مزایا و معایب مبدل های رزونانسی

به گزارش "برق نيوز"  پیشرفت علم الکترونیک قدرت در دهه های اخیر ، نه تنها موجب بهبود کارایی تجهیزات الکترونیک قدرت شده است ، بلکه به مطرح کردن رویکردهای جدیدی در تغییر ساختار و کنترل مبدل ها منجر شده است . در دهه ی 1970 مبدل های قدرت معمولی با سوئیچینگ مدولاسیون عرض پالس (PWM) تحت شرایط سوئیچینگ سخت ( Hard Switching ) کار می کردند . منظور از سوئیچینگ سخت ، رفتار نامناسب سوئیچ ها در لحظات قطع و وصل است . در خلال یک فرایند قطع یا وصل ، سوئیچ می بایست در مقابل ولتاژ و جریان زیاد به طور همزمان ایستادگی کند . که این امر موجب تلفات سوئیچینگ زیاد و استرس می شود.

اینورترها و مبدلهای DC- DC در حالت سوئیچینگ سخت، دارای دو نقطه ضعف هستند :

- همان گونه که اشاره شد ، در زمان گذراