شماره تلفن : 09307584802

خانه ژورنال دانشجویان ایران

Iranian Students Article House

توپولوژی های مبدل اصلاح ضريب توان تك مرحله ای تك فاز

Single-phase single-stage power-factor-corrected converter topologies

DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2004.841148

Feb. 2005

Abstract
Single-phase single-stage power-factor-corrected converter topologies are reviewed in this paper. The topologies discussed in the paper are related to ac-dc and ac-ac converters that are classified on the basis of the frequency of the input ac source, the presence of a dc-link capacitor, and the type of control used (resonant or pulsewidth modulation). The general operating principles and strengths and weaknesses of the converters, which the authors have investigated over the last decade, are discussed in detail, and their suitability in practical applications is stated. Considering practical design constraints, it is possible to effectively employ many single-stage converter topologies in a wide range of applications

Keywords: AC–AC converters, ac–dc converters, harmonic reduction, power-factor correction (PFC), power quality, single-stage converters, switch-mode power supplies

 

دانلود مقاله انگلیسی

 

توپولوژی های مبدل اصلاح ضريب توان تك مرحله ای تك فاز

 

چكيده:
در اين مقاله توپولوژيهاي مبدل اصلاح ضريب توان تك مرحله اي تك فاز مرور مي شود. توپولوژيهاي بحث شده در اين مقاله مربوط به مبدل هاي AC-DC و AC-AC مي باشند كه بر اساس فركانس خروجي منبع AC، حضور خازن لينك DC و نوع كنترل استفاده شده (رزونانسي يا مدولاسيون پهناي پالس) طبقه بندي مي شوند. اصول عملكرد كلي و نقاط قوت و ضعف مبدلها (کانورترها) كه نويسنگان در دهه گذشته بررسي كرده اند، به تفصيل بحث مي شود و مناسب بودن آنها در كاربردهاي عملي بيان مي شود. با توجه به محدوديتهاي طراحي عملي، ممكن است بطور مؤثري تعداد زيادي از توپولوژيهاي مبدل تك مرحله در رنج وسيعي از كاربردها بكارگيري شوند.
كلمات كليدی: مبدلهای AC-AC، مبدلهای AC-DC، كاهش هارمونيك، اصلاح ضريب توان (PFC)، كيفيت توان، مبدلهای تك مرحله، منابع تغذيه مد سوئيچی.
مقدمه:
بطور کلی وظیفه ادوات الکترونیک قدرت، تبدیل توان الکتریکی قابل دسترس از منبع تغذیه به بهترین شکل مناسب برای بارهای مصرف کنندگان می باشد. نوعی از مبدل توان بعنوان رابط بین منبع تغذیه و بار برای رسیدن به این هدف نیاز می باشد. منبع تغذیه ورودی برای تجهیزات کمتر از ۳KW، معمولاً منبع جریان متناوب (AC) تک فاز می باشد. مبدلها (کانورترها) ممکن است مبدل AC-DC یا AC-AC بستگی به نیاز بار با یا بدون ترانس ایزوله باشند.
در گذشته استفاده از یکسوکننده پل دیودی تک فاز ساده با فیلتر خروجی خازنی همچنانکه در شکل (۱) نشان داده شده است، به عنوان اولین سری مبدلها خیلی رایج بود.

شکل (۱): الف: یکسوساز پل دیودی تک فاز با فیلتر خروجی خازنی ب: شکل موج های ولتاژ خروجی، جریان خروجی و جریان ورودی پل دیودی

پل دیودی، ولتاژ ورودی AC را یکسو می کند و خازن، ولتاژ خروجی را برای ایجاد یک موج DC خالص صاف می کند. با این وجود جریان کشیده شده از منبع کمکی AC غیر سینوسی است، زیرا دیودهای پل، جریان را فقط هنگامی هدایت می کنند که ولتاژ ورودی یکسو شده مساوی یا بزرگتر از ولتاژ خازن DC باشد.
پل دیودی نشان داده شده در شکل (۱) به علت اینکه جریان غیر سینوسی از منبع می کشد ضریب توان ناچیزی دارد.
این جریان پیک خیلی بالایی دارد و شامل مؤلفه های هارمونیکی بزرگی است که به منبع تغذیه تزریق می شوند. اگر تعدادی زیادی از این مبدلها در صنایع استفاده شود هارمونیک های تزریق شده به منابع آنقدر زیاد است که نیاز است مقادیر ولتاژ و جریان نامی تجهیزات (مانند ترانسفورماتورها، خطوط انتقال و ژنراتورها) را افزایش داد و این هارمونیکها ولتاژ منبع را معوج می کنند. از آنجایی که یک منبع ولتاژ AC خیلی معوج شده می تواند به تجهیزات الکتریکی حساس (حساس به ولتاژ) آسیب وارد کند، سازمانهای نظارتی (آژانسهاي نظارتي) در سراسر جهان استانداردهایی را برای محتوای هارمونیکی جریان تولید شده بوسیله تجهیزات برقرار کرده اند مانند EN61000-3-2 ]1[.
افزایش قابل توجه استفاده از تجهیزات الکتریکی در سالهای اخیر به علت افزایش تقاضای مصرف کنندگان، استفاده غیر مؤثر و ناکارآمدی از توان کمتر از حد قابل قبول نسبت به گذشته ایجاد کرده است.
استاندارهای سازمانهای نظارتی برای محتوای هارمونیکی، باعث معروف شدن یکسو کننده های پل دیودی ساده همانند کانورترهای جلو-انتهایی در عملکرد تجهیزات الکتریکی منابع AC شده است. علاوه بر این سازندگان تجهیزات الکتریکی مجبور به بهبود یا اصلاح ضریب توان ورودی تولیدات تغذیه شونده بوسیله منابع AC می باشند.
رایجترین روش برای اصلاح ضریب توان (PFC) در کانورترهای AC-DC جلو-انتهایی، استفاده از کانورترهای بوست AC-DC با مدولاسیون پهنای پالس (PWM) می باشد که در شکل (۲) نشان داده شده است و شکل موج های جریان ورودی نوعی آن در شکل (۳) نشان داده شده است.

شکل (۲): مبدل بوست PWM، AC-DC

شکل (۳): شکل موجهای جریا ن ورودی مبدل اصلاح ضریب توان (PFC) بوست AC-DC

الف: جریان ناپیوسته ب: جریان پیوسته
مبدل می تواند شکل موج های جریان ورودی که یا پیوسته و سینوسی همراه با مقداری رایپل می باشد و یا ناپیوسته و محدود به سینوسی با رایپل بیشتر تولید کند. جریان در هر دو مورد بطور مؤثری سینوسی است.
اگرچه ضریب توان ورودی عالی می تواند بوسیله استفاده از مبدل بوست PWM AC-DC همانند مبدل جلو-انتهایی در همه مبدل های AC-DC یا AC-AC دو مرحله ای بدست آید، ولي اگر از یکسوکننده پل دیودی بجای آن استفاده شود مبدل گرانتر و پیچیده تر می شود. این بدین دلیل است که دو مرحله مبدل سوئیچ زنی مجزا در نیاز به یک کنترلر مجزا وجود دارد.
محققان الکترونیک قدرت جهت کاهش هزینه و پیچیدگی مبدلهايي كه با ضریب توان بهتری نسبت به مبدل های با یکسوساز پل دیودی AC-DC جلو- انتهایی كار مي كنند، مبدلهایی را که ترکیبی از توابع تبدیل توان و اصلاح ضریب توان در یک مبدل تکی می باشند پیشنهاد کرده اند.
تبدیل توان یک مرحله ای یک موضوعی است که جلب توجه محققان الکترونیک قدرت در سالهای اخیر شده است و مبدلهای زیادی پیشنهاد شده اند. این مبدل ها بطور کلی بر طبق دیاگرام نشان داده شده در شکل (۴) دسته بندی می شوند.

شکل (۴): دسته بندی مبدلهای تک مرحله ای

دراین مقاله تعدادی از مبدلهای تک مرحله ای بر طبق این دسته بندی مرور می شوند.
مباحث مربوط به هر نوع مبدل بحث می شود و روشهای گوناگونی برای اصلاح ضریب توان (PFC) بررسی می شود. نقطه تمرکز مقاله بر روی مبدلهای تک مرحله ایی خواهد بود که نویسندگان در دهه گذشته بررسی کرده اند. نکات کلیدی در انتهای مقاله خلاصه شده است.
۲- عملکرد مبدلهای با منبع AC فرکانس پایین و بدون خازن لینک DC
یک منبع AC می تواند ولتاژ AC با فرکانس کم مانند ولتاژ با فرکانس استاندارد ۶۰/۵۰HZ یا یک ولتاژ با فرکانس بالا مانند ۱۰۰KHZ تولید کند. در هر دو مورد، مؤثرترین استفاده از توان هنگامی رخ می دهد که جریان جاری شده از منبع، سینوسی و هم فاز با ولتاژ منبع باشد.
با توجه به ماهیت دو نوع منبع، تکنیکهایی که برای یک نوع منبع مناسب هستند برای نوع دیگر مناسب نیستند.
برطبق دسته بندی دیاگرام نشان داده شده در شکل (۴)، عملکرد مبدلهای تک فاز با منبع فرکانس پایین می توانند به دو نوع تقسیم شوند- مبدلهای بدون یا با خازن خیلی کوچک لینک dc و مبدلهای با خازن لینک dc بزرگ. مبدلهای نوع اول معمولاً یکسوساز پل دیودی جلو-انتهایی دارند که به طور مستقیم از ورودی مبدل تغذیه می شوند، اما یکسوساز دیودی، فیلتر خروجی خازنی بزرگ ندارد. از آنجاییکه این خازن وجود ندارد جریان می تواند در تمام سیکل خط از منبع ورودی به مبدل جاری شود بجای محدود به جاری شدن فقط طی بخش محدود شده سیکل هنگامی که ولتاژ ورودی بزرگتر از ولتاژ خازن می باشد همانند مبدل نشان داده شده در شکل (۱).
بدون خازن بزرگ واقع شده در خروجی پل دیودی، مبدل تکی می تواند طوري ساخته شود كه ضریب توان ورودی عالی بدست آيد.
علاوه بر این حضور خازن بزرگ لینک dc همچنین اندازه و وزن مبدل را کاهش می دهد.
در این بخش از مقاله، سه نوع از مبدلهای تک مرحله ای بدون خازن لینک DC بررسی می شوند- مبدلهای AC-DC رزونانسی، مبدلهای AC-DC PWM و مبدلهای AC-AC که شکل موج AC فرکانس پایین تولید می کند. برای هر نوع مبدل، مباحث کلیدی مربوط به عملکرد مبدل بحث می شوند و نمونه ای از مبدلها ارائه می شود.
A- مبدلهای AC-DC
۱)مبدلهای رزونانسی: یک مبدل باید یک جریان سینوسی از منبع بکشد که این جریان هم فاز با ولتاژ AC ورودی می باشد اگر در ضریب توان واحد (یک) کار کند. جریان مبدل باید برای بار سنگین نزدیک پیک خط ورودی و برای بار سبک نزدیک صفر باشد. مبدلهای رزونانسی موازی و سری- موازی همانند یکی از آنها که در مرجع ]۲[ پیشنهاد شده و در شکل (۵) نیز نشان داده شده است می توانند در ضریب توان ورودی بالا و ولتاژ خروجی ثابت کار کنند، زیرا آنها می توانند برای داشتن بهره ولتاژ بالا تحت شرایط بار سبک و بهره کم در بار کامل ایجاد شوند.

شکل (۵): مبدل رزونانسی موازی AC-DC تک مرحله ای

بهره (گین) ولتاژ بستگی به نسبت بین فرکانس سوئیچ زنی و فرکانس رزونانس دارد. در مرجع ]۲[ توضیح داده شده که می توان برای ایجاد مبدل رزونانسی با ضریب توان ورودی واحد، فرکانس سوئیچ زنی را در طول سیکل خط ورودی تنظیم کرد. علاوه بر این، اگر مبدلهای رزونانسی موازی و سری-موازی برای کار در فرکانس سوئیچ زنی بالاتر از فرکانس رزونانس ساخته شده باشند، می توانند در سوئیچ زنی ولتاژ صفر (ZVS) کار کنند. این باعث می شود که جریان اولیه ترانس نسبت به ولتاژ اولیه پیش فاز باشد بطوریکه هنگامی که یک سوئیچ مبدل خاموش می شود جریانی که از این سوئیچ جاری می شد مجبور به جاری شدن از دیود سوئیچ دیگر در همان ساق می شود بطوریکه سوئیچ می تواند با سوئیچ زنی ولتاژ صفر (ZVS) روشن شود. باید توجه داشت که خازن لینک DC نشان داده شده در شکل (۵) بمنظور فیلتر کردن نویز فرکانس سوئیچ زنی بالا، یک خازن خیلی کوچک می باشد.
معایب عمده عملکرد مبدلهای AC-DC موازی و سری-موازی روش توضیح شده در بالا این است که اگر کنترل فعال جریان ورودی وجود نداشته باشد اعوجاج هارمونیکی کل (THD) جریان ورودی خیلی بالاست(نوعاً ۳۰% در بار کامل). اگر چنین کنترلی استفاده شود، آنگاه پیاده سازی کنترل جریان ورودی که می تواند بطور مؤثری جریان مبدل را کنترل و مانیتور کند نیاز به یک سنسور جریان و یک مالتی پلیر (ضرب کننده) دارد که پیچیدگی مبدل را بطور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد. یک تکنیک کنترلی نسبتاً ساده برای مبدلهای رزونانسی که می تواند عملکرد مبدل با سوئیچ زنی ولتاژ صفر (ZVS) را تحت همه شرایط تضمین و برآورده کند و مبدل نزدیک به ضریب توان واحد کار کند در مرجع ]۳[ پیشنهاد شده است.
مدار قدرت و بلوک دیاگرام کنترل مبدل رزونانسی سری-موازی که می تواند با این تکنیک پیاده سازی شود در شکل (۶) نشان داده شده است.

شکل (۶): مبدل رزونانسی AC-DC یک مرحله ای

یک فیلتر کوچک پایین گذر (Lin , Cin) در باس dc برای تضعیف کردن هارمونیکهای فرکانس بالای تولید شده توسط اینورتر استفاده شده است. اینورتر یک شکل موج AC فرکانس بالا Vab تولید می کند که به مدار رزونانس تشکیل شده توسط CS، LS و CP اعمال می شود. هنگام عملکرد در بالای فرکانس رزونانس، جریان اولیه ترانسفورماتور is نسبت به ولتاژ Vab پیشفاز می شود. به عنوان یک نتیجه، جریان، قطبيت مورد نیاز برای بازنشاني خازنهای اسنابر و تأمین عملکرد با ZVS را دارد.
در سمت خروجی، یک یکسوساز دیودی، شکل موج AC فرکانس بالا را از طریق خازن رزونانس موازی تبدیل به ولتاژ یکسو می کند. فیلتر خروجی تشکیل شده توسط CO و LO هر دو رایپل فرکانس بالای تولید شده توسط یکسوساز خروجی و رایپل فرکانس پایین ناشی از ماهیت نوسانی توان جذب شده توسط مبدل از خط AC ورودی را تضعیف می کند. مدار کنترل از یک مدار نوسان خود پایدار (SOC)، یک محدود کننده جریان و یک کنترل کننده ولتاژ خروجی تشکیل شده است. بعلاوه، مدار کنترل از ولتاژ لینک DC ورودی برای کاهش THD جریان ورودی استفاده می کند. SOC که به تفصیل در مرجع ]۳[ توضیح داده شده است، سیگنالهای گیت برای اینورتر را تولید می کند و عملکرد آن را با ZVS تضمین و برآورده می کند. ورودی SOC زاویه کنترلی ɤ می باشد که توسط سه پارامتر زیر تعریف می شود:
۱) ولتاژ خروجی Vca2 کنترلر G2(S) که برای تنظیم ولتاژ خروجی VO در طی شرایط نرمال استفاده می شود.
۲) ولتاژ خروجی Vca1 کنترلر جریان رزونانس G1(S) که برای محدود کردن is طی شرایط اتصال کوتاه، اضافه بار و راه اندازی استفاده می شود.
۳) ولتاژ Vm,ca که برای بهبود ضریب توان ورودی و کاهش THD جریان ورودی Iin استفاده می شود.
به عنوان یک نتیجه، طرح پیشنهادی باعث می شود که مبدل در یک ولتاژ خروجی ثابت با جریان محدود مدار رزونانسی و THD کم جریان ورودی کار کند.
نتایج آزمایشی بدست آمده از یک مبدل با ولتاژ مؤثر ورودی ۲۲۰V و ولتاژ خروجی ۱۰۰V DC و توان ۵۰۰W با حداقل فرکانس سوئیچ زنی ۱۰۰KH در مرجع ]۳[ ارائه شده است و نشان داده شده است که مبدل می تواند در نزدیکی ضریب توان واحد و راندمان ماکزیمم در حدود ۹۱ % در بار کامل برای بارهای در رنج ۱۵ % تا بار کامل کار کند.
خروجی این مبدلها رایپل بزرگ جریان فرکانس پایین دارد و به فیلترهای بزرگی نیاز دارد، زیرا خازن در لینک DC وجود ندارد و یا خازن خیلی کوچکی وجود دارد. این نوع از مبدلها برای سیستمهای UPS AC نوع آنلاین مناسب هستند، زیرا نیاز به حذف رایپل فرکانس پایین خروجی DC نمی باشد، چون این ولتاژ تبدیل به ولتاژ AC فرکانس پایین در خروجی UPS می شود.
۲) مبدلهای PWM: اگرچه مبدلهای رزونانسی تک مرحله ای می توانند در سوئیچ زنی ولتاژ صفر (ZVS) کار کنند، ولی تنشهای ولتاژ و یا جریان وارده بر سوئیچ آنها زیاد می باشد و نیاز به عملکرد با کنترل فرکانس سوئیچ زنی قابل تغییر دارند. پیچیدگیهای مغناطسیی مبدلها و فیلترها، رنج عملکرد مبدل را محدود می کند و سنکرون کردن عملکرد یک مبدل با مبدل دیگر را پیچیده می کند. بنابراین مبدلهای رزونانسی برای بعضی از کاربردهای محدود مناسب هستند و بهره برداری از مبدلهای با کنترل PWM و فرکانس سوئیچ زنی ثابت بهتر می باشد.
مبدل تمام پل PWM تک مرحله ای AC-DC مبنا و ابتدائی همراه با یک خازن لینک DC بزرگ در شکل (۷) نشان داده شده است.

شکل (۷): مبدل تمام پل PWM ac-dc تک مرحله ای پایه با خازن بزرگ لینک dc

سایر مبدلهای این نوع، گونه ای از این مبدل با یک مدار اضافی جهت بهبود عملکرد می باشند. این مبدل بصورت زیر عمل می کند:
اگر یک جفت سوئیچ متضاد متقابل هم (S1 و S4) و یا (S2 و S3) روشن باشند، آنگاه جریان جاری شده از طریق سلف ورودی Lin همچنانکه انرژی از طرف اولیه مبدل به خروجی منتقل می شود کاهش می یابد. اگر باس DC اتصال کوتاه شده باشد، با روشن شدن کل سوئیچ های مبدل یا حداقل دو سوئیچ در یک ساق در یک زمان جریان سلف ورودی افزایش می یابد همچنانکه ولتاژ کامل ورودی در دو سر سلف Lin واقع می شود و هیچ انتقال انرژی ای به بار رخ نمی دهد.
عملکرد این مبدل همانند مبدل بوست PWM AC-DC تک سوئیچه مرسوم بررسی می شود، زیرا هر دو مبدل دو مد عملکرد کلیدی یکسانی دارند- یک مد این است که باس DC اتصال کوتاه شود و مد دیگر این است که باس DC اتصال کوتاه نشده باشد و انرژی از ورودی به بار منتقل شود.
جریان ورودی می تواند بطور کاملاً ناپیوسته ایجاد شود و به سینوسی محدود شود یا می تواند بطور کاملاً پیوسته و تقریباً سینوسی خالص مشابه جریان ورودی مبدل بوست PWM ایجاد شود. علاوه براین تکنیکهای خیلی مشابه سوئیچ زنی نرم می تواند برای کمک به عملکرد سوئیچهای مبدل با سوئیچ زنی ولتاژ صفر (ZVS) استفاده شود که باعث بهبودهای مشابهی در راندمان می شوند. استفاده از سوئیچ زنی نرم در مبدل تمام پل PWM تک مرحله ای با یک خازن بزرگ لینک DC که در مرجع ]۴[ ارائه شده است، در شکل (۸) نشان داده شده است.

شکل (۸): مبدل تمام پل PWM AC-DC تک مرحله ای جریانی ZVS با خازن لینک DC بزرگ

این مبدل یک مدار کمکی دارد که در دو سر لینک DC واقع شده است و به عملکرد سوئیچ های مبدل تمام پل با ZVS کمک می کند. مدار کمکی قبل از اینکه سوئیچ های مبدل روشن شوند برای اتصال کوتاه کردن باس DC فعال می شوند و جریان از طریق دیودهای هر چهار سوئیچ جاری می شود بطوریکه سوئیچها می توانند با سوئیچ زنی ولتاژ صفر (ZVS) روشن شوند.
اگرچه مبدلهای تمام پل PWM تک مرحله ای AC-DC که خارن بزرگ لینک DC ندارند می توانند در ضریب توان ورودی نزدیک به یک کار کنند، ولی یک اشکال جدی دارند که کاربرد آنها را محدود می سازد. در حقیقت اضافه جهش ولتاژ و احاطه شدن بر روی ولتاژ لینک DC می تواند موجب اثر متقابل اندوکتانس نشتی ترانسفورماتور ایزوله و خازنهای خروجی سوئیچ تمام پل گردد. اضافه جهشهای ولتاژ می تواند بینهایت شدید باشد بویژه وقتیکه دو سوئیچ خاموش باشند. نوعی از کلمپ ولتاژ باید در دو سر ولتاژ باس DC در طرف اولیه جهت کاهش آنها قرار گیرد. کلمپ می تواند یک کلمپ مقاومتی-خازنی-دیودی ساده (RCD) و یا یک کلمپ پیچیده متمرکز باشد. مباحث مربوط به اضافه جهش ها معمولاً حداکثر توان مبدلهای تمام پل PWM تک مرحله ای AC-DC که خازن بزرگی در لینک DC ندارند را به ۲-۱KW محدود می کنند.
همچنانکه در مورد مبدلهای رزونانسی در بخش ۲-A-1 بحث شد، خروجی این مبدلها یک رایپل بزرگ جریانی فرکانس پایینی را حمل می کنند و نیاز به فیلترهای بزرگی دارند. بنابراین آنها برای سیستمهای UPS آنلاین (همیشه در مدار) و یا سیستمهای مخابراتی آفلاین بدون باتری که ولتاژ ورودی AC را به ولتاژ خروجی ۴۸ DC V برای مبدلهای پایین دستی تبدیل می کنند مناسب هستند.
B : مبدلهای AC-AC با خروجی فرکانس پایین
مبدلهای توان AC-AC تک فاز برای تغذیه شبکه های هایبرید با کابلهای کواکسیکال/ فیبر نوری استفاده می شوند و نیاز است که مختص شکل موجهای با شکل ذوزنقه ای فرکانس پایین تولید شوند. این مبدلها نوعاً مبدلهای دو مرحله ای شامل مبدل بوست PWM AC-DC برای اصلاح ضریب توان (PFC) و یک اینورتر DC-AC می باشند. استفاده از فقط یک مرحله مبدل برای دستیابی به ضریب توان نزدیک به یک در مبدلهای AC-AC برای شبکه های هایبرید کابل کواکسیال/فیبر نوری امکان پذیر است. یکی از نخستین روشها برای اجرای این پیشنهاد در مرجع ]۵[ پیشنهاد شده است و در شکل (۹) نیز نشان داده شده است.

شکل (۹): منبع تغذیه AC ذوزنقه ای تک فاز با ضریب توان نزدیک به واحد با حداقل خازن باس DC ; کنترل PWM با انتگرال ولتاژ خروجی مبتنی بر حامل مثلثی

یک شاخه RL بصورت سری با منبع ورودی برای نمایش امپدانس منبع متصل می شود و یک فیلتر LC مرتبه دوم در خروجی اینورتر برای فیلتر کردن هارمونیکهای فرکانس بالا استفاده می شود. برای فیلتر کردن نویز فرکانس بالا، یک خازن کوچک در لینک DC قرار می گیرد.
تکنیک کنترلی نشان داده شده در شکل (۹) یک تکنیک کنترلی انتگرال ولتاژ می باشد که از شکل موج ولتاژ- زمان خطا که اختلاف بین شکل موج خروجی اینورتر و مرجع می باشد انتگرال می گیرد. مرجع ذوزنقه ای شکل بوسیله عبور از یک ولتاژ سینوسی همفاز با موج AC از طریق یک محدود کننده تولید می شود. شکل موج انتگرال خطا یک شکل موج مدوله کننده می باشد که سپس برای تولید سیگنالهای گیت PWM مناسب برای چهار سوئیچ اینورتر با یک شکل موج مثلثی مقایسه می شود. خروجی AC با رایپل DC سنکرون می شود بطوریکه شکل موج ولتاژ ذوزنقه ای AC خروجی اینورتر با کمترین نقطه باس DC متناظر است. این کار برای استفاده بهتر از ولتاژ باس DC و برای جلوگیری از اثرات سوء نوسانات ولتاژ DC ناشی از حضور خازن کوچک در باس DC انجام می شود.
مزیتهای عمده این تکنیک کنترلی این است که حلقه کنترلی، پاسخ سریع دارد، زیرا ولتاژ را بجای اینکه از بار اندازه گیری کند، بعد از اینورتر اندازه گیری می کند. همچنین حلقه به آسانی بر اساس محدودیتهای لغزش شکل موج مدولاسیون در مقابل شکل موج حامل طراحی می شود. بهبود و اصلاحیه ای برای تکنیک کنترلی در مرجع (۶) پیشنهاد شده و در شکل (۱۰) نیز نشان داده شده است.

شکل (۱۰): منبع تغذیه AC ذوزنقه ای تک فاز با ضریب توان نزدیک به واحد با حداقل خازن باس DC ; کنترل PWM انتگرالی با بازنشانی یک سیکله

این تکنیک، یک تکنیک کنترلی انتگرالی با بازنشانی می باشد (همچنین به کنترل یک سیکله معروف است) که مقدار متوسط قابل تغییر سوئیچ را در یک سیکل به مقدار مرجع می برد. این تکنیک، اغتشاشات منبع تغذیه را حذف می کند و اگر ولتاژ باس DC در خروجی اینورتر اندازه گیری شود زمان تأخیر سوئیچ زنی را اصلاح می کند.
در مرجع ]۶[ عملکرد تکنیک کنترلی انتگرالی با بازنشانی، بطور تجربی با تکنیک کنترلی انتگرالی ولتاژ و تکیک کنترلی مبتنی بر هیسترزیس با فرکانس سوئیچ زنی متغیر مقایسه می شود. مقایسه هر سه تکنیک در منبع تغذیه با مقدار مؤثر ورودی ۱۲۰V، فرکانس ۶۰HZ و خروجی ذوزنقه ای شکل با مقدار مؤثر ۹۰V، فرکانس ۶۰HZ و ۲A و فرکانس سوئیچ زنی ۴۰KHZ و خازن باس DC 10μF انجام می شود. ضریب توان ورودی در بار نامی برای هر سه تکنیک بزرگتر از ۹/۰ می باشد و با کاهش بار ضریب توان نیز کاهش می یابد و در اینجا برای تکنیک های مختلف، اختلافات کمی در ضریب توان وجود دارد، اما تکنیک کنترلی انتگرالی با بازنشانی عملکرد بهتری را نتیجه می دهد. از آنجاییکه هر سه تکنیک در مبدلهای AC-AC که شامل مبدل تک سوئچینگ می باشد پیاده سازی شدند، راندمان مبدل در هر سه حالت برای بارهای بیشتر از ۵۰% بار نامی، بالاتر از ۹۰% باقی می ماند. در مرجع ]۶[ مهمترین فاکتور در مبدل AC-AC برای شبکه های هایبرید، خازن باس DC می باشد. تأثیر مقدار آن بر ضریب توان و THD جریان ورودی بررسی شده است و نشان داده شده است که همچنانکه مقدار خازن افزایش می یابد ضریب توان کاهش می یابد( ضریب توان برای خازن ۴۰۰ μF کمتر از ۶/۰ می شود( و مطابق آن THD افزایش می یابد. قابلیت و توانایی مبدل با عملکرد با پاسخ خیلی سریع در مرجع ]۷[ تأیید شده است که به عنوان بخشی از سیستم UPS استفاده می شود. نتایج تجربی و آزمایشی، قابلیت سیستم UPS را برای انتقال توان بطور یکنواخت و هموار از منبع به باتری تأیید می کنند و در مقابل، همه شرایط گذرا در مرجع ]۷[ ارائه شده است و برای جزئیات بیشتر، خواننده به این مقاله ارجاع داده می شود.
۳- عملکرد مبدلهای با منبع AC فرکانس پایین و با خازن لینک DC:
مبدلهای تک مرحله ای که خازن بزرگی در لینک DC ندارند خیلی جالب می باشند، زیرا ضریب توان ورودی خیلی بالایی دارند. با این وجود این مبدلها در همه نمی توانند استفاده شوند، زیرا آها معایب زیر را دارند:
۱) ولتاژ خروجی پل دیودی، سینوسی یکسو شده می باشد که یک ولتاژ DC با مؤلفه بزرگ AC فرکانس پایین می باشد. اگر منبع ورودی یک فرکانس خط ۶۰HZ دارد، آنگاه این مؤلفه AC یک فرکانس ۱۲۰HZ دارد. در مورد مبدلهای AC-DC، این مؤلفه در خروجی مبدل ظاهر می شود مگر اینکه با استفاده از یک فیلتر خروجی بزرگی فیلتر شود. نیاز به چنین فیلتری یکی از معایب آن می باشد، زیرا اندازه و وزن آن بزرگ می شود و همچنین قابلیت مبدل نسبت به پاسخ دهی به تغییرات خط و شرایط بار کاهش می یابد. وجود مؤلفه بزرگ ۱۲۰HZ در خروجی، استفاده از مبدلهای بدون خازن لینک DC را در کاربردهایی مانند سیستم های UPS آنلاین محدود می کند.
مشکل است که این مبدلها با هر دو روش سوئیچ زنی ولتاژ صفر (ZVS) و فرکانس سوئیچ زنی ثابت کار کنند. همچنانکه در بحث قبل بحث شد مبدلهای AC-DC رزونانسی می توانند به عملکرد با ZVS دست یابند، اما باید با فرکانس سوئیچ زنی متغییر و تنشهای سوئیچ زنی بالاتر کار کنند. مبدلهای AC-DC PWM یک اضافه جهش (فراجهش) ولتاژ ناشی از اثر متقابل اندوکتانس نشتی ترانس دارند که نیاز به یک مدار کلمپ مانند اسنابرهای پراکنده یا مدار کلمپ پیچیده غیر پراکنده دارند.
اگر یک خازن بزرگ در لینک DC مبدلهای تک مرحله ای بعد از خروجی پل دیودی و قبل از مبدل، قرار داده شود، این اشکالات می تواند رفع شود.
در این بخش مقاله سه نوع از مبدلهای تک مرحله ای با خازن لینک DC بررسی می شوند- مبدلهای AC-DC PWM توان پایین، مبدلهای AC-DC تمام پل PWM و مبدلهای AC-AC که یک شکل موج AC فرکانس بالا تولید می کنند. برای هر نوع مبدل، مباحث کلیدی مربوط به عملکرد مبدل بحث می شوند و نمونه ای از مبدلها ارائه می شود.
A : مبدلهای AC-DC
۱) مبدلهای AC-DC PWM توان پایین: یکی از مبدلهای تک مرحله ای خیلی ابتدایی با خازن لینک DC که در مرجع ]۸[ پیشنهاد شده، در شکل (۱۱) نشان داده شده است.

شکل (۱۱): مبدل فوروارد AC-DC تک سوئیچه تک مرحله ای با سیم پیچ ترانسفورماتور پیشنهاد شده در مرجع ]۸[ (سیم پیچ مغناطیس زدا نشان داده نشده است)

از شکل دیده می شود که سلف ورودی این مبدل به سوئیچ مبدل فوروارد متصل می شود. هنگامی که سوئیچ روشن است جریان سلف ورودی افزایش می یابد و انتقال انرژی از خازن Cb لینک DC به خروجی انجام می شود. هنگامی که سوئیچ خاموش است این جریان کاهش می یابد و جریان خروجی از طریق دیود D2 جاری می شود. با طراحی مناسب سلف ورودی بطوریکه جریان ورودی همیشه ناپیوسته و گسسته باشد، شکل موج جریان ورودی مبدل مشابه شکل(۳) می باشد در حالیکه بطور همزمان ولتاژ خروجی با نسبت وظیفه ثابتی تنظیم می شود.
یک ویژگی اصلی مبدلهای تک مرحله ای مانند مبدل شکل (۱۱)، کنترل ولتاژ لینک DC وجود ندارد، زیرا مبدل مجزایی همانند مبدلهای دو مرحله ای وجود ندارد که بتوان آن را کنترل کرد. این ولتاژ بستگی به تعادل و موازنه انرژی برقرار شده بین انرژی جاری شده به خازن از طریق سلف ورودی و انرژی خارج شده از خازن و انتقال آن به خروجی دارد. اگر مبدل در شرایط حالت پایدار کار کند باید انرژی خالص منتقل شده به خازن لینک DC و خارج شده از آن در یک نیم سیکل خط صفر باشد. عدم وجود کنترلر مستقل برای تنظیم ولتاژ باس DC رقابتهایی را برای طراحی آنها ارائه می دهد. هنگامی که این مبدلها برای کار در یک ولتاژ جهانی (۹۰-۲۶۵V) طراحی می شوند چندین معیار کلیدی و مهم برای بررسی وجود دارد. یکی از این معیارها، ولتاژ لینک DC طرف اولیه می باشد که وقتی بار خروجی خیلی کم باشد، این ولتاژ می تواند خیلی بالا باشد (مثلاً بزرگتر از ۷۰۰V). برای حداقل کردن تنشهای ولتاژ به سوئیچ مبدلها و اندازه خازن لینک DC، این ولتاژ باید کمتر از حد قابل قبول معمول ۴۵۰V DC باشد. معیار دیگر، جریان ورودی است، که باید محتوای هارمونیکی رضایت بخشی با توجه به مقادیر ارائه شده از سوی سازمانهای نظارتی داشته باشد. کار بهبود ضریب توان ورودی در مبدلهای AC-DC که خازن بزرگ لینک DC دارند مشکلتر از کار بهبود ضریب توان ورودی در مبدلهایی که این خازن را ندارند است. معیار سوم، رایپل جریان خروجی است، که باید تا حد ممکن برای محدود کردن مقدار خازن فیلتر مورد نیاز در خروجی کوچک باشد. مقدار خازن فیلترینگ مورد نیاز در خروجی، خیلی کمتر از مقدار خازن فیلترینگ مورد نیاز در خروجی برای مبدلهای AC-DC بدون خازن لینک DC می باشد، زیرا در اینجا مؤلفه AC بزرگ فرکانس پایین (۱۲۰HZ) وجود ندارد، اما فقط مؤلفه های فرکانس سوئیچ زنی بالا می باشند. مبدل تک مرحله ای می تواند در هر یک از چندین ترکیب ممکن مدهای عملکرد، کار کند. بخش خروجی مبدل می تواند در مد هدایت گسسته (DCM) یا مد هدایت پیوسته (CCM) یا مد هدایت نیمه پیوسته (SCM) که ترکیبی از DCM و CCM می باشد، کار کند. مثالی از جریان ورودی در مد ترکیبی SCM در شکل (۱۲) نشان داده شده است.

شکل (۱۲): شکل موج جریان و ولتاژ ورودی نوعی یک مبدل AC-DC تک مرحله ای با عملکرد بخش ورودی مبدل در مد SCM

اگر چه شکل موج SCM غیرسینوسی است، ولی ممکن است مبدل یک مرحله ایی طراحی شود که با شکل موج جریان ورودی SCM کار کند که بتواند مطابق با استانداردهای تنظیم شده برای تجهیزات الکتریکی از سوی سازمانهای نظارتی باشد. هر مد عملکرد مبدل تک مرحله ای با ملاحظه سه معیار مهم و کلیدی طراحی ولتاژ باس DC، جریان ورودی و رایپل خروجی مزایا و معایبی دارد. مبدل می تواند برای کار در شکل موج جریان ورودی کاملاً سینوسی و پیوسته با استفاده از ردیابی جریان ورودی و تنظیم مناسب سیکل کاری مبدل از طریق سیکل خط ورودی، ساخته شود. با این حال، انجام این کار توصیه نمی شود، زیرا مبدل در این حالت همانند مبدل بدون خازن لینک DC، یک مؤلفه فرکانس پایین در خروجیش DC دارد. بنابراین مبدلهای AC-DC معمولاً برای کار با نسبت وظیفه ثابت و با جریان ورودی DCM یا SCM ساخته می شوند. مشخصات حالت پایدار زیر باید در هنگام طراحی یک مبدل AC-DC تک مرحله ای ملاحظه شود:
۱) عملکرد یک مبدل با DCM ورودی موجب ضریب توان عالی ای می شود ولی ولتاژ باس DC ممکن است خیلی زیاد شود. عملکرد یک مبدل با SCM ورودی موجب ولتاژ باس DC کمتر و ضریب توان پایین تر می شود.
۲) عملکرد یک مبدل با CCM خروجی موجب ولتاژ باس DC خیلی زیاد می شود. عملکرد یک مبدل با DCM خروجی موجب کاهش ولتاژ باس DC می شود ولی تنشهای جریان در تجهیزات مبدل، تلفات سوئیچ و نویز ناشی از تداخل الکترومغناطیسی افزایش می یابد.
۳) هنگامی که هر دو بخش ورودی و خروجی مبدل در مد DCM کار می کنند، یا هنگامی که خروجی به تنهایی در مد CCM می باشد، ولتاژ باس DC مستقل از بار می باشد. برای هر ترکیب دیگری از مدهای عملکرد ورودی و خروجی، ولتاژ باس DC وابسته به بار می باشد.
توضیح مفصل اینکه چرا این مشخصات در مبدلهای تک مرحله ای AC-DC که خازن بزرگی در لینک DC دارند وجود دارد در مرجع ]۹[ دیده می شود. در مرجع ]۸[ پیشنهاد شده است که هر دو بخش ورودی و خروجی مبدل نشان داده شده در شکل (۱۱) طوری عمل می کنند که جریان در هر بخش در مد DCM باشد. عملکرد مبدل با این ترکیب مدهای هدایت جریان، سوئیچ را از داشتن تنش ولتاژ پیک بالا در ولتاژ ورودی بالا و بار سبک حفظ می کند، در حالیکه ضریب توان ورودی در مقدار بسیار خوب حفظ می شود. هنگامی که مقدار جریان خروجی بالاست به علت پیک خیلی بالای جریان، خروجی DCM کمتر قابل قبول است. از آنجاییکه هدف از عملکرد مبدل با خروجی DCM، کاهش ولتاژ باس DC می باشد، محققان الکترونیک قدرت درصدد پیدا کردن راههای انجام آن می باشند که در عین حال با جریان خروجی با رایپل کمتر کار کنند.
در حال حاضر، برای کاهش بیشتر تنشهای ولتاژ سوئیچ، استفاده از سیم پیچ کمکی در ترانسفورماتور مبدل اصلی رایج است. یکی از نخستین مبدلهایی که این روش در آن انجام شده است و در مرجع ]۱۰[ پیشنهاد شده است در شکل (۱۳) نشان داده شده است.

شکل (۱۳): مبدل فوروارد AC-DC تک سوئیچه تک فاز با سیم پیچ ترانسفورماتور، پیشنهاد شده در مرجع ]۱۰[

این مبدل بصورت زیر کار می کند:
هنگامی که سوئیچ S1 روشن می شود، توان از خازن باس DC به طرف ثانویه منتقل می شود، اگر نسبت دور بین سیم پیچ های اولیه و کمکی یک باشد، آنگاه یک ولتاژ به اندازه تقریباً ولتاژ کامل ورودی به دو سر سلف ورودی اعمال می شود که باعث می شود جریان سلف افزایش یابد. هنگامی که S1 خاموش می شود، توان تحویلی به بار متوقف می شود و جریان سلف ورودی، دیود D3 و دو دیود ورودی دیودهای یکسوکننده پل دیودی را مجبور به هدایت می کند. یک ولتاژ منفی خالص در دو سر سلف ورودی ظاهر می شود که جریان را به صفر کاهش می دهد. از آنجاییکه هیچ توانی به بار تحویل داده نمی شود، جریان سلف، خازن باس DC را شارژ می کند.
این مبدل از کنترل فرکانس سوئیچ زنی متغیر برای کاهش بیشتر ولتاژ خازن باس DC استفاده می کند هنگامی که مبدل با یک ولتاژ ورودی بالا کار می کند. با این وجود، امروزه مبدلهای تک مرحله ای می توانند با کنترل PWM فرکانس ثابت در همه شرایط بار و خط کار کنند و می توانند در مد CCM خروجی برای استفاده بهتر از سیم پیچی ترانسفورماتور کمکی کار کنند. معیارهای طراحی کلیدی رضایت بخشی برای مبدلهای توان پایین و تکنیکهایی برای انجام آنها در تعدادی از مراجع (مثلاً مرجع ]۱۳-۱۱[) ارائه شده است. بطور کلی این مبدلها می توانند ولتاژ خروجی ۵- ۳/۳ V DC و توان خروجی در حدود ۱۰۰ W برای ولتاژ ورودی استاندارد جهانی (ولتاژ مؤثر ورودی ۲۶۵- ۹۰ V) را فراهم کنند.
۲) مبدلهای AC-DC PWM توان بالا:
همانند مبدلهای توان پایین، مبدلهای تمام پل تک مرحله ای توان بالا با خازن لینک DC نیز پیشنهاد شده اند. یکی از اولین مبدلهای این نوع که در مرجع ]۱۴[ پیشنهاد شده است، در شکل (۱۴) نشان داده شده است. عملکرد این مبدل بر اساس مبدل پیشنهاد شده در مرجع ]۱۰[ که در شکل (۱۳) نشان داده شده است می باشد و مشابه آن کار می کند.

شکل (۱۴): مبدل PWM تغذیه ولتاژی تک مرحله ای

وقتی که سوئیچ های متضاد و متقابل مبدل روشن هستند، ولتاژی به اندازه ولتاژ لینک DC اما با پلاریته مخالف، در دو سر سیم پیچی ترانسفورماتور ظاهر می شود. این ولتاژ، ولتاژ باس DC را در سمت راست سلف حذف می کند و ولتاژ خالص دو سر آن صفر می شود و موجب افزایش جریان سلف ورودی می شود.
هنگامی که دو سوئیچ بالایی یا دو سوئیچ پایینی روشن هستند، ولتاژ دو سر سیم پیچی ترانسفورماتور اصلی صفر می باشد و ولتاژ دو سر سیم پیچ کمکی خیلی زیاد می باشد. این منجر به یک ولتاژ منفی خالص به اندازه اختلاف بین ولتاژ باس DC و ولتاژ ورودی ظاهر شده در دو سر سلف می شود. بنابراین جریان سلف ورودی کاهش می یابد. انتقال انرژی از خازن باس DC به بار مشابه روشی است که در مبدل تمام پل DC-DC PWM استاندارد انجام می شود و مبدل می تواند با همان تکنیک کنترلی شیفت فاز بکار رفته در یک مبدل استاندارد کار کند.
مبدلهای AC-DC PWM تک مرحله ای مشخصات مشترک و یکسانی با مبدلهای بحث شده در بخش ۱-A-3 دارند. قابل توجه است که ولتاژ لینک DC طرف اولیه در سطح خاصی ثابت نیست. ممکن است اگر شرایط خط یا بار تغییر کند، بطور قابل ملاحظه ای این ولتاژ تغییر کند. زیرا هنگامی که مبدل در حالت پایدار کار می کند این ولتاژ بستگی به تعادل بین انرژی وارد شده به خازن Cb و خارج شده از آن دارد. عیب عمده مبدل نشان داده شده در شکل (۱۴) این است که هنگامیکه ولتاژ ورودی بالاست، ولتاژ باس DC خیلی بالاست و از حد مطلوب ۴۵۰V تجاوز می کند. این حالت حتی وقیکه بخشهای ورودی و خروجی در مد DCM عمل می کنند نیز صدق می کند.
یک مبدل PWM تک مرحله ای AC-DC با ولتاژ کمتر لینک DC که در مرجع ]۱۵[ پیشنهاد شده، در شکل (۱۵) نشان داده شده است.

شکل (۱۵): مبدل تمام پل PWM تک مرحله ای پیشنهاد شده در مرجع ]۱۵[

از این توپولوژی و عملکرد در مد SCM بخش ورودی مبدل، ولتاژ کمتر لینک DC به عنوان یک نتیجه، بدست می آید. این مبدل خیلی شبیه به مبدل مرسوم تمام پل PWM با یکسوکننده پل دیودی و فیلتر L-C می باشد. اختلاف اصلی آنها این است که سلف ورودی Lin از طریق دیودها به هر دو سوئیچ پایینی مبدل متصل می شود. این باعث می شود که سوئیچ های پایینی به جریان ورودی شکل بدهند، در حالیکه مبدل، به روشی مشابه با مبدل تمام پل استاندارد، تبدیل DC-DC را انجام می دهد. هنگامی که یک جفت سوئیچ متضاد و متقابل هم روشن می باشد، مبدل در مد انتقال انرژی می باشد و انرژی از خازن باس DC در طرف اولیه منتقل می شود. جریان سلف ورودی در طی این زمان افزایش می یابد. هنگامیکه جریان ورودی افت می کند، انرژی ذخیره شده در سلف ورودی Lin به خازن Cb منتقل می شود.
یک تکنیک PWM متفاوت با تکنیک کنترلی شیفت فاز استاندارد نوعی بکار رفته در مبدل پل-فاز باید در این مبدل استفاده شود. سیگنالهای گیت سوئیچها در یک ساق مبدل، نامتقارن می باشند که سوئیچ بالایی یک پهنای پالسی به اندازه TSW/2(1-D) (که D سیکل کاری و TSW دوره سوئچینگ می باشد) و سوئیچ پایینی یک پهنای پالسی به اندازه DTSW/2 دارد. سیگنالهای گیت سوئیچ ها در یک ساق، مکمل هم هستند با مقداری زمان مرده (DEAD TIME) اضافه شده برای پرهیز از امکان هدایت متقاطع.
از مرجع ]۱۶[ می توان دریافت که اگر سلف ورودی بجای اینکه به هر دو سوئیچ پایینی متصل شود تنها به یک سوئیچ مبدل متصل شود ولتاژ باس DC می تواند کاهش یابد. این کار مدت زمان انرژی ذخیره شده در سلف ورودی در طی یک سیکل سوئیچ زنی را از دو به یک کاهش می دهد، بجز اینکه انرژی ذخیره شده در سلف ورودی کمتر از انرژی منتقل شده به خازن باس DC باشد که در نهایت کمتر از ولتاژ باس DC می شود. یک بهبود واصلاحیه دیگر که برای این مبدل در مرجع ]۱۷[ پیشنهاد شده، در شکل (۱۶) نشان داده شده است.

شکل (۱۶): مبدل تمام پل PWM تک مرحله ای پیشنهاد شده در مرجع ]۱۷[

سلف ورودی این مبدل، به یک سوئیچ تکی پایینی از طریق سیم پیچ کمکی کوپله شده با ترانسفورماتور اصلی متصل می شود. این مبدل در رفتاری مشابه با مبدل نشان داده شده در شکل (۱۵) و با سیگنالهای گیت مشابه آن کار می کند. هنگامیکه سوئیچ روشن است، جریان ورودی افزایش می یابد و انرژی در سلف Lin ذخیره می شود و هنگامیکه سوئیچ خاموش می شود، جریان ورودی کاهش می یابد و انرژی سلف به خازن Cb منتقل می شود. هنگامی که S2 روشن است بنابراین S3 همچنین روشن است و ولتاژ در سیم پیچی کمکی Naux با پلاریته ای که موجب کاهش ولتاژ دو سر سلف Lin شود، القاء می شود. از آنجاییکه ولتاژ دو سر سلف کاهش می یابد، هنگامیکه S2 خاموش می شود، انرژی ذخیره شده در این سلف و درنتیجه انرژی منتقل شده از سلف به خازن Cb نیز کاهش می یابد. کاهش انرژی ذخیره شده در خازن Cb باعث می شود که ولتاژ باس DC کاهش یابد. نتایج آزمایشی و عملی بدست آمده از یک مبدل با ولتاژ مؤثر ورودی ۲۶۵-۸۵ V، ولتاژ خروجی ۴۸ V DC ، فرکانس ۵۰KHZ و توان ۵۰۰W در مرجع ]۱۷[ ارائه شده است. نتایج تأیید می کنند که مبدل می تواند در ولتاژ باس DC کمتر از ۴۵۰ V ، ضریب توان ورودی از رنج ۸۴/۰ تا ۹۲/۰، راندمان ماکزیمم ۲/۸۷% با جریان ورودی در مد SCM با مؤلفه هارمونیکی که مطابق با استاندارد EN61000-3-2 کلاس D برای تجهیزات الکتریکی می باشد کار کند.
B : مبدلهای AC-AC با خروجی فرکانس بالا:
مبدلهای AC-AC می توانند به عنوان مبدلهای جلو-انتهایی در معماری شبکه های توزیع توان فرکانس بالا (HFPDAs) برای تبدیل ولتاژ منبع AC فرکانس پایین به یک ولتاژ خروجی سینوسی فرکانس بالا استفاده شوند(مثلاً ۳۰Vrms و ۱۰۰KHZ). این ولتاژ AC فرکانس بالا، می تواند به عنوان منبع AC فرکانس بالا به منبع تغذیه AC-DC با نقطه استفاده (PUPS) مطرح شود که ولتاژ DC خروجی مورد نیاز مختلفی را تولید می کند و در بخش بعدی مقاله بحث می شود. منابع س فرکانس بالا در معماری شبکه های توزیع توان فرکانس بالا (HFPDAs) برای کاهش اندازه و وزنشان استفاده می شوند. آنها پتانسیل استفاده در سیستمهای توزیع توان فضایی که نیاز به سیستم های فرکانس بالا برای کاهش وزن کلی سفینه فضایی و ماهواره ها می باشد و در سیستم های کامپیوتر و سیستم های توزیع مخابراتی را دارند]۲۰-۱۸[.
این مبدلها، نوعاً مبدلهای دو مرحله ای با مبدل اصلاح ضریب توان (PFC) بوست AC-DC لینک شده به یک اینورتر DC-AC می باشند. تکنیک های تک مرحله ای برای اصلاح ضریب توان (PFC) که می تواند برای مبدلهای AC-DC استفاده شود، با این وجود در مبدلهای AC-AC نمی توانند استفاده شوند، زیرا به علت ماهیت این مبدلها، فرکانسهای ورودی و خروجی خیلی متفاوت می باشند. برخلاف مبدل AC-DC که می تواند تحت مد DCM کار کند که وابسته به بار است یا مد CCM که مستقل از بار است، مرحله خروجی DC-AC در اینورترهای AC-AC همیشه مستقل از بار می باشد و حقیقتاً هیچ از مدهای DCM یا CCM انتخاب نمی شود. استفاده از یک روش اصلاح ضریب توان (PFC) کاملاً تک مرحله ای در یک اینورتر AC-AC منجر به ولتاژ خیلی بالای باس DC می شود، حتی اگر مدار PFC ورودی برای کار در مد CCM یا SCM طراحی شود.
یک روش برای تبدیل توان AC-AC که از دو مرحله مبدل استفاده می کند، اما یک روش کنترلی ساده تر دارد در مرجع ]۲۱[ پیشنهاد شده و در شکل (۱۷) نشان داده شده است.

