طراحي، بهبود و پياده سازي مبدل بسياركاهنده غيرايزوله با تعداد اجزاء مداري كم و بازده بالا

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

برق

دكتري

امروزه با پيشرفت تكنولوژي، نياز به مبدل‌هاي بسيار كاهنده در زمينه‌هايي چون شارژرهاي باتري، جوش الكتريكي، مبدل‌هاي اصلاح ضريب توان، ماژول‌هاي تنظيم ولتاژ، سيستم‌هاي مخابراتي، خودروهاي برقي و منابع تغذيه بدون وقفه به‌شدت احساس مي‌شود. ساختار پايۀ مبدل‌هاي كاهنده، مبدل‌ باك مرسوم است كه به دليل دارا بودن ساختار و عملكرد ساده، براي ايجاد ولتاژي كمتر از ولتاژ ورودي، در اغلب زمينه‌ها بسيار مورد توجه قرارگرفته‌است. در مواردي كه به بهرۀ ولتاژ بسيار كمتري نياز است، مبدل باك پايه به عنوان مبدل ولتاژ بسيار كاهنده داراي محدوديت‌هايي از جمله ضريب وظيفة باريك، تنش ولتاژ بالاي قطعات نيمه‌هادي، نوسان زياد جريان و بازده كم ‌است. ضريب وظيفۀ كوچك، تأثيرات منفي بر روي بازده و عملكرد ديناميكي مبدل باك دارد و سبب افزايش حساسيت ولتاژ خروجي به تغييرات ضريب وظيفه و در نتيجه پيچيده شدن كنترل و مدار راه انداز گيت مي‌شود. مشكل ديگر ضريب وظيفة كوچك اين است كه سبب بزرگ شدن جريان مؤثر كليد اصلي شده و درنتيجه، به خصوص زماني‌كه ولتاژ ورودي و تنش ولتاژ كليد بالاست، سبب افزايش تلفات هدايتي مي‌گردد. ساختار مبدل‌هاي بسياركاهنده را مي‌توان به دو دستة مبدل‌هاي ايزوله و غيرايزوله تقسيم نمود. مبدل‌هاي بسيار كاهندۀ غيرايزوله را مي‌توان به چند دسته از قبيل مبدل‌هاي آبشاري، درجه دو، با سلف سروسط، خازن كليدزني‌شده، سلف كليدزني‌شده، سلف تزويج‌شده، چند سطحي و مبدل باك با واحد‌هاي كليدزني سه وضعيتي، تقسيم نمود. در اين رساله، در مورد مزايا و معايب هر يك از روش‌هاي كاهش بهرة ذكرشده، بصورت مفصل بحث شده‌است. پس از بررسي روش‌هاي كاهش بهره و با توجه به مزايا و معايب هر يك، هدف آن است كه ساختاري بسيار كاهنده، غيرايزوله با تعداد كم اجزاء در مقايسه با مبدل‌هاي موجود، با تلفات كم، چگالي توان بزرگ، پيچيدگي كم مداري و كنترلي ارائه شود. بنابر اهداف ذكرشده، در ابتدا، ساختار مبدل بسياركاهنده با كليدزني نرم و مبتني بر سلف تزويج‌شده ارائه شده است كه در ساختار خود تنها از يك كليد با شرايط كليدزني نرم تحت جريان صفر در زمان روشن شدن و تحت ولتاژ صفر در زمان خاموش شدن و يك يكسوساز سنكرون خودراه‌انداز با كليدزني نرم تحت ولتاژ صفر، بهره برده‌است. اين مبدل ساختار و كنترلي ساده شامل تعداد كم اجزاء را دارا بوده كه در نتيجه از پيچيدگي، افزايش حجم و وزن مبدل جلوگيري شده است. ساختار مبدل داراي زمين مشترك، بدون نياز به راه‌انداز گيت ايزوله و مناسب براي محدودة وسيع ولتاژ ورودي است. در ساختار ارائه‌شده، مسئله‌ي ايجاد پرش ولتاژ دو سر كليد ناشي از انرژي ذخيره‌شده در سلف نشتي كه در مبدل‌هاي بسيار كاهنده مبتني بر سلف تزويج‌شده وجود دارد بصورت عمده‌اي بر طرف شده‌است. علاوه بر اين، انرژي ذخيره شده در مدار كمكي بكاررفته در ساختار بسياركاهنده پيشنهادي اول، در نهايت به خروجي مدار منتقل مي‌شود. ايجاد شرايط كليدزني نرم، علاوه بر افزايش بازده، امكان افزايش فركانس و در نتيجه كاهش بيشتر حجم و وزن مدار را به همراه داشته‌است و دارا بودن يك كليد سبب كاهش هزينه، تلفات، حجم مدار و پيچيدگي كنترل مي‌گردد. مسئله موجود در ساختار بسياركاهندة پيشنهادي اول، تلفات خازني زمان روشن شدن تنها كليد اين مبدل، به دليل شرايط كليدزني نرم تحت جريان صفر است به همين دليل در ساختار ارائه‌شدة بسياركاهندة دوم، شرايط كليدزني نرم تحت ولتاژ صفر، در ازاء استفاده از كليد كمكي بطور كامل در زمان روشن و خاموش شدن براي كليد اصلي فراهم شده‌است. مدار كمكي بكاررفته در ساختار پيشنهادي دوم تنها از يك كليد كمكي، سلف و خازن دو سر كليد اصلي تشكيل شده اما سلف مدار كمكي بصورت تزويج‌شده با سلف‌هاي مؤثر در كاهش بهره بكارگرفته شده‌است. بنابراين نيازي به افزودن هستة مغناطيسي ديگري نبوده و در نتيجه از افزايش حجم، وزن و هزينة مدار جلوگيري شده‌است. علاوه براين، ساختار دوجهته‌اي از مبدل پيشنهادي دوم با حفظ ويژگي كليدزني نرم نيز ارائه و بررسي شده‌است. دو ساختار اول جزء مبدل‌هاي بسيار كاهنده دسته‌بندي مي‌شوند اما ساختار پيشنهادي سوم، مبدل فوق كاهنده از دسته مبدل‌هاي درجه دو بوده كه علاوه بر ايجاد بهرۀ ولتاژ بسيار كم، شرايط كليدزني نرم تحت ولتاژ صفر در زمان روشن و خاموش شدن تك كليد اصلي در اين مبدل برقرار شده‌است. در نهايت چهار ساختار مبدل‌هاي بسياركاهندۀ در‌هم‌تنيده، به جهت فراهم‌آوردن امكان افزايش توان نسبت به ساختارهاي تك‌فاز پيشنهادي، ارائه‌شده‌است. با تمركز بر ادغام بخش‌ كليدزني نرم در اين ساختارها، ساختارهايي درهم‌تنيده با پيچيدگي كم مداري و صرفه جويي در حجم، وزن و هزينه ارائه‌شده‌است.

237997

الكترونيك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان