الکترونیک ومخابرات

رگولاتورهای سوئیچینگ
نویسنده : م - ساعت ۱:٥۸ ‎ب.ظ روز دوشنبه ٢ اسفند ،۱۳۸٩

 

فصل دوم : رگولاتورهای سوئیچینگ

 

رگولاتورهای سوئیچینگ بطور گسترده در مبدل های ac/dc استفاده می شوند. مناسب است که قبل از ورود به بحث تصحیح ضریب توان آشنایی کلی با نحوه عملکرد چند رگولاتور معروف این خانواده داشته باشیم. چند آرایش اساسی برای رگولاتورهای سوئیچینگ به قرار زیر است :

1- رگولاتور boost

2- رگولاتور buck

3- رگولاتور buck-boost

4- رگولاتور cuk

5- رگولاتور sepic

6- رگولاتور flyback

 

1-2- رگولاتور boost :

در این رگولاتور ولتاژ خروجی بزرگتر از ورودی است. شماتیک مداری و شکل موج قسمت های مختلف مدار در زیر آورده شده است.

شکل1-2- مبدل boost و نمودارهای آن

 

در مدت زمان [0 DT] کلید بسته بوده و در بازه [DT T] باز است. در مدتی که کلید بسته است جریان سلف بطور خطی افزایش یافته و ولتاژ خروجی بدلیل دشارژ خازن در بار خروجی کاهش می یابد. وقتی کلید باز است اختلاف ولتاژ دو سر سلف منفی گشته و جریان آن نیز بطور خطی کاهش یافته و ولتاژ خروجی افزایش می یابد. در مبدل boost ولتاژ خروجی بزرگتر از ولتاژ ورودی است. به مبدل boost رگولاتور افزاینده نیز می گویند. چند رابطه مهم مربوط به این مبدل به قرار زیر است :

متوسط ولتاژ خروجی را Va می نامیم.                                                Va= (V1+V2)/2

IS=I0/(1-D)   ,   Va=VS/(1-D)    ,    f=1/T    ,    I2-I1=VSD/(f.L)  ,  V2-V1=IaK/(f.C)

بسته به فرکانس سوئیچینگ ، duty cycle ، اندازه سلف و خازن جریان سلف می تواند ناپیوسته باشد. این رگولاتور راندمان بالایی دارد. جریانی با پیک بالا باید از کلید عبور کند حتی زمانی که جریان ورودی پیوسته است. ولتاژ خروجی نسبت به تغییرات دوره کارکرد D حساس است و این موجب مشکل بودن تثبیت رگولاتور می شود. مقدار موثر جریان عبوری از خازن بزرگ است که این امر موجب بکارگیری خازن و سلف بزرگتری در مدار نسبت به سایر رگولاتورها می شود. رگولاتور boost نسبت به سایر انواع دیگر چهره مردمی تری داشته و مرسوم است، و استعداد بیشتری برای تحقق تکنیک های PFC روی خود دارد. برای توان های بالا معمولاً از این مبدل در مد جریان پیوسته CICM استفاده می شود.[34] نمای سه فاز این رگولاتور به صورت زیر است.

شکل2-2- نمای سه فاز مبدل boost

 

2-2- رگولاتور buck :

در این رگولاتور بر خلاف نوع boost متوسط ولتاژ خروجی کمتر از ورودی است. بسته به فرکانس سوئیچینگ ، duty cycle ، اندازه سلف و خازن جریان سلف می تواند ناپیوسته باشد. شماتیک مداری و شکل موج قسمت های مختلف مدار در شکل زیر آورده شده است :

شکل3-2- مبدل buck و نمودارهای آن

در مدت زمان [0 DT] کلید بسته بوده و در بازه [DT T] باز است. وقتی کلید بسته است جریان سلف افزایش یافته و دیود در گرایش مخالف قرار می گیرد. زمانی که کلید باز است جریان از دیود هرزگرد عبور می کند. متوسط ولتاژ خروجی Va می باشد. روابط مهم مداری به قرار زیر است :

Va=D.Vs   ,    IS=D.Ia    ,     ΔV0=VS.D(1-D)/(8.L.C.f2)      ,     ΔIL=ΔV0(8.f.C)

رگولاتور buck راندمان بالایی دارد. سلف L تغییرات جریان بار di/dt را محدود می کند. چون جریان ورودی ناپیوسته می باشد، معمولاً فیلتری در ورودی برای حذف هارمونیک ها نیاز است. به دلیل احتمال اتصال کوتاه شدن دو سر دیود نیاز به مدار محافظ دارد. نمای سه فاز این رگولاتور به صورت زیر است.

شکل 4-2- نمای سه فاز مبدل buck

 

3-2- رگولاتور buck-boost :

این رگولاتور می تواند ولتاژ خروجی کمتر یا بیشتر از ولتاژ ورودی تامین کند. به همین دلیل این نام برای آن انتخاب شده است. در مدار زیر که از این نوع می باشد، پلاریته ولتاژ خروجی مخالف پلاریته ورودی است، لذا به این رگولاتور، رگولاتور معکوس کننده نیز می گویند.

شکل5-2- مبدل buck-boost و نمودارهای آن

در مدت زمان [0 DT] کلید بسته بوده و در بازه [DT T] باز است. وقتی کلید بسته است جریان سلف افزایش می یابد و دیود نیز در گرایش معکوس قرار می گیرد. در این مدت زمان جریان بار ثابت ia توسط خازن تامین می شود، لذا ولتاژ خروجی که همان ولتاژ دو سر خازن است کاهش می یابد. وقتی کلید باز می شود، انرژی ذخیره شده در سلف خازن را شارژ کرده و ولتاژ خروجی افزایش می یابد. همچنین این جریان، بار را نیز تامین می کند و از طریق دیود D برمی گردد. روابط مهم مداری این نوع رگولاتور به قرار زیر است :

Va=-VSD/(1-D)    ,    IS=IaD/(1-D)   ,     ΔIL=VSD/(f.L)      ,    ΔVc=IaD/(f.C)

با توجه به رابطه بین Va و VS بر اساس اینکه عبارت D/(1-D) بزرگتر یا کوچکتر از یک باشد، اندازه ولتاژ خروجی به ترتیب بزرگتر یا کوچکتر از اندازه ولتاژ ورودی است. این رگولاتور راندمان بالایی دارد، برای اینکه پلاریته ورودی و خروجی یکسان گردد می توان از یک ترانس در ورودی استفاده نمود. در شرایط غیرعادی کلید di/dt جریان توسط سلف محدود شده و برابر VS/L است. محافظت خروجی مدار در برابر اتصال کوتاه به سادگی امکان پذیر است. اما با این وجود جریان ورودی ناپیوسته است و مقدار اوج جریان عبوری از کلید زیاد است.

 

4-2- رگولاتور cuk :

 این رگولاتور به نام مخترع آن آقای cuk نامگذاری شده است. این رگولاتور نیز می تواند مانند نوع buck-boost ولتاژ خروجی کمتر یا بیشتر از خروجی تولید کند. شماتیک مداری به همراه شکل موج این نوع رگولاتور در زیر آورده شده است.

شکل6-2- مبدل cuk و نمودارهای آن

در مدت زمان [0 DT] کلید بسته بوده و در بازه [DT T] باز است. وقتی کلید بسته است جریان سلف L1 افزایش می یابد. سپس کلید باز شده و جریان سلف L1 روبه کاهش می گذارد. بنابراین ولتاژ دوسر آن منفی شده و مجموع این ولتاژ و ولتاژ VS در دوسر خازن C1 از طریق دیود D دشارژ می شود. وقتی دوباره کلید بسته می شود جریان سلف L1 رو به افزایش گذاشته، از طرفی ولتاژ خازن C1 دوسر دیود قرار گرفته و جریان سلف L2 نیز زیاد می شود. این توالی به همین ترتیب ادامه می یابد. دیود و کلید عمل سویچینگ سنکرون را انجام می دهند. خازن C1 واسط انتقال انرژی از منبع به بار است. روابط ریاضی مشخصه های مداری در زیر آورده شده است :

Va=-D.VS/(1-D)      ,        IS=DIa/(1-D)        ,          VC1=-Va/D

ΔIL1=DVS/(f.L1)   ,     ΔIL2=DVS/(f.L2)    ,    ΔVc1=Is(1-D)/(f.C1)

رگولاتور cuk مبتنی بر انتقال انرژی خازن است، لذا جریان ورودی پیوسته است. تلفات سویچینگ کم بوده و راندمان بالا است. وقتی کلید بسته می شود باید جریان سلف های L1,L2 را ازخود عبور دهد. در نتیجه اوج جریان عبوری از ترانزیستور بالا است. از آنجا که خازن C1 نقش واسطه در انتقال انرژی را دارد ضربان جریان آن بالا است.

 

5-2- رگولاتور sepic :

کلمه sepic مخفف عبارت single-ended primary inductor converter است.[2] مدار زیر یک رگولاتور sepic را نشان می دهد،که در حالت جریان سلف ناپیوسته (DICM) کار می کند. (البته می تواند در حالت جریان سلف پیوسته (CICM) نیز کار کند.)

شکل7-2- مبدل sepic و نمودارهای آن

یکی از معایب رگولاتورهای پیشین در مد کاری DICM ایجاد هارمونیک های با دامنه بزرگتر نسبت به حالت CICM است. ولی در نوع sepic که مخصوصاً در مد کاری CICM ترسیم شده حتی هنگامی که جریانی در دیود هرزگرد وجود ندارد، جریان سلف ها غیر صفر است. بنابراین دامنه هارمونیک های فرکانس بالا پایین می باشد.

روابط ریاضی مربوط به آن به قرار زیر است :

M=Vo/Vs=η.iS/io=N.D/(1-D)           : (CICM)

M=Vo/Vs=η.is/io=D/K                    : (DICM)

K=2Le/(R.T)       ,      Le=L1L2/(L1+L2)

در روابط فوق η بازده ، D همان duty cycle و M ضریب تبدیل ولتاژ مبدل است. می توان یک K را به عنوان مرز بین CICM و DICM تعریف نمود : [3]

Kcrit=(1-D)2/N2=1/(N+M)2

If   K>Kcrit  è   CICM                ,                 If   K<Kcrit  è   DICM         

 

6-2- رگولاتور flyback :

این رگولاتور را می توان حالت اشتقاق یافته نوع buck-boost دانست. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

 

 

شکل8-2- نحوه اشتقاق مبدل flyback از نوع buck-boost

شکل های زیر بیانگر مشخصه های مداری در دو حالت باز و بسته بودن کلید می باشد.

شکل9-2- مبدل flyback و نمودارهای آن

در شکل های فوق ریپل جریان و ولتاژ صفر درنظر گرفته شده است. وقتی کلید بسته است دیود در گرایش معکوس بوده و هدایت نمی کند، وقتی کلید باز شود دیود شروع به هدایت می کند. روابط زیر حکم فرماست.

VL=VS      ,     ic=-Vo/R      ,      is= I               (وقتی کلید بسته است.)

VL=-Vo/N     ,       ic=I/N-Vo/R      ,      ig=0             (وقتی کلید باز است.)

ضریب تبدیل مبدلM  و جریان I بر حسب duty cycle به قرار زیر است.

M=N.D/(1-D)                      ,                      I=N.Vo/(R.(1-D))

رنج توانی رگولاتور flyback ، 50-100w بوده و در منابع تغذیه ولتاژ بالا در وسایلی مانند تلویزیون و مانیتور رایانه ها کاربرد دارد. این رگولاتور دارای تعداد قطعات کمی می باشد. از طرفی می توان چندین ثانویه مختلف داشت، که هر خروجی نیاز به تنها یک سیم پیچ، دیود و خازن دارد. حداکثر ولتاژی که دوسر کلید می افتد، هنگام باز شدن آن است و برابر VS+Vo می باشد. در صورت مشکل ساز بودن این ولتاژ می توان با یک مدار اسنابر آنرا بهبود داد. [30] 

 

7-2- تغییر بهره اینورترها:

در کاربردهای صنعتی اغلب لازم است که ولتاژ خروجی اینورترها برای مقابله با تغییرات ولتاژ dc ورودی، برای رگولاسیون ولتاژ اینورترها و بخاطر نیاز به کنترل ولت/ فرکانس ثابت، کنترل شود. تکنیک های مختلفی برای تغییر بهره اینورترها وجود دارد. کارآترین روش کنترل بهره استفاده از مدولاسیون عرض پالس PWM است. تکنیک های معمول عبارتند از:

§        مدولاسیون عرض تک پالس Single-PWM : در این روش فقط یک پالس درهر نیم سیکل وجود دارد. برای کنترل ولتاژ خروجی، عرض این پالس تغییر داده می شود. سیگنال ها از مقایسه مرجع مستطیلی با موج حامل مثلثی ساخته می شود.

§        مدولاسیون عرض چند پالس Multiple-PWM : درهر نیم سیکل چند پالس وجود دارد که موجب کاهش هارمونیک ها نیز می گردد. عرض پالس ها ثابت است. نام دیگر این روش مدولاسیون یکنواخت عرض پالس UPWM است. سیگنال ها از مقایسه مرجع مستطیلی با موج حامل مثلثی که در هر سیکل چند بار تکرار شده است ساخته می شود.

§        مدولاسیون سینوسی عرض پالس Sinusoidal-PWM : به جای یکسان نگه داشتن عرض پالس ها، مانند مدولاسیون چند پالس، عرض هر پالس متناسب با دامنه موج سینوسی در مرکز همان پالس تغییر می کند. سیگنال ها از مقایسه مرجع سینوسی با حامل مثلثی ساخته می شود. این نوع مدولاسیون معمولاً کاربرد صنعتی دارد و علامت مخفف آن SPWM است. ضریب اعوجاج و هارمونیک های مرتبه پایین به طرز چشمگیری کاهش یافته است.

§        مدولاسیون سینوسی عرض پالس اصلاح شده Modified sinusoidal-PWM : در مدولاسیون SPWM عرض پالس هایی که نزدیک به اوج موج سینوسی هستند، با تغییر شاخص مدولاسیون بطور چشمگیری تغییر نمی کند. این به دلیل مشخصات موج سینوسی است. تکنیک SPWM را می توان به گونه ای اصلاح کرد که موج حامل در اولین و آخرین فواصل 60o درجه ای درهر نیم سیکل اعمال شود. (یعنی در بازه [0 60] , [120 180] ). این روش مدولاسیون به MSPWM معروف است. مولفه اصلی افزایش یافته و مشخصات هارمونیکی بهبود یافته است. دراین روش تعداد سوئیچینگ افزارهای قدرت و در نتیجه تلفات کاهش می یابد.

§        کنترل با جابجایی فاز Phase-displacement PWM : در این روش کنترل ولتاژ را با استفاده از چندین اینورتر و جمع ولتاژهای خروجی تک تک اینورترها انجام می دهند. این تکنیک به ویژه در قدرت های بالا مفید است. ولی نیاز به تعداد زیادی ترانزیستور دارد.

مشخصه های مورد نیاز یک تکنیک PWM را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

 

o       حداکثر استفاده از ولتاژ طرف dc بطوریکه بالاترین گین ممکنه را دارا باشد.

o       پایین بودن دامنه هارمونیک های مرتبه پایین ولتاژ خروجی به منظور کاهش محتویات هارمونیکی جریان خروجی

o       تلفات سوئیچینگ پایین

o       اجازه عملکرد صحیح به سوئیچ مبدل با فراهم آوری زمان کافی برای سوئیچ و سیستم کنترل

امکان فراهم کردن تمام شرایط فوق تواماً امکان پذیر نیست. مثلاً برای کاهش دامنه هارمونیک ها باید فرکانس سوئیچینگ افزایش یابد در حالی که این امر موجب افزایش تلفات می گردد.

از تکنیک های فوق روش SPWM کاربرد صنعتی زیادی دارد ولی دارای معایبی همچون پایین بودن مولفه اصلی ولتاژ خروجی است. تکنیک های دیگری که عملکرد بهتری ارائه می دهند. عبارتند از :

·        مدولاسیون ذوزنقه ای

·        مدولاسیون پلکانی

·        مدولاسیون پله ای

·        مدولاسیون تزریق هارمونیک

·        مدولاسیون دلتا (هیسترزیس)

در مراجع انتهای سمینار توضیحات مفصل راجع به هریک از تکنیک های فوق داده شده که می توانید برای مطالعه بیشتر به آنها مراجعه کنید.


comment نظرات ()