توضیحات
Step-up DC–DC converter by coupled inductor and voltage-lift technique
در این مقاله یک مبدل DC-DC با بهره بالا معرفی شده است.در این مبدل از سلف کوپل شده و voltage-lift technique برای رسیدن به بهره ولتاژ بالا استفاده شده است.
علاوه بر این ولتاژ روی سوئیچ مهار شده و انرژی ذخیره شده در اندوکتانس نشتی بازیابی شده و به مبدل بر میگردد و در نتیجه استرس ولتاژ روی سوئیچ کاهش میابد و بازده مبدل بهبود میابد.در آخر هم نمونه آزمایشگاهی مبدل به منظور اثبات عملکرد و رسیدن به اهداف گفته شده ساخته شده است.
- مقدمه
مبدل های DC-DC افزاینده بطور وسیع در کاربردهای مختلف استفاده شده است.
مانند:
(HID) LAMP ، بالاست چراغ جلو اتومبیل، سیستمهای انرژی پشتیبان DC برای برق اضطراری، مراحل جلویی منابع انرژی پاک و سیستمهای درایو وسیله های نقلیه الکتریکی و
…
از لحاظ تئوری مبدلهای boost معمولی میتوانند برای تبدیل ولتاژ بالا استفاده شوند (با duty cycle بالا) ولی در عمل بازده مبدل و گین ولتاژ تحت duty ratio بالا محدود میباشند (به دلیل تلفات بالا سوئیچ ها و دیود ها و مقاومت سری معادل سلفها و خازنها).
نتایج duty ratio خیلی بزرگ در مشکلات جدی بازیابی معکوس و افزایش قدرت از دیود خروجی منجر به بازده خیلی کم میشود.
علاوه بر این در یک مبدل قدرت عملیاتی در یک سیکل کاری بزرگ تر از 50 درصد نیاز مند یک جبرانگر شیب در مدلاسیون باند پهن حالت جریان است تا بر بی ثباتی با اختلالات باز غلبه کند.
بنابراین داشتن یک سیکل کاری منطقی برای یک مبدل به منظور رسیدن به بهره بالا مهم میباشد.
مبدلهای فلای بک و فوروارد معمولا به وسیله تنظیم دور ترانسفورماتور به بهره ولتاژ بالا میرسند.
با این حال، سوئیچ فعال از این مبدل ولتاژ نوک تیز بالا و کارایی ضعیف را به همراه خواهد داشت (به دلیل اندوکتانس نشتی ).
به منظور کاهش این ولتاژ از مقاومت- خارن- دیود (RCD) توبیخ کننده اختیار شده است.
اما چون این کار نیاز به اجزا جدید دارد باعث افزایش قیمت میشود.
تعداد زیادی مبدل بوست به منظور بهبود بازده و افزایش بهره ولتاژ معرفی شده اند.
یک مبدل boost-flyback بر اساس سلف کوپل شده معرفی شده. انرژی ذخیره شده در اندوکتانس نشتی در زمانی که سوئیچ خاموش است به خروجی داده شده در نتیجه باعث افزایش بازده و محدود کردن جهش ولتاژ میشود.
مبدل های دیگر عبارتند از: مبدل بوست با سلف کوپل شده یکپارچه و فیلتر کاهش تداخل امواج، مبدل sepic- flyback با سلف کوپل شده و پشته سازی ولتاژ خروجی، مبدل بوست با بهره بالا که از سلف کوپل شده و تکنیک ولتاژ دوبل در پشته سازی خروجی به منظور رسیدن به بهره بالا استفاده کرده است ، مبدل بوست با بهره بالا که از سلف های کوپل شده چند گانه برای پشته سازی ولتاژ خروجی استفاده کرده است، مبدل بوست با به کار گیری voltage-lift technique (از انجایی که سوئچ باید زمانیکه سوئیچ روشن است جریان زیادی را تحمل کند voltage-lift technique برای کاربردهای توان پایین مناسب است.)، مبدل بوست با با سلف کوپل شده و زیرمبدل.
این مقاله یک مبدل DC-DC راندمان بالا جدید که از سلف کوپل شده و voltage-lift technique برای دستیابی به بهره ولتاژ بالا استفاده نموده را معرفی میکند .
مبدل پیشنهادی ویژگی های زیر را داراست:
- بهره ولتاژ بالا
- سیکل کاری میتواند با تنظیم نسبت دور سلف مزدوج طوری طراحی شود که کمتر از 5/0 باشد. بنابراین مبدل میتواند تحت PWM مد جریان به کار گرفته شود.
- انرژی ذخیره شده در اندوکتانس نشتی ترانسفورماتور بازیابی شده بنابراین بازده افزایش میابد.
- ولتاژ روی سوئیچ فعال مهار شده، فراهم اوردن اینکه سوئیچ با میزان ولتاژ کم و مقاومت هدایت کم انتخاب شود.
- مبدل از سوئیچ و دیودهای قدرت پایین به منظور کاهش هزینه استفاده میکند.
اصل عملکرد مبدل پیشنهاد شده
شکل 1 مبدل پیشنهاد شده را نشان میدهد که یک مبدل بوست با سلف کوپل شده و voltage-lift technique است.
مدل معادل سلف مزدوج شامل اندوکتانس مغناطیس کننده Lm و اندوکتانس های نشتی Lk1 و Lk2 و ترانسفورماتور ایده آل میباشد.
مبدل بوست به منظور تولید ولتاژ ثابت Vc1 و تامین کردن انرژی بار اختیار شده است.
علاوه بر این دیود D1 وقتی سوئیچ خاموش میباشد روشن است ، ولتاژ روی سوئیچ در یک ولتاژ با سطح کم مهار شده است و انرژی ذخیره شده در اندوکتانس نشتی به C1 بازیابی میشود.
از انجا که سوئیچ نرخ ولتاژکم و مقاومت هدایتی کم دارد مبدل بازده بالایی دارد.
voltage-lift technique به منظور تولید ولتاژ ثابت Vc2 و فراهم کردن انرژی خروجی اعمال شده است.
چون ولتاژ C2 ثابت است بهره ولتاژ میتواند افزایش یابد. علاوه بر این نسبت دور سلف مزدوج به منظور رسیدن به بهره ولتاژ بالا تنظیم شده است.
…
به منظور ساده شدن تحلیل مدار شرایط زیر فرض شده اند:
- خازن های C1 و C2 و C0 به اندازه کافی بزرگ هستند تا در یک دوره کلید زنیVc1 و Vc2 وVc0 مقادیر ثابتی باشند.
- تمام عناصر نیمه هادی ایده آل هستند.
- بیشترین انرژی در اندوکتانس مغناطیس کنندگی Lm که از اندوکتانسهای نشتی Lk1 و Lk2 بزرگتر است ذخیره شده است.
- نسبت دور سلف مزدوج : n=
عملکرد مبدل پیشنهاد شده در حالت کاری پیوسته (CCM) و حالت کاری ناپیوسته (DCM) بشرح ذیل تحلیل شده است.
1-2) حالت کاری پیوسته
بر اساس فرضیات بالا عملکرد مدار در حالت پیوسته به 6 حالت در خلال هر دوره کلید زنی تقسیم میشود.
شکل 2 بعضی از شکل موج ها را نشان میدهد.
حالات کاری مطابق زیر شرح داده شده اند:
حالت1:{t0-t1}: در t=t0 سوئیچ روشن، D3 و D2 روشن و D1 خاموش میباشد.
چون انرژی خازن Cs سریعا دشارژ میشود در این حالت Vds=0 میباشد.
ولتاژ C2 به اندازه Vin+Vc1 شارژ شده. انرژی ذخیره شده در اندوکتانس نشتی Lk2 به آزاد شدن در خروجی ادامه خواهد داد.
چون Lm و Lk1 از طریق Vin شارژ شده اند ilk1 و iLm بصورت خطی افزایش میابند.
در t=t1 iD3= ilk2=0 بنابراین این حالت پایان میابد.
حالت2:{t1-t2}: در t=t1 سوئیچ روشن، D1 و D3 خاموش و D2 روشن میباشد.
در این فاصله زمانی Lm و Lk1 از طریق Vin شارژ شده اند و جریانهای ilk1 و ilm برابر بوده و با شیب (Lm>>Lk1) به صورت خطی زیاد میشوند.
ولتاژ C2 به اندازه Vin+Vc1 شارژ میشود.
انرژی بار از طریق خازن C0 تامین میشود.
این حالت در t=t2 وقتی که iD2=0 میشود تمام میشود.
حالت3:{t2-t3}: در t=t2 سوئیچ روشن، D1 و D2 و D3 خاموش میباشد.
عملکرد مدار در این حالت مانند حالت 2 میباشد به جز اینکه در این حالت iD2=0 میباشد.
این حالت در t=t3 وقتی سوئیچ خاموش میشود تمام میشود.
حالت4:{t3-t4}: در t=t3 سوئیچ خاموش ، D1 و D2 و D3 نیز خاموش میباشند.
در این فاصله زمانی جریان مغناطیس کنندگی خازن سوئیچ را شارژ کرده و ولتاژ سوئیچ به طور خطی تا زمان t4 تا وقتی که Vds=Vin+Vc1 شود افزایش میابد.
ولتاژ C2 در Vin+Vc1 باقی خواهد ماند. انرژی بار از طریق خازن C0 تامین میشود.
