DC-DC Converter with high gain

مقدمه

سلولهای سوختی به عنوان یکی از منابع انرژی در کاربردهای مختلفی چون خودروی الکتریکی و ریزشبکه ­های DC مورد بهره ­برداری قرار می­ گیرند. در خودروی الکتریکی سیستم تحریک موتور به صورتی است که معمولاً از یک منبع یکسو، مبدل DC-DC (افزاینده) و اینورتر سه فاز در آن استفاده می­ شود. در خودروهای الکتریکی مبتنی بر پیل سوختی، منبع ورودی همان پشته سلول سوختی است. بعلت ولتاژ کم پشته سلول سوختی برای اعمال به اینورتر، نیاز است که بهره ولتاژی مبدل DC-DC زیاد باشد. لذا طراحی این نوع از مبدل با تنظیم ولتاژ و جریان خروجی مناسب، نقش مهمی در عملکرد سیستم تحریک موتور الکتریکی ایفا می­ کند.

مبدلهای DC-DC افزاینده در مراجع مختلفی مورد توجه قرار گرفته و راه ­کارهای مختلفی چون اصلاح ساختار یا توسعه آن برای بهبود پارامترهایی چون بهره ولتاژی و کاهش استرس­های ولتاژی اجزای نیمه هادی آنها پیشنهاد شده است. در این مطلب، یک مبدل DC-DC افزاینده تک کلیده بدون ترانسفورماتور برای کاربرد در خودروی برقی مجهز به پیل سوختی معرفی و عملکرد آن توضیح داده شده است. هدف بررسی عملکرد مبدل در حالت بار متغیر در خروجی با استفاده از شبیه سازی در نرم افزار متلب است.

معرفی

مبدل موردنظر به صورت یک مبدل DC-DC تک کلیده بدون ترانسفورماتور است که در شکل (1) نمایش داده شده است. عملکرد آن به این صورت است ولتاژ ورودی اعمالی به مدار (از منبع پشته سلول سوختی) را افزایش می ­دهد یعنی به صورت مبدل افزاینده عمل می­ کند. در مدار مبدل سه دیود، سه سلف، پنج خازن و یک مقاومت به عنوان بار استفاده می­ شود. یک شبکه کلیدزنی افزاینده مرسوم با ترکیبی از المانهای L1، Q، D1 و C3 و یک شبکه  متشکل از المان­های L2، L3، C1، C2، C4، D2 و D3 بین شبکه کلیدزنی افزاینده و خازن خروجی Co یکپارچه شده ­اند. مزیت شبکه  این است که بهره ولتاژی مبدل را افزایش داده و استرس ولتاژی کلید قدرت را کاهش می­ دهد [1].

این مبدل بر اساس وضعیت­های کلیدزنی کلید قدرت و دیودهای خود می­ تواند هم عملکرد پیوسته و هم عملکرد ناپیوسته داشته باشد. سلف L₁ در مدار قدرت با عملکرد شارژ و دشارژ خود باعث کاهش ریپل جریان ورودی شده، ضمن اینکه خازن خروجی Co نیز با عملکرد دشارژ و شارژ خود، باعث کاهش ریپل ولتاژ دو سر بار می­ شود. بقیه المانهای سلف و خازن نیز بر اساس وضعیتهای کلیدزنی ممکن است در حالت شارژ یا دشارژ باشند. در کل در این مبدل به کمک دو شبکه کلیدزنی افزاینده مرسوم و شبکه ، توان پشته سلول خورشیدی با کسر تلفات مربوط به اجزای مدار به بار منتقل می­ شود. ولتاژ ورودی مدار یعنی ولتاژ خروجی دو سر پشته سلول سوختی نیز در دو مرحله به کمک شبکه افزاینده مرسوم و شبکه  افزایش یافته و در دوسر خروجی مدار ظاهر می­ شود.

شکل 1) ساختار مبدل افزاینده تک کلیده مورد بررسی

این مبدل می ­تواند همانند شکل (2) به عنوان واسط بین پشته سلول سوختی ولتاژ پایین در خودروی الکتریکی مجهز شده به سلول سوختی و لینک DC متصل به اینورتر تأمین­ کننده توان موتور الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد.

مزیتهای مبدل پیشنهادی را می­ توان به صورت زیر بیان کرد:

• بهره افزایندگی زیاد (در حد مقدار 10)

• استرس ولتاژی پایین کلید قدرت

• زمین مشترک

• ریپل جریان ورودی کم

• ایجاد شرایط لازم برای بدست آوردن مشخصات خروجی نرم از پشته سلول سوختی

• حجم کمتر، هزینه پایین­تر و مدارات کنترلی ساده­ تر نسبت به ساختارهای با تزویج مغناطیسی

عملکرد مبدل

بر طبق ساختار مدار (یک کلید و سه دیود و نیز با در نظر گرفتن حالت کاری پیوسته یا ناپیوسته آن) عملکرد مبدل پیشنهادی می­ تواند در یک دوره تناوب، به سه وضعیت کلیدزنی تقسیم شود که در جدول (1) نمایش داده شده است.

جدول 1) وضعیت کلیدزنی وسائل نیمه هادی قدرت

بنابراین بر اساس جدول (1)، دو حالت کاری کلی از عملکرد یعنی پیوسته (CCM) و ناپیوسته (DCM) وجود دارد (مجموعاً سه حالت کاری).

مشخصات کلیدی مبدل در حالت هدایت پیوسته و ناپیوسته در شکل (2) ارائه شده است. جزئیات مربوط به روابط ریاضی حاکم بر مدار در حالتهای مختلف کاری در [2] ارائه شده و در اینجا از ذکر آن پرهیز می ­کنیم.

شکل 2) مشخصه  های کلیدی مبدل پیشنهادی، الف) عملکرد CCM، ب) عملکرد [2] DCM

شبیه سازی مبدل پیشنهادی

در این بخش به شبیه سازی ساختار مبدل خواهیم پرداخت و با بدست آوردن نتایج مهم مربوط به شبیه سازی آنها را ارائه و سپس تحلیل خواهیم کرد. مدار مبدل شبیه سازی شده به صورت شکل (3) است که در آن منبع ورودی از نوع یک پشته سلول سوختی و بار در خروجی به صورت مقاومتی و متغیر است. مورد مهم بعدی این است که ابتدا پارامترهای مدار مبدل چون ظرفیت خازنها و اندوکتانس سلفها بدست آورده شود. برای این منظور ابتدا باید پارامترهای هدف را مشخص کرد و سپس از روابطی که در [2] ارائه شده، برای محاسبه پارامترها استفاده کرد. در اینجا هدف این است که ولتاژ خروجی در حالت بار متغیر، در مقدار 400 ولت تثبیت شود.

شکل 3) مدار مبدل با منبع پشته سلول سوختی در متلب

توضیح اینکه برای عملکرد مؤثر مبدل، یک ساختار کنترلی نیز در نظر گرفته شده که بر طبق آن، ولتاژ خروجی مبدل توسط یک کنترلر PI تنظیم می شود. مقدار بهره ­های کنترل­ کننده PI نیز بر اساس روش زیگلر – نیکولز تنظیم شده است.

در ادامه نتایج شبیه سازی ارائه شده است. در شکل (4) مشخصه ولتاژ ورودی نمایش داده شده است. همانطور که  مشخص است مقدار متوسط ولتاژ قبل از تغییر بار در مقدار متوسط 65 ولت تثبیت می ­شود و بعد از اینکه بار افزایش یافت در مقدار 60 ولت تثبیت می­ شود.

شکل 4) مشخصه ولتاژ ورودی

در شکل (5) مشخصه ولتاژ خروجی نمایش داده شده است که بر اساس آن مقدار ولتاژ خروجی بعد از زمان 0.09 ثانیه به مقدار متوسط 400 ولت می­رسد و بعد از آن تقریبا تا انتهای زمان شبیه سازی در همین مقدار ثابت حفظ می­ شود. توجه می ­کنیم که شارژ اولیه خازن در اینجا صفر ولت بوده است.

شکل 5) مشخصه ولتاژ خروجی

در شکل (6) و شکل (7) نیز مشخصه توان ورودی و توان خروجی ارائه شده است. توجه ­می­ کنیم پله­ های تثبیت توان ورودی با مقادیر متوسط 880 وات و 1711 وات است در حالیکه پله ­های تثبیت توان خروجی به ترتیب با مقادیر متوسط 801 وات و 1613 وات است. بنابراین بازده مبدل در بار نامی 94 درصد و در بار 200 اهم برابر با 91 درصد است.

شکل 6) مشخصه توان ورودی

شکل 7) مشخصه توان خروجی

نتیجه گیری:

از نتایج مشخص شد که اولاً با کنترل PI، سطح ولتاژ خروجی (لینک DC)، در مقدار ثابت 400 ولت حفظ می­ شود؛ دوماً با بار نامی 100 اهم، بیشترین بازده با مقدار 94 درصد  بدست آورده می­ شود.

————————————————————————————————————————————–

مراجع:

[1]

N. Elsayad, H. Moradisizkoohi and O. Mohammed, “Analysis and Design of a High Step-Up Transformerless DC-DC Converter with anIntegrated L2C3D2 Network”, IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Anaheim, CA, USA, 17-21 March 2014.

[2]

N. Elsayad, H. Moradisizkoohi and O. Mohammed, “A Single-Switch Transformerless DC-DC Converter with Universal Input Voltage for Fuei Cell Vehicles: Analysis and Design”, IEEE Transaction on Vechiclar Technology Journal, vol. 68, pp. 4537-4549, May 2019.

توضیحات مهم:

در این صفحه، به معرفی یک ساختار مبدل افزاینده تک کلیده پرداخته شد و با شبیه سازی تعدادی از مشخصات مهم آن گزارش شد. برای در اختیار داشتن فایل شبیه سازی و همچنین گزارش کار 14 صفحه ای آن که شامل توضیحات کامل تر و مشخصات خروجی بیشتری (چون جریان خروجی، مشخصات ولتاژ و جریان کلید و …) است، می توانید از لینک خرید زیر اقدام کنید