شکل (۱۷): مبدل AC-AC فرکانس بالا با کنترلر جامع

مبدل بوست در مرحله اصلاح ضریب توان (PFC) در مد DCM و با یک فرکانس سوئچینگ ثابت و یک سیکل کاری متغیر کار می کند. یک کنترلر یکپارچه برای کنترل همزمان دو مرحله بجای استفاده از یک کنترلر برای مرحله PFC برای اصلاح ضریب توان و تنظیم ولتاژ باس DC و کنترلر دیگری برای تنظیم ولتاژ خروجی انتهایی برای مرحله DC-AC استفاده می شود. کنترلر یکپارچه، ولتاژ خروجی انتهایی را تنظیم می کند و ضریب توان جریان ورودی را اصلاح می کند و ولتاژ باس DC را مینیمم می کند. طراحی مدار کنترلر ساده است و پیاده سازی آن خیلی آسان می باشد و هزینه مبدل را کاهش می دهد.
در اینجا کنترل مستقلی برای ولتاژ باس DC وجود ندارد، زیرا مبدل با یک کنترلر جامع و یکپارچه ای کار می کند. این ولتاژ بنابراین بستگی به تعادل انرژی حالت پایدار در خازن باس DC دارد و با شرایط عملکرد مبدل همانند مبدلهای AC-DC تک مرحله ای تغییر می کند. این مشخصه مشابه با مشخصه مبدلهای بحث شده در بخشهای ۱-A-3 و ۲-A-3 این مقاله می باشد. در مرجع ]۲۱[ مشخص شده که عملکرد مبدل مرحله PFC بوست با DCM نسبتاً بهتر از CCM است، زیرا عملکرد DCM در این مبدل خاص، ضریب توان ورودی بهتری را فراهم می کند، در حالیکه سطح ولتاژ باس DC مشابه حالتی که در مد CCM می باشد، حفظ می شود. اینورتر تمام پل DC-AC می تواند برای کار با فرکانس سوئیچ زنی ثابت و الگوی کنترلی PWM شیفت فاز ساخته شود. عملکرد اینورتر با این الگوی کنترلی می تواند شکل موج ولتاژ سینوسی فرکانس بالای مورد نیاز را تولید کند که مستقل از بار می باشد و THD خیلی کمی دارد. بعلاوه، همه سوئیچ ها در اینورتر می توانند با سوئیچ زنی ولتاژ صفر (ZVS) کار کنند، اگر اینورتر بدرستی طراحی شده باشد. بنابراین راندمان بالا در سوئیچ زنی فرکانس بالا می تواند تحقق یابد.
نتایج آزمایشی بدست آمده از این اینورتر که ولتاژ مؤثر ورودی ۲۶۵-۹۰ V و فرکانس ۶۰HZ را به ولتاژ مؤثر ۳۰ V و فرکانس ۱۰۰KHz در توان خروجی ۲۵۰ W تبدیل می کند در مرجع ]۲۱[ ارائه شده است. نتایج این پیش طرح اینورتر نشان می دهد که این اینورتر ضریب توان ورودی بزرگتر از ۹۱/۰ ، راندمان بزرگتر از ۸۳ % ، THD ولتاژ خروجی کمتر از ۵ % و ولتاژ باس DC کمتر از ۴۵۰ V DC تحت همه شرایط عملکرد دارد. توجه شود که ماکزیمم ولتاژ باس DC در شرایط بار سبک و ظرفیت بالای خط و هنگامیکه مقدار انرژی منتقل شده از خازن باس DC به بار، حداقل است رخ می دهد. همچنین می توان دریافت که راندمان مبدل در حدود ۵ % در شرایطی ظرفیت خط کم است کمتر از در شرایطی که ظرفیت خط بالاست می باشد. زیرا گردش بیشتر جریان در بخش ورودی مبدل در شرایطی که ظرفیت خط پایین است می باشد و بنابراین تلفات هدایتی بیشتر است.
۴- عملکرد مبدلهای AC-DC با منبع AC فرکانس بالا:
منابع AC فرکانس بالا در HFPDAها همچنانکه در بخش B-3 بحث شد، یافت می شوند. این منابع، با استفاده از مبدلهای AC-DC که ولتاژ منبع فرکانس پایین را به منبع AC فرکانس بالا تبدیل می کنند یا مبدلهای DC-AC که منبع اصلی آنها DC مانند باتری می باشد، ایجاد می شوند. مبدلهای AC-DC در HFPDAها، PUPS می باشند که ولتاژ منبع AC فرکانس بالا را به ولتاژ DC مورد نیاز تبدیل می کنند. از آنجاییکه استفاده ماکزیمم از توان هنگامی رخ می دهد که PUPS در ضریب توان واحد کار می کند، هنگامیکه که جریان جاری شده از منبع به آنها سینوسی و هم فاز با ولتاژ منبع می باشد، مطلوب است که PUPS با نوعی PFC (مبدل اصلاح کننده ضریب توان) پیاده سازی شود.
مبدل بوست PWM AC-DC مرسوم نشان داده شده در شکل (۲) یک مبدل مناسبی نیست که بتواند برای اصلاح ضریب توان (PFC) استفاده شود هنگامیکه فرکانس منبع AC ورودی بالا می باشد، زیرا نسبت فرکانس سوئیچ زنی به فرکانس منبع برای دستیابی به یک ضریب توان خوب باید خیلی بالا باشد. اگر منبع ورودی یک فرکانسی در محدوده دهها کیلوهرتز تا مگا کیلو هرتز دارد، آنگاه فرکانس سوئیچ زنی یک مبدل بوست باید در محدوده دهها و حتی صدها مگا هرتز برای عملکرد رضایت بخش PFC باشد. از آنجاییکه هیچ سوئیچی وجود ندارد که بتواند در این فرکانس بالا خاموش و روشن شود، هنگامیکه فرکانس منبع ورودی خیلی بالا می باشد یک روش متفاوتی برای انجام PFC نیاز است. ساده ترین روش، استفاده از سلف-خازن (LC) برای فیلتر کردن مؤلفه های هارمونیکی می باشد طوریکه فقط مؤلفه فرکانس اصلی جریان منبع از ورودی جاری شود. از آنجاییکه این مؤلفه اصلی، فرکانس خیلی بالایی دارد، اندازه فیلترهای LC که برای بلوکه کردن مؤلفه های هارمونیکی مرتبه بالاتر نیاز است خیلی کوچک و ارزان می باشد. یکی از نخستین مبدلهای AC-DC فرکانس بالا در مرجع ]۲۲[ پیشنهاد شده و در شکل (۱۸) نیز نشان داده شده است.

شکل (۱۸): مبدل AC-DC برای PUPS در معماري توان فرکانس بالا، پیشنهاد شده در مرجع ]۲۲[

مبدل شامل یک ترانسفورماتور، یک شبکه دو تنظیمی (دو فيلتره) که شامل مؤلفه های سری LS و CS و مؤلفه های موازی LP و CP می باشد و یک یکسوکننده کنترل شونده با دو سوئیچ متقارن Q1 و Q4 که روشن و خاموش می شوند برای تولید جریان ii با شکل موج نیمه مربعی در ورودی یکسوکننده (توجه شود که شکل موج جریان ورودی، dc صاف می باشد) می باشد. سوئیچ ها می توانند تریستورهای کنترل شونده MOS (MCTs) باشند. مؤلفه اصلی جریان ii با ولتاژ AC ورودی هم فاز می باشد. مؤلفه های LS ، CS ، LP و CP شبکه رزونانسی برای فرکانس منبع AC تنظیم می شوند. در این روش مؤلفه های سری رزونانسی LS و CS امپدانسهای کم و زیاد برای مؤلفه های اصلی را فراهم می کنند، در حالیکه مؤلفه های موازی رزونانسی LP و CP امپدانسهای کم و زیاد برای مؤلفه های هارمونیکی جریان ii را فراهم می کنند. این باعث می شود که جریان هارمونیکی ii فیلتر شود طوریکه جریان ورودی سینوسی و با THD کم و ضریب توان واحد باشد. در مرجع ]۲۲[ نتایج آزمایشی بدست آمده از مبدل با ولتاژ مؤثر ورودی ۵۰V و فرکانس۲۰KHz و بار خروجی ۱۲ Ω ارائه شده است. نتایج تأیید می کنند که مبدل می تواند با ضریب توان ورودی بزرگتر از ۹۸/۰ و THD جریان ورودی کمتر از ۸% در محدوده کنترل ولتاژ خروجی (۰% تا ۱۰۰%) عمل کند.
مبدل نشان داده شده در شکل (۱۸) برای استفاده در سیستم های توزیع توان فرکانس بالا مانند ایستگاه فضایی ناسا قبل از سال ۱۹۸۰طراحی شده بود. با این وجود چندین عیب دارد که از استفاده آنها در pups برای پردازنده های توان در کامپیوتر HFPDA ممانعت می کرد. پردازنده های امروزی باید در یک ولتاژ خیلی پایین (کمتر از ۲V) و با یک سرعت خیلی بالا و با دانسیته افزایشی قابل توجه کار کنند. پیشبینی می شود پردازنده های آینده در ولتاژ کتر از ۱ V کار کنند و جریان های تقاضا شده بیشتر از ۱۶۰ A در مقدار نامی خیلی زیاد مرتبه ۱۰ A/ns کار کنند و بیشتر از ۴۰۰۰ اتصالات ورودی و خروجی دارند. مبدل نشان داده شده در شکل (۱۸)، ترانسفورماتور ایزوله ندارد و خیلی مشکل است که ولتاژ را به سطوح خیلی کم مورد نیاز پردازنده ها کاهش دهد. علاوه بر این، پیاده سازی مبدل با SR MOSFETs بجای دیودها مشکل است و تلفات هدایتی ناشی از هدایت دیودها به علت جریان خیلی بزرگ، بسیار زیاد است. یک مبدل AC-DC فرکانس بالا که این روابط را نشان می دهد در مرجع ]۲۲[ پیشنهاد شده و همچنین در شکل (۱۹) نشان داده شده است.

شکل (۱۹): مبدل AC-DC برای PUPS در معماري توان فرکانس بالا، پیشنهاد شده در مرجع ]۲۳[

مبدل شامل یک تانک رزونانسی با اجزای LS، CS و Cr، دو سوئیچ اصلی Q1 و ۲Q برای کنترل ولتاژ خروجی، یک ترانسفورماتور برای تطبیق و ایزوله کردن بار، یکسوکننده های سنکرون SR1 و SR2، فیلتر خروجی C0 می باشد. مدار رزونانسی، منبع ولتاژ را به منبع جریان تبدیل می کند و هم فاز بودن جریان ورودی با ولتاژ منبع را تضمین می کند و اعوجاج هارمونیکی خیلی کوچکی تحت همه شرایط بار دارد.
سوئیچ های اصلی MOSFET ها می باشند و بصورت پشت به پشت به فرم سوئیچ های دو جهته متصل می شوند. هدف از این سوئیچها، کنترل مقدار جریان خروجی مورد نیاز یکسوشده برای دستیابی به جریان و ولتاژ خروجی مطلوب می باشد. هنگامی که سوئیچ ها روشن می شوند، جریان از ترانس و بار منحرف و دور می شود و هنگامیکه جریان جاری شده از طریق آنها به صفر می رسد، سوئیچها خاموش می شوند. مقدار انحراف جریان بستگی به مدت زمانی که این سوئیچ ها روشن هستند دارد. اجزای شبکه رزونانسی خاموش – تنظیمی می باشند به فرکانس منبع بطوریکه آنها جریان سینوسی اندوکتیو با دامنه تقریباً ثابت فراهم می کنند.
خازن موازی ورودی برای جبرانسازی ضریب توان اندوکتیو شاخه سری استفاده می شود بطوریکه ضریب توان ورودی نزدیک به واحد حاصل آید. شاخه سری همچنین امپدانس خیلی بالا به جریانهای هارمونیکی دارد برای حفظ اعوجاج جریان ورودی به مقدار مینیمم.
نتایج آزمایشی بدست آمده از مبدل با ولتاژ مؤثر ورودی ۲۸ V و فرکانس ۱MHz و ولتاژ خروجی ۶/۱ V DC و جریان ۲۰A در مرجع ]۲۳[ تأیید می کنند که این مبدل می تواند با ضریب توان نزدیک به واحد کار کند. نتایج شبیه سازی همچنین نشان می دهد که مبدل می تواند اضافه جهش و زیر جهشهای ولتاژ در حدود ۵% تولید کند هنگامی که بار از بار کامل به ۱۰% تغییر می کند و بر عکس با میزان زیادی در حدود ۱A/ns می باشد هنگامیکه خازن خروجی ۴۸۰ μF استفاده می شود. سوئیچهای مبدل اصلی با این وجود با سوئیچ زنی سخت روشن می شوند که تلفات سوئیچ زنی ایجاد می کنند. مبدل نشان داده شده در شکل (۲۰)، در مرجع ]۲۴[ برای غلبه بر این معایب پیشنهاد شده است.

