مقدمه
مبدل های رزونانسی LLC از دسته مبدل های رزونانسی DC-DC هستند که جز نوسان کننده در آنها شامل مدار LLC است. از مزایای این گونه مبدل ها می توان کلیدزنی نرم، بازده بالا، عدم ایجاد نویز و تداخلات الکترومغناطیسی را نام برد. معمولا در این مبدل ها سعی می شود فرکانس کلیدزنی افزایش داده شود تا بتوان هم حجم و وزن ترانسفورماتور و فیلتر خروجی را کاهش داده و هم چگالی توان مبدل را افزایش داد. یک نمونه از کاربرد مهم این مبدل ها در خودروهای برقی و خودروهای برقی ترکیبی برای شارژ باتری می باشد. در این مطلب ضمن معرفی عملکرد مبدل LCC از یک نمونه جدید از این مبدل را مورد بررسی قرار داده و با طراحی و سپس شبیه سازی نرم افزاری مشخصات آن را بدست آورده و تحلیل می کنیم.
مبدل رزونانسی LLC
در حالت کلی یک مبدل روزنانسی همانطور که در شکل 1 نشان داده شده، از دو قسمت اینورتری و تانک رزونانس تشکیل شده است که قسمت اول یعنی اینورتر وظیفه تبدیل ولتاژ یکسو به ولتاژ متناوب مربعی و قسمت دوم وظیفه تبدیل ولتاژ متناوب مربعی به ولتاژ متناوب سینوسی را بر عهده دارد. توجه میکنیم که ورودی مدار، منبع ولتاژ یکسو و خروجی آن بار (در اینجا از نوع مقاومتی) است.
شکل 1) مبدل روزنانسی
ساختارهای مرسوم برای بخش اینورتری به صورت مبدل نیم پل و تمام پل تکفاز در نظر گرفته می شود در حالیکه برای قسمت تانک رزونانس یکی از سه حالت مرسوم مدار سری، مدار موازی و مدار سری – موازی انتخاب می شود.
یکی از ساختارهایی که کاربرد زیادی دارد، مبدل روزنانسی LLC است که در آن قسمت روزنانسی به صورت یک مدار سری – موازی است که قسمت سری آن شامل یک خازن و یک سلف و قسمت موازی آن شامل یک سلف است. در شکل 2 ساختار مبدل رزونانسی نیم پل LLC به صورت ساده نمایش داده شده است که به بار مقاومتی Ri متصل است.
شکل 2) مبدل رزونانسی نیم پل LLC
اگر منبع ولتاژ یکسو ورودی دارای ولتاژ با مقدار Vi باشد، ولتاژ ورودی مدار رزونانسی یک ولتاژ مربعی با دامنه ±Vi است. حال اگر ضریب کیفیت بار در مدار رزونانس به اندازه کافی بزرگ باشد آنگاه جریان عبوری از مدار نزدیک به حالت سینوسی می شود.
برای طراحی این مبدل باید فرضیاتی را در نظر گرفته و سپس روابط مهم ریاضی حاکم بر ساختار آن از جمله فرکانس روزنانس، ضریب کیفیت و تابع انتقال ولتاژ را بدست آورد.
قبل از بدست آوردن فرمول های مهم برای طراحی ساده تر می توان معادل سری شده سلف و بار مقاومتی موازی را بدست آورد. در این حالت مدار رزونانس و بار به صورت شکل 3 خواهد بود:
شکل 3) مدار معادل رزونانس LLC
که در آن Ls سلف معادل و Rs مقاومت معادل است.
فرکانس روزنانس، فرکانسی است که در آن مدار رزونانس شروع به نوسان می کند. برای یک مدار LLC مقدار این فرکانس از رابطه زیر بدست می آید:
ضریب کیفیت برابر با نسبت بیشترین انرژی متوسط ذخیره شده در مدار رزونانس بر انرژی تلف شده در یک دوره تناوب است. هرچه ضریب کیفیت بزرگتر باشد، تلفات انرژی کمتر است و پایداری فرکانسی مدار بیشتر است و جریان عبوری از مدار رزونانس، به سینوسی نزدیکتر خواهد بود.
مقدار ضریب کیفیت در فرکانس رزونانس برای مدار شکل 3 از رابطه زیر محاسبه می شود:
تابع انتقال نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی مبدل را ارائه می دهد. اگر فرض کنیم در مبدل نیم پل سیکل کاری پالس های تحریک کلیدهای قدرت مقدار 0.5 باشد و تحلیل مبدل با استفاده از روش تقریب هارمونیک اول انجام شود، تابع انتقال ولتاژ مبدل را می توان به صورت زیر بیان کرد:
که در این فرمول A نسبت سلف L1 به سلف L2 در مدار شکل 2 است.
یکی از ویژگی های مهم مبدل نوع LLC وابستگی کم تابع انتقال ولتاژ به تغییرات بار در فرکانس رزونانس سری است که این فرکانس در ناحیه سلفی قرار دارد.
در ادامه منحنی اندازه تابع انتقال ولتاژ بر حسب فرکانس نرمالیزشده برای A = 0.5 و برای ضرائب کیفی مختلف در شکل 4 نمایش داده شده است.
با توجه به منحنی های شکل 4 می توان نتیجه گرفت که هرچه مقدار ضریب کیفیت بیشتر باشد، سطح ولتاژ خروجی افزایش می یابد. همچنین در یک فرکانس بخصوص تمام منحنی ها به ازای بارهای مختلف از یک نقطه عبور می کند و اصطلاحاً در این فرکانس اینورتر LLC مستقل از بار است و اندازه تابع تبدیل برابر با یک می باشد. این فرکانس در بالای فرکانس رزونانس قرار دارد، در نتیجه کلیدزنی در این نقطه مناسب است. مقدار این فرکانس نیز برابر است با:
شکل4 ) منحنی اندازه تابع انتقال به ازای بارهای مختلف
مدار مبدل LLC مورد بررسی
پیکربندی مبدل رزونانسی LLC مورد بررسی قرار گرفته در شکل 5 نمایش داده شده است. این مبدل از سه اینورتر نیم پل تکفاز تشکیل شده که برای ایجاد ولتاژ سه فاز استفاده می شوند. همچنین دارای سه بخش رزونانسی LLC است که هر بخش از یک طرف به اینورتر تک فاز و از طرف دیگر به ترانس فرکانس بالا متصل شده است. ورودی مدار یک ولتاژ یکسو است که بین سه خازنی که سمت اولیه اینورترها قرار دارند، تقسیم می شود. توجه می کنیم که بخش رزونانسی این مدار شامل یک خازن و سیم پیچ ترانسفورماتور در هر فاز است که هر بخش به خروجی اینورتر تکفاز همان بخش متصل می شود. ترانسفورماتور اشاره شده در این پیکربندی به صورت L3 مدل می‌شود که شامل اندوکتانس نشتی اولیه و ثانویه و اندوکتانس مغناطیس کنندگی است. در طرف بار از یک یکسوساز دیودی 6 پالسه استفاده شده است که ولتاژ متناوب سه فاز را به ولتاژ یکسو تبدیل می کند. در خروجی یکسوساز نیز از فیلتر LC برای فیلترینگ هارمونیک‌های مربوطه استفاده می شود. بار در این مبدل به صورت یک باتری است که میتواند توسط مبدل شارژ شود و در موقع لازم انرژی موردنیاز را با دشارژ خود تأمین کند.
شکل 5) پیکربندی مبدل رزونانسی سه فاز مورد بررسی
این مبدل برای کاربردهای چگالی توان بالا و بازده زیاد همچون خودروهای الکتریکی و خودروهای الکتریکی ترکیبی پیشنهاد شده و می تواند با طراحی و کنترل مناسب، عملکرد ZVS و ZCS را به ترتیب برای کلید قدرت سمت اینورتری و دیود قدرت سمت یکسوساز خروجی تأمین کند. در نتیجه با کاهش تلفات مبدل، موجب افزایش بازده عملکردی می شود.
فرآیند طراحی این ساختار را می توان به کمک فرمول های تجربی موردنظر بدست آورد. این کار شامل دو قسمت اساسی است:
1.محاسبات موردنظر برای یافتن پارامترهای ترانس و مقادیر عناصر رزونانسی
2.طراحی فیلتر خروجی سلف – خازنی
لازم است قبل از شروع فرآیند محاسبه و طراحی، تعدادی پارامتر به عنوان مقادیر اولیه و پیش فرض برای هدف طراحی در نظر گرفته شود. این پارامترها را می توان مقادیری چون سطح ولتاژ ورودی در دسترس، سطح ولتاژ خروجی هدف، مقدار جریان بار موردنیاز، درصد ریپل مشخصه های خروجی و … در نظر گرفت.
توجه می کنیم که اگر پارامترها به درستی انتخاب شود، می توان به خوبی بار موردنظر را تأمین کرد. در ادامه از ذکر جزئیات محاسبات صرفنظر می کنیم و مبدل موردنظر را در دو حالت یعنی اتصال به بار مقاومتی پیش فرض و سپس اتصال به باتری شبیه سازی و تحلیل خواهیم کرد.
فرآیند شبیه سازی
در این قسمت به شبیه سازی ساختار مبدل رزونانسی LLC سه فاز موردنظر در نرم افزار متلب / سیمولینک می پردازیم. ابتدا در خروجی مدار به طور ساده یک بار مقاومتی با اندازه 7.5 اهم قرار داده شده تا مشخصات خروجی بدست آمده بررسی شود. در صورت صحت و درستی نتایج، در مرحله بعد یک باتری 12 ولتی را به کمک مبدل دوطرفه به خروجی مبدل موردنظر متصل کرده و سپس مشخصات خروجی مدار مبدل و همچنین باتری را مجددا بررسی خواهیم کرد. پارامترهای اولیه در نظر گرفته شده بدین شرح هستند:
1.ولتاژ ورودی: 150 ولت
2. ولتاژ خروجی 15 ولت
3. جریان بار 2 آمپر
4. فرکانس کلیدزنی 130 کیلوهرتز
5.ریپل مشخصه ولتاژ: حدود 2 درصد
به کمک این اطلاعات و همچنین فرمول های در دسترس سایر پارامترهای مدار و همچنین مقادیر سلف و خازن فیلتر خروجی را محاسبه می کنیم. در ادامه نتایج مربوط به شبیه سازی ها ارائه شده است.
1.شبیه سازی در حالت اتصال به بار مقاومتی
در این مرحله مقاومت بار در خروجی مبدل قرار گرفته و ولتاژ 15 ولت و جریان 2 آمپر باید برای آن تأمین شود. در ادامه نتایج مهم شبیه سازی ارائه شده است.
شکل 6 ) مشخصه ولتاژ خروجی مبدل و جریان بار
همانطور که از شکل 6 مشخص است، مقدار متوسط ولتاژ خروجی 15 ولت و ریپل آن 5.4 درصد است. همچنین مقدار متوسط جریان بار 2 آمپر و ریپل مشخصه آن 5.3 درصد است.
شکل 7) جریان ورودی مدار مبدل از سمت منبع
در شکل 7 مشخصه جریانی که از سمت منبع تأمین کننده مبدل کشیده می شود، ارائه شده که با توجه به آن مقدار متوسط برابر با 0.82 آمپر است.
شکل 8) مشخصه ولتاژ و جریان کلید قدرت نمونه در قسمت اینورتری مبدل ( عملکرد ZVS )
در شکل 8 مشخصه ولتاژ و جریان کلید بالایی در ساق اول اینورتر تک فاز در فاز a مبدل نمایش داده شده است. عملکرد ZVS کلید قدرت به خوبی معلوم است.
شکل 9) مشخصه ولتاژ و جریان دیود قدرت بالایی در ساق اول یکسوساز خروجی (عملکرد ZCS)
در شکل 9 مشخصه ولتاژ و جریان دیود قدرت بالایی در ساق اول یکسوساز سه فاز مبدل نمایش داده شده است. عملکرد ZCS دیود قدرت مشخص و معلوم است.
