCS از دست رفته است ولی مبدلSC با مقداری تغییر شکل جزیی می تواند تحت شرایط Z کار کند[ [-]3 [.در مبدل SC سلف نشتی ترانسفور مر توسط سلف رزونانس L جذب می گردد. این ویژگی سبب شده این مبدل ها برای کاربرد های توان باال بسیار مناسب باشند. همچنین باالنس ولت-ثانیه ترانسفورمر به طور اتوماتیک در مبدل SC حفظ می گردد [[-]3[. به دلیل مزایای ذکر شده همواره تحقیقات زیادی برای ارتقا دادن مشخصات این مبدل انجام شده است. در مقاله [9[ از یک برد مدار چاپی (PCB) فاقد هسته چند الیه برای باال بردن چگالی توان مبدل SC استفاده شده است. در مقاله [[ مبدل SC سه سطحی که شامل دو مبدل HB-LLC-SC است و سلف رزونانس و ترانسفورمر بین آن دو مشترک می باشد برای دستیابی به رنج ولتاژ وسیع پیشنهاد شده است. در مقاله [[ یک مبدل LLC-SC برای دستیابی به بهره ولتاژ باال ارائه شده است. در مقاله [ [برای راه اندازی مگنترون از مبدل SC در مد عملکرد DCM استفاده شده است. ساختارهای چند پورت جدید برای مبدلSC در مقاله های [[ و [[ ارائه شده است. برای کاربردهای توان باال مبدل دو پل SC در مقاله [[ به کار برده شده است و در مقاله [[ یک روش برای بهینه سازی راندمان مبدل تمام پل LLC SC ارائه شده است. هر چند در بسیاری از روش های ذکر شده به دلیل افزایش تانک رزونانسی عملکرد مدار بسیار پیچیده می گردد و کنترل و بهینه سازی آن مشکل می شود [[-][ [9[-][. همچنین در شرایط Z تلفات روشن شدن مدار بهبود می یابد اما نسبت به سوئیچینگ تحت شرایط ZCS محدودیت هایی به خصوص در بارهای سبک دارد[ 9 [ [[ ][-]9[. عالوه بر این رنج وسیع تغییرات فرکانس سوئیچینگ در Zقابلیت بهینه سازی مبدل را کاهش می دهد. مبدل در شرایط ZCS با سوئینگ کمتر فرکانس سوئیچینگ قابل تنظیم می باشد و دیود های یکسوساز خروجی در شرایط ZCS کار می کنند و پدیده بازیابی معکوس از بین می رود. اما بهره ولتاژ نرمالیزه شده ZCSبرای مبدل HB-SC به FB-SC به محدود می شود که این مورد یک عیب برای کاربردهای ولتاژ باال می باشد. خازن پارازیتی خروجی سوئیچ ها (C SS) و برای مبدل باعث ایجاد اسپایک جریان در لحظه روشن شدن سوئیچ ها می گردد و تلفات سوئیچینگ در لحظه روشن شدن سوئیچ ها باال می رود. همچنین پدیده بازیابی معکوس دیود های موازی-معکوس سوئیچ ها این مسئله را تشدید می کند [[. در این مقاله یک اشتقاق جدید برای مبدل SC ارائه شده است که در آن به طوری که در شکل )( نشان داده شده است پل سری با بار قرار داده شده است ( سمت اولیه ترانسفورمر (. توپولوژی پیشنهادی مبدل رزونانس سری با پل سری شده SB-SC) ( دو آرایش به صورت SB- SC-L و SB-SC-G دارد.به غیر از تفاوت های جزئی هر دو توپولوژی عملکرد یکسانی دارند. اگرچه SB-SC دو سوئیچ دارد اما شبیه به FB-SC چهار سوئیچ بهره ولتاژی به میزان ( برای ترانسفورمر ) : می دهد. بعالوه سلف نشتی ترانسفورمر که حاال سری با پل قرار داده شده d Q Q Q L C Q n D D C + V L C n D D C + V آ. SB-SC-G ب. SB-SC-L شکل) (- توپولوژی های مبدل پیشنهادی است از ایجاد اسپایک جریان در لحظات روشن شدن سوئیچ ها جلوگیری می کند. مبدل در هر دو شرایط DCM و CCMدر ZCS عمل می کند. تحلیل تئوری SB-SC-Lدر حالت DCM در این مقاله ارائه شده است. به علت سلف های نشتی و مغناطیس کنندگی ترانسفورمر در واقع مرتبه شبکه رزونانسی افزایش داده شده است. برای آماده کردن روابط ساده از اثر سلف مغناطیس کنندگی صرف نظر شده است.

3 وC The 8 th Symposium on Advances in Science and Technology (8thSASTech), Mashhad, Ian. 8thSASTech.khi.ac.i. عملکرد و مشخصات SB-SC-L SB-SC-Lدر شکل (.ب ) نشان داده شده است و مدار معادل آن در شکل ( 3 ) ارائه شده است که در آن مدل ترانسفورمر به کار برده شده است. Lسلف SS نشتی ترانسفورمر و Lسلف m مغناطیس کنندگی آن را نشان می دهد. برای سادگی فرض شده است که مبدل در حالت پایدار دائمی است همه المان های مدار ایده آل هستند و خازن خروجیC آن قدر بزرگ است که ولتاژ خروجی را می توان در یک سیکل سوئیچینگ ثابت فرض کرد. iq d iq Q L m به اندازه کافی بزرگ فرض شده است و بنابراین از اثر آن می توان صرف نظر کرد. کمیت های زیر برای مبدل تعریف می شوند. n نسبت تبدیل ترانسفورمر می باشد. Q i L + v C + V m Lm nv _ im L C, f () T Z L C () n Z (3) L ss L () A V V, B n A S شکل ( 3 -) مدار معادل SB-SC-L ().3 عملکرد DCM مدار معادل مد های عملکرد مبدل SB-SC-L کند. به همراه شکل موج های کلیدی در حالت پایدار دائمی در شکل )( آورده شده است. فرض کنید پیش از آغاز مد اول جریان رزونانس iصفر و ولتاژ رزونانس برابر -nv o است و همه کلیدها خاموش هستند. مدار در چهار مد به صورت زیر کار می مد ( t) t- : در لحظه t کلید Qروشن می شود. با توجه به قرارگیری سلف رزونانس Lدر حلقه جریان روشن شدن Qتحت جریان صفر (ZCS) انجام می گیرد و Dتحت جریان صفر (ZCS) بایاس مستقیم می شود. یک رزونانس بین L +L SS اتفاق می افتد. یک بخش از انرژی خازن رزونانس را شارژ می کند و بخش باقی مانده به خروجی تحویل داده می شود. در tجریان رزونانس بi ه صفر و هبV v V S می رسد. t V nv V nv cos t t S S ()

4 The 8 th Symposium on Advances in Science and Technology (8thSASTech), Mashhad, Ian. 8thSASTech.khi.ac.i Q d Q L C i Tm TS /Z(+B)/ Dead Lm nv Time Mode ) t to t /Z(-B)/ B/Z v d nv L C nv Lm nv iq /Z(+B)/ Mode ) t to t3 iq B/Z id /Z(-B)/ L C vm + nv Lm nv im (scaled) nv Mode 3) t3 to t4 t t t t3 t4 t5 شکل )4(- شکل موج های کلیدی مبدل SB-SC-L به همراه مدار معادل مد های عملکردی در حالت DCM i V nv S t sin t t Z () t t () Q در ZCS روشن می مد (3 t) t- : در لحظه t با رسیدن i به صفر کلید Qدر ZCS خاموش می شود. سپس d دیود موازی-معکوس کلید شود. همچنین D در ZCSبایاس مستقیم می شود. در لحظه tجریان 3 رزونانس i به صفر می رسد و بنابراین dدر ZCS خاموش می شود.