شکل (۲۰): مبدل AC-DC براي PUPS در معماري توان فركانس بالا، پيشنهاد شده در مرجع ]۲۴[

مبدل شامل يك سوئيچ AC دوجهته كه از سوئيچ هاي S1 و S2 و يك خازن Cds در دو سر آن ساخته مي شود ( كه مي تواند با خازن خروجي تركيب شود)، يك شبكه رزونانسي سري با اجزاي LS و CS، يك ترانسفورماتور، دو يكسوكننده سنكرون و يك فيلتر خروجي خازني مي باشد. كنترل ولتاژ خروجي در اين مبدل بوسيله سوئيچ AC انجام مي شود كه به صورت يك خازن كنترل شده با سوئيچ عمل مي كند بطوريكه فركانس رزونانس مدار طرف اوليه مي تواند تغيير يابد حتي اگر فركانس سوئچينگ مبدل ثابت باشد. مقدار معادل خازن كنترل شده با سوئيچ بستگي به سيكل كاري سيگنال PWM دارد.
هر دو سوئيچ هاي مبدل مي توانند با ZVS كامل كار كنند. براي مثال، اگر هر دو سوئيچ روشن شود، آنگاه در زمان t=to ، سوئيچ S1 خاموش مي شود و سوئيچ S2 روشن باقي مي ماند و خازن Cds به عنوان يك اسنابر براي كاهش تلفات خاموش شدن سوئيچ S1 عمل مي كند. در زمان t=to ، جريان شروع به جاري شدن به خازن Cds مي كند. از آنجاييكه CS بخشي از مدار همراه با CS و LS مي باشد، جريان افزايش خواهد يافت و سپس به صفر تنزل مي يابد سپس جهت معكوس مي شود. جريان منفي رزونانسي خازن cds را دشارژ و تخليه مي كند، سپس از طريق ديود D1 (ديود دو سر S1) و سوئيچ S2 جاري مي شود. در حاليكه ولتاژ دو سر Cds صفر مي باشد، S1 با ZVS روشن مي شود و جريان منفي از طريق سوئيچ S1 و S2 جاري مي شود. سوئيچ S2 مي تواند با ZVS در روشي مشابه روشن شود.
نتایج آزمایشی بدست آمده از مبدل با ولتاژ مؤثر ورودی ۲۸ V و ولتاژ خروجی ۵/۱ V و فرکانس ۱MHz و توان ۳۰ W در مرجع ]۲۴[ ارائه شده است. نتايج تأیید می کنند که این مبدل می تواند با سوئيچ زني ولتاژ صفر (ZVS) در محدوده بار خروجي تقريباً۱۰% تا بار كامل و با راندمان ۹/۸۲% در بار كامل كار كند.
۵- نتيجه گيري
در اين مقاله، مبدهاي يك مرحله اي بر طبق فركانس منبع AC ورودي و حضور يا عدم حضور خازن بزرگ در لينك DC دسته بندي شدند. در اين مقاله براي هر مبدل انواعي ارائه شد، موضوعات مربوط به هر نوع بحث گرديد، روشهاي مختلفي بررسي شد و نتايج آزمايشي و تجربي براي مبدلهاي خاص بحث شد. نكات كليدي مقاله در زير خلاصه شده است.
۱) مبدلهاي AC-DC PWM رزونانسي بدون خازن بزرگ لينك DC مي توانند در ضريب توان نزديك به يك كار كنند و ولتاژ باس DC تنظيم شده اي را فراهم كنند. مبدلهاي رزونانسي سطوح توان بالاتري (بالاتر از ۳KW) نسبت به مبدلهاي PWM (بالاتر از ۱KW) فراهم مي كنند. با اين وجود مبدلهاي رزونانسي با يك فركانس متغيري كار مي كنند، در حاليكه مبدلهاي PWM با يك فركانس ثابتي كار مي كنند. مبدلهاي رزونانسي در همه كاربردها ترجيح داده مي شوند بجز در جاييكه سنكرون كردن فركانس نياز است. خروجي در هر نوعي از مبدلها رايپل بزرگ جريان فركانس كم دارد و بنابراين فيلترهاي بزرگي نياز است. بنابراين آنها براي سيستم هاي UPS AC آنلاين يا در بعضي سيستمهاي مخابراتي بدون باتري كه ولتاژ ورودي AC را به ولتاژ خروجي ۴۸V DC براي مبدلهاي پايين دستي تبديل مي كنند مناسب مي باشند.
۲) مبدلهاي AC-AC‌ يك مرحله اي كه ولتاژ خروجي ذوزنقه اي شكل فركانس پايين توليد مي كنند مي توانند در سطوح توان بالاتر از چندين كيلو وات با ضريب توان ورودي خيلي بالا پياده سازي شوند. اين مبدلها راندمان خيلي بالايي دارند و براي شبكه هاي هايبريد جديد با كابل كواكسيال / فيبر نوري و براي كاربردهايي كه كابل TV وجود دارد مناسب مي باشند.
۳) مبدلهاي AC-DC نوع يك سوئيچه يك مرحله اي با خازن بزرگ لينك DC ، ولتاژ خروجي DC تنظيم شده و با رايپل كم و با ضريب توان ورودي و هارمونيكهاي جريان در محدوده مورد نظر آژانسهاي نظارتي، كار مي كنند. اين مبدلها در عمل براي سطوح توان بالاتر از ۱۵۰W در رنج ولتاژ ورودي استاندارد و جهاني (۲۶۵-۹۰V AC) و براي سطوح توان بالاتر از ۲۵۰W در رنج ولتاژ ورودي محدود (۱۳۵-۹۰V يا ۲۶۵-۱۷۰V AC) پياده سازي مي شوند.
۴) مبدلهاي AC-DC نوع تمام پل تك مرحله اي با خازن بزرگ لينك DC ولتاژ خروجي DC تنظيم شده و با رايپل كم و با ضريب توان ورودي و هارمونيكهاي جريان در محدوده مورد نظر آژانسهاي نظارتي را فراهم مي كنند. اين مبدلها در عمل براي سطوح توان بالاتر از ۵۰۰W در رنج ولتاژ ورودي استاندارد و جهاني (۲۶۵-۹۰V AC) و براي سطوح توان بالاتر از ۱KW در رنج ولتاژ ورودي محدود (۱۳۵-۹۰V يا ۲۶۵-۱۷۰V AC) پياده سازي مي شوند.
۵) مبدلهاي AC-AC اصلاح ضريب توان (PFC) كه يك ولتاژ سينوسي فركانس بالا توليد مي كنند، در عمل براي سطوح توان بالاتر از ۲۵۰W در رنج ولتاژ ورودي استاندارد و جهاني (۲۶۵-۹۰V AC) پياده سازي مي شوند. اين شبكه ها براي معماري AC فركانس بالا در كامپيوترهاي روميزي آينده بسيار مناسبند.
۶) بهره برداري از مبدلهاي AC-DC رزونانسي يك مرحله اي از يك منبع AC فركانس بالا مي تواند باعث ضريب توان نزديك به واحد، راندمان بالا و ولتاژ خروجي تنظيم شده و با رايپل خيلي كم گردد. اين شبكه ها براي معماري AC فركانس بالا در كامپيوترهاي روميزي آينده، سرورها و مخابراتها و يا بطور كلي براي تغذيه تكنولوژي نيمه هادي ولتاژ پايين آينده بسيار مناسبند.

من سامان نصیری نویسنده این مقاله هستم.

تاریخ انتشار: 2 سپتامبر 2020
16 بازدید

مطالب مرتبط

دیدگاه ها

مجوزها و نمادها


logo-samandehi

پل های ارتباطی با ما …

تبریز ، بخش مقصودیه ، خیابان ارتش جنوبی، کوچه شهید شهابی ، بن بست باغچه ، پلاک ۸۷ ، طبقه 4
تلفن تماس : 04135421108-09307584802
ایمیل : entofa@gmail.com


Unit4,No87,Baghcheh Alley,South Artesh ST,Azadi ave,MAGHSUDIYEH, Tabriz, Iran
کلیه حقوق این وب سایت محفوظ می باشد . طراحی و توسعه آلسن وب    All rights reserved © 2020 Entofa