2.شبیه سازی در حالت اتصال به باتری
در این مرحله یک باتری قابل شارژ در خروجی مبدل قرار گرفته که دارای ولتاژ نامی 12 ولت و ظرفیت 2.5 آمپر ساعت است. وضعیت شارژ باتری در مقدار 35 درصد قرار دارد و باید عملیات شارژ باتری توسط مبدل انجام شود. در ادامه نتایج مهم شبیه سازی ارائه شده است.
شکل 10) مشخصه ولتاژ خروجی مبدل و جریان کشیده شده از سمت مبدل دو طرفه
از شکل 10 مشخص است که ولتاژ خروجی مبدل در این حالت نیز در مقدار 15 ولت تثبیت می شود. دقت می کنیم که این ولتاژ به ورودی مبدل دو طرفه متصل است و طرف دیگر مبدل دو طرفه به باتری اتصال دارد. همچنین مشخصه جریان کشیده شده از سمت مبدل دو طرفه نیز در شکل 10 قابل مشاهده است.
شکل 11) مشخصه های باتری قابل شارژ، وضعیت شارژ، جریان باتری و ولتاژ باتری
در شکل 11 مشخصات باتری نمایش داده شده است. همانطور که مشخص است باتری شروع به شارژ می کند و شیب نمودار مثبت است. توجه می کنیم که برای مشاهده وضعیت کامل شارژ شدن (تا 100 درصد) باید شبیه سازی به مدت طولانی ران شود که در اینجا به علت محدودیت های نرم افزار متلب فقط شبیه سازی برای مدت زمان 0.05 ثانیه ران شده است. از مشخصه جریان باتری نیز مشاهده می شود که در نهایت در مقدار تقریبی 1 آمپر تثبیت می شود.
شکل 12) جریان ورودی مدار مبدل از سمت منبع
در شکل 12 مشخصه جریانی که از سمت منبع تأمین کننده مبدل کشیده می شود، ارائه شده که با توجه به آن مقدار متوسط برابر با 0.77 آمپر است.
شکل 13) مشخصه ولتاژ و جریان کلید قدرت نمونه در قسمت اینورتری مبدل (عملکرد ZVS)
در شکل 13 مشخصه ولتاژ و جریان کلید بالایی در ساق اول اینورتر تک فاز در فاز a مبدل نمایش داده شده است. در این شبیه سازی نیز عملکرد ZVS کلید قدرت به خوبی قابل مشاهده است.
شکل 14) مشخصه ولتاژ و جریان دیود قدرت بالایی در ساق اول یکسوساز خروجی (عملکرد ZCS)
در شکل 14 مشخصه ولتاژ و جریان دیود قدرت بالایی در ساق اول یکسوساز سه فاز مبدل نمایش داده شده است. در این شبیه سازی نیز عملکرد ZCS دیود قدرت مشخص و معلوم است.
نتیجه گیری:
با شبیه سازی مبدل رزونانسی LLC موردنظر و بررسی مشخصات عملکردی آن در متلب مشخص شد که مبدل موردنظر در هر دو حالت اتصال به بار مقاومتی و باتری می تواند به خوبی کار کند و نیازهای ولتاژ و جریان موردنظر را برآورده کند. همچنین از بررسی مشخصات کلیدها و دیودهای قدرت مشخص شد که مبدل در هر دو حالت تأمین بار خروجی می تواند عملکرد ZVS را برای کلید قدرت و ZCS را برای دیود قدرت فراهم کند.
——————————————————-
توجه: پروژه حاضر که در این صفحه توضیحات آن ارائه شد، شامل دو فایل شبیه سازی در نرم افزار متلب ورژن 2020 به همراه فایلهای کدنویسی شده برای رسم نمودارهای خروجی است که می توانید این فایلها را به همراه گزارش کار 22 صفحه ای مربوط به محاسبات طراحی مبدل و مشخصه های خروجی مهم شبیه سازی ها از لینک زیر خریداری کنید.