5 The 8 th Symposium on Advances in Science and Technology (8thSASTech), Mashhad, Ian. 8thSASTech.khi.ac.i v i t V nv V nv cos t t S S V nv S t sin t t Z (9) () t t 3 () t v 3 nv () مد (4 3 t) t-3 : در زمان t 3 کلید Q تحت جریان صفر (ZCS) روشن می شود و پالریته ولتاژخازن Cاز طریق رزونانس با Lمعکوس می شود. در v i t nv cos t t t sin t t 3 لحظه iبه t 4 صفر می رسد ودر نتیجه Qتحت جریان صفر (ZCS) خاموش می شود. nv 3 () Z t 4 t 3 () مد (5 t) t-4 : در این مد همه کلید ها و دیود ها خاموش اند و بار از طریق خازن خروجی تغذیه می شود. رگوالسیون ولتاژ خروجی با تنظیم مدت زمان (3) این مد حاصل می گردد )کنترل زمان مرده(. مطابق با شکل موج های شکل )( در مد ( t) t- ولتاژ nv +دو o سر Lقرار m می گیرد ودر مد (3 t) t- ولتاژ nv -دو o سر Lقرار m می گیرد و مدت زمان هر دو مد نیز یکسان اند. بنابراین باالنس ولت-ثانیه سلف مغناطیس کنندگی ترانسفورمر حفظ می شود. در حالت دائمی بهره ولتاژ را می توان از طریق برقراری باالنس انرژی در یک پریود سوئیچینگ بدست آورد. با تعریف in وε εبه out ترتیب به عنوان انرژی ورودی در طول یک سیکل سوئیچینگ و انرژی خروجی در طول یک سیکل سوئیچینگ می توان نوشت: in out t3 t V. i S T s v t dt 4nCV V Ts dt () با تعریف پارامتر S به صورت رابطه )( بهره ولتاژ نرمالیزه شده مبدل B به صورت رابطه )( بدست آورده شده است: s ( n ) C f s f f s () B S () in out مطابق با رابطه )( B نمی تواند از واحد بیشتر شود زیرا اگر nv o بزرگتر از V S شود (<B) دیود d نمی تواند روشن گردد بنابراین انتقال توان تا زمانی که B کمتر از واحد شود متوقف می گردد. به عبارت دیگر اگر B نباشد توان به بار انتقال نمی یابد. در غیاب مد )زمان مرده( حداکثر توان به بار انتقال می یابد که در این حالت فرکانس سوئیچینگ بیشینه است. این حالت شرط تحویل توان بیشینه نام گذاری می شود از این پس زیر نویس m کمیت های مربوط به این حالت را مشخص می کند. فاصله زمانی از tتا t 4 به صورت T m - تعریف می شود. با استفاده از روابط و T m T/ =0.5+λ بدست می آید. با جایگذاری f S=f Smax=T m در رابطه رابطه 9 بدست آورده می شود.از این رابطه ماکزیمم بهره ولتاژ نرمالیزه شده قابل دسترس Bدر m DCM بدست می آید.

6 وQ The 8 th Symposium on Advances in Science and Technology (8thSASTech), Mashhad, Ian. 8thSASTech.khi.ac.i B m (9) 4. نتایج شبیه سازی وω نتایج شبیه سازی مبدل SB-SC-L در نرم افزار PSpice با توان وات برای 56±0%=S V ولتاژ خروجی.=λ V o=48v B = na with 0% ove design B= 0.9 B= S S= 0.45 n=.95 n S f Z = 69.7 with 0% ove design Z = 69.7/. = 58. Z s f S=50KHz در این بخش ارائه شده است. C = 7.39 nf, L = 9.47 μh, L SS = μh Qدر شکل) ( نشان داده شده است.همچنین جریان رزونانس و ولتاژ رزونانس در شکل) ( نشان داده شده اند. =π 00KHz با توجه به رابطه و اینکه C =/ω Z خواهیم داشت: با به کار بردن روابط و عملکرد سوئیچینگ نرم خواهیم داشت: در شکل )( ولتاژ خروجی و در شکل )( ریپل ولتاژ خروجی قابل مشاهده است. شکل) 6 (-جریان رزونانس و ولتاژ رزونانس شکل) 5 (-عملکرد سوئیچینگ نرم Q و Q شکل) 8 (- ریپل ولتاژ خروجی شکل) 7 (- ولتاژ خروجی

7 The 8 th Symposium on Advances in Science and Technology (8thSASTech), Mashhad, Ian. 8thSASTech.khi.ac.i. نتیجه گیری در این مقاله یک توپولوژی جدید از مبدل SC ارائه شده است. مبدل ارائه شده دو ساختار متفاوت دارد که SB-SC-L و SB-SC-G نامیده می شوند. در این مبدل اندازه المان های پسیو و ترانسفورمر کوچک است و همه ادوات نیمه هادی تحت شرایط سوئیچینگ نرم کار می کنند. مزایای این مبدل نسبت به مبدل رزونانس سری متعارف عبارتند از : استرس جریان کمتر حذف تلفات روشن شدن شرایط سوئیچینگ نرم کامل در هر دو مد عملکردی DCM و. CCM همچنین این مبدل اگرچه دو سوئیچ دارد شبیه به مبدل FB-SC که چهار سوئیچ دارد بهره ولتاژ آن تا مقدار یک قابل دستیابی است. تحلیل کیفی روابط مهم شکل موج های کلیدی و روند طراحی مبدل در حالت DCM در این مقاله ارائه شده اند.. مراجع [] Mao, H., Abdel ahman,., andbataseh, I. : Zeo-Voltage-Switching DC DC Convetes