حالت5:{t4-t’4}: در t=t4 ، Vds=Vin+Vc1 است. در این فاصله زمانی سوئیچ همچنان خاموش بوده و D1 و D3 روشن و D2 خاموش میباشد.
در این حالت وقتی که D1 و D3 شروع به هدایت کردند انرژی ذخیره شده در Lm و Lk1 در خازن C1 و C0 آزاد میشود.
بنابراین iD1 بطور خطی کاهش و iD3 بطور خطی افزایش میابد.
بنابراین انرژی اندوکتانس نشتی میتواند بازیابی شود و استرس ولتاژ روی سوئیچ محدود میگردد.
این حالت در t=t’4 وقتی ilk1=iD3 پایان میابد.
حالت6:{t’4-t5}: در این حالت Vds=Vin+Vc1 . سوئیچ همچنان خاموش بوده و D1 و D3 روشن و D2 خاموش میباشد.
عملکرد مدار در این حالت مانند حالت 5 میباشد اما در این بازه زمانی iD3 بطور خطی کاهش میابد.
این حالت در t=t5 وقتی سوئیچ روشن میشود خاتمه میابد.
برای تحلیل کاراکترهای ماندگار حالت پیوسته مبدل از اندوکتانس های نشتی صرف نظر شده.
از انجاییکه زمان حالت 1 و 2 بسیار کوتاه میباشد از تحلیل انها صرف نظر میکنیم.
حال زمانی که سوئیچ روشن است خواهیم داشت:
زمانی که سوئیچ خاموش است داریم:
با به کار گیری قانون ولت-ثانیه در سیم پیچهای سلف مزدوج خواهیم داشت:
از رابطه 6 و 7 ، Vc1 و V0 بدست خواهد آمد:
معادله 9 نشان میدهد که مبدل با بهره گیری از voltage-lift technique و افزایش نسبت دور سلف مزدوج بهره ولتاژ بالایی را تحویل میدهد .
شکل 4 بهره ولتاژ ایده آل را به ازای سیکل کاری در نسبت دورهای مختلف از سلف تزویج نشان میدهد.
شکل 5 بهره ولتاژ ایده آل را به ازای سیکل کاری برای مبدل پیشنهادی وسایر مبدل هایی که بر اساس سلف کوپل شده کار میکنند تحت نسبت دور یکسان n=1.25 سلف مزدوج نشان میدهد.
که نشان میدهد که مبدل معرفی شده دارای بیشترین بهره ولتاژ در بین سایر مبدلها میباشد.
اگر چه عناصر این مبدل بیشتر است.
مطابق رابطه 8 و 9 استرس ولتاژ روی سوئیچ ودیودها بصورت زیر میباشد:
مطابق رابطه 9 و 10 استرس ولتاژ روی سوئیچ اصلی در یک ولتاژ پایین و کمتر از ولتاژ خروجی مهار شده است.
2-2) حالت کاری نا پیوسته
برای سادگی تحلیل در این حالت از اندوکتانسهای نشتی سلف مزدوج چشم پوشی شده .
حالتهای عملکرد مدار دراین حالت به 4 قسمت تقسیم میشود.
شکل 6 مدار معادل حالت 4 و بعضی از شکل موج های مدار را نشان میدهد .
حالات کاری مدار به صورت زیر میباشد:
حالت1:{t0-t1}: در t=t0 سوئیچ روشن، D1 و D3 خاموش و D2 روشن میباشد.
در این بازه زمانی Lm از طریق منبع شارژ میشود. جریان Lm بطور خطی افزایش میابد .
ولتاژ C2 به اندازه Vin+Vc1 شارژ شده. انرژی بار از طریق C0 تامین میشود.
این حالت در t=t1 وقتی که iD2=0 میشود تمام میشود.
حالت2:{t1-t2}: در t=t1 سوئیچ روشن، D1 و D2 و D3 خاموش میباشد.
عملکرد مدار در این حالت مانند حالت 1 میباشد ولی iD2=0 میباشد.
این حالت در t=t2 وقتی سوئیچ خاموش میشود تمام میشود.
به این ترتیب معادلات زیر نتیجه میشود:
که ILmp مقدار پیک جریان Lm میباشد.
حالت3:{t2-t3}: در t=t2 سوئیچ خاموش بوده و D1 و D3 روشن و D2 خاموش میباشد.
در این بازه زمانی انرژی ذخیره شده در Lm در خازن C1 و C0 آزاد میشود.
بنابراین iD1 و iD3 بطور خطی کاهش میابد.
از انجاییکه جریان متوسط C2 باید در یک پریود صفر باشد بنابراین iD1=iD3 میباشد. معادلات زیر را در این حالت خواهیم داشت:
حالت4:{t3-t4}: در t=t3 ، iLm برابر صفر است . سوئیچ همچنان خاموش ، D1 و D2 و D3 نیز خاموش میباشند.