With Synchonous ectifies, IEEE Tans. Powe Electon., 008, 3, (), pp [] Sosa, J. L., Castilla, M.,Miet, J.,de Vicuña, L.G., andmatas, J.: Modeling and Pefomance Analysis of the DC/DCSeies Paallel esonant Convete peatingwith Discete Self-Sustained Phase-Shift Modulation Technique, IEEE Tans. Ind. Electon., 009, 56,(3),pp [3] Jabbai, M.: Unified Analysis of Switched-esonato Convetes, IEEE Tans. Powe Electon., 0, 6, (5), pp [4] Jabbai, M., andfazanehfad, H.: Family of soft-switching esonant DC-DC Convetes, IET powe Electon., 009,, (), pp.3 4 [5] Jabbai, M., andfazanehfad, H.: New esonant Setp-Down/Up Convetes, IEEE Tans. Powe Electon., 00, 5, (), pp [6] Jabbai,M.: esonant Inveting-buck Convete, IET powe Electon., 00, 3, (4), pp [7] Jabbai, M.,Fazanehfad, H., and Shahgholian,Gh.: Isolated Topologies of Switched-esonato Convetes, Jounal of Powe Electon., 00, 0, (), pp. 7 [8] Foste, M.P., Gould, C., Gilbet, A.J., Stone, D.A., and Bingham, C.: Analysis of CLL voltage-output esonant convetes using descibing functions, IEEE Tans. Powe Electon., 008, 3, (4), pp [9] Kotte, H.B.,Ambatipudi,., andbetilsson, K.: High-Speed (MHz) Seies esonant Convete (SC)Using Multilayeed Coeless Pinted Cicuit Boad (PCB) Step-Down Powe Tansfome, IEEE Tans. Powe Electon., 03, 8, (3), pp [0] Lee, Il-., andmoon, G-W.: Analysis and Design of a Thee-Level LLC Seies esonant Convete fo High- and Wide-Input-Voltage Applications, IEEE Tans. Powe Electon., 0, 7, (6), pp [] Yi, K.H., and Moon, G.W.: Novel two-phase inteleaved LLC seies esonant convete using a phase of the esonant capacito, IEEE Tans. Ind. Electon., 009, 56, (5), pp [] Lin, B.-., Hung, C.-W., andchiang,y.-j.: Analysis of two esonant convetes with the same convete leg, IET Powe Electon., 0, 4,(5), pp [3] Steigewald,. L.: A compaison of half-bidge esonant convete topologies, IEEETans. Powe Electon., 988, 3, (), pp [4] Jang, S-.,yoo, H-J.,Ahn, S-H.,Kim, J., and im,g. H.: Development and ptimization of High- Voltage Powe Supply System fo Industial Magneton, IEEE Tans. Powe Electon., 0, 59, (3), pp [5] Kishnaswami, H., andmohan,n.: Thee-Pot Seies-esonant DC DC Convete to Inteface enewable Enegy Souces With Bidiectional Load and Enegy Stoage Pots, IEEE Tans. Powe Electon., 009,4, (0), pp

8 The 8 th Symposium on Advances in Science and Technology (8thSASTech), Mashhad, Ian. 8thSASTech.khi.ac.i [6]tiz,G.,Biela, J., Botis, D., and Kola,J. W.: Megawatt, 0 khz, isolated, bidiectional kv to. kv DC DC convete fo enewable enegy applications, Poc. Int.Conf. Powe Electon,Sappoo, 00, pp [7]Hang, L., Li, B.,Liu, S., Gu, Y.,Yao, W., andlu, Z.: Asymmetical seconday stuctue of LLC seies esonant DC/DC convete fo multi-output applications, IET Powe Electon., 0, 4, (9), pp [8]Yu,.,Yuan Ho, G. K., Hay Pong, B. M., Wing-Kuen Ling,B., and Lam, J.: Compute-Aided Design and ptimization of High-Efficiency LLC Seies esonant Convete, IEEE Tans. Powe Electon., 0, 7, (7), pp [9]Lin, B-., and Wu,S-F.: Z esonant Convete With Seies-Connected Tansfomes, IEEE Tans. Ind. Electon., 0, 58, (8), pp [0]Sosa,J. L.,Castilla,M.,Miet, J., de Vicuña,L.G., andmoeno, L. S.: Sliding-Mode Input utput Lineaization Contolle fo the DC/DC Z CLL-T esonant Convete, IEEE Tans. Powe Electon., 0, 59, (3), pp [] Tschihat,D. J., andjain, P. K.: Design Pocedue fo High-Fequency peation of the Modified Seies-esonant APWM Convete to educe Size and Ciculating Cuent, IEEE Tans. Powe Electon., 0, 7, (0), pp [] Ivensky,G.,Zeltse, I.,Kats, A., and Ben-Yaakov, S.: educing IGBT losses in ZCS seies esonant convetes, IEEE Tans. Ind. Electon.,999, 46, (),pp