انرژی بار از طریق C0 تامین میشود.
با به کار گیری قانون ولت-ثانیه در سیم پیچهای سلف مزدوج خواهیم داشت:
از رابطه 21 و 22 ، Vc1 و V0 بدست خواهد آمد:
بنابراین:
از شکل 6 مقدار متوسط ic0 بصورت زیر محاسبه شده:
در حالت مانا Ic0=0 است. با جایگذاری رابطه 16 و 25 و Ic0=0 در رابطه 26 معادله زیر بدست می اید:
ثابت زمانی سلف بصورت زیر تعریف شده که f فرکانس کلید زنی است:
با جایگذاری رابطه 28 در 27 بهره ولتاژ حالت نا پیوسته بدست می اید:
اگر مبدل در شرایط مرزی کار کند بهره ولتاژ CCM با بهره ولتاژ DCM برابر خواهد بود . بنابراین از رابطه 9 و 29 ثابت زمانی در حالت مرزی بدست خواهد امد:
شکل 7 منحنی ثابت زمانی مرزی را در برابر سیکل کاری وقتی n=6 است، نشان داده. اگرL > LB مبدل در مد پیوسته کار میکند در غیر این صورت در مد نا پیوسته کار میکند.
- آزمایش و طراحی مبدل
مبدل ازمایشی مشخصات زیر را دارد:
- ولتاژ ورودی: 12 ولت
- ولتاژ خروجی : 100 ولت
- ماکزیمم توان خروجی : 35 وات
- توان مد مرزی: 20 وات
- فرکانس کلید زنی: KHz50
- D=0.65
- n=1.25
بهترین بازده برای مبدل در D=0.65 و n=1.25 میباشد.
از رابطه 28 و 30 اندوکتانس مغناطیس کنندگی در حالت مرزی برای سلف مزدوج بصورت زیر خواهد بود:
بنابر این اندوکتانس مغناطیس کنندگی بطور تقریبی محاسبه شده و برار 44 میکرو هنری خواهد بود.
اندوکتانس نشتی سیم پیچ دوم و خازن پیوند دیود 3 باعث ایجاد قله در شکل موج در حالت گذرا وقتی که سوئیچ از حالت خاموش به حالت روشن میرود میشود.
معمولا از مقاومت و خازن (RCD) برای سرکوب این قله بهره گرفته میشود.
عناصر بکار رفته در مدار دارای مشخصات زیر هستند:
- سوئیچ: Rds(on)=23 m
- Vf=0.56 v : D1 , D2
- Vf=1.4v : D3
- سلف کوپل شده: LK1=0.6 N1=12 T N2=15 T Lm=44
- خازنها: C2=12 C0=360 C1=100
بعلت جهش جریان در سوئیچ و دیود2 در هنگامی که کلید روشن است نیازمند یک مدار سرکوب کننده برای جهش جریان هستیم شکل 11 مبدل را با مدار کاهش دهنده جهش جریان نشان میدهد.
سلف اضافه شده باعث کاهش جهش جریان شده و بدین ترتیب کاهش تلفات هدایت و افزایش بازده را به دنبال خواهد آورد.
- نتایج
این مقاله یک مبل افزاینده DC-DC را معرفی کرده که از voltage-lift technique استفاده کرده و با تنظیم نسبت دور سلف مزدوج به بهره ولتاژ بالایی رسیده .
این مبدل بازدهی بسیار بالایی دارد چون انرژی ذخیره شده در اندوکتانس نشتی سلف مزدوج بازیابی میشود.
علاوه براین ولتاژ روی سوئیچ در سطح ولتاژ پایین تری مهار شده و مبدل را قادر میسازد تا از سوئیج توان پایین به منظور بهبود بازده استفاده کند.
** نتایج شبیه سازی در متلب:
:CCM
…
شکل موج های مربوط به حالت پیوسته
:DCM
…
شکل موج های مربوط به حالت نا پیوسته
ولتاژ خروجی مبدل:
جریان سوئیچ و دیود 2 در حالتی که از L1 برای کاهش جهش جریان استفاده نشده:
مشاهده میشود که پیک جریانها در این حالت زیاد میباشد.
جریان سوئیچ و دیود 2 در حالتی که از L1 برای کاهش جهش جریان استفاده شده:
پیک جریانها در این حالت کاهش یافته است.
کلید واژه:
DC-DC power convertors, inductors, پروژه متلب
شبیه سازی مقاله Step-up DC–DC converter by coupled inductor and voltage-lift technique
به تعداد محدودی قابل فروش می باشد.
سفارش انجام پروژه مشابه
درصورتیکه این محصول دقیقا مطابق خواسته شما نمی باشد،. با کلیک بر روی کلید زیر پروژه دلخواه خود را سفارش دهید.
دیدگاهها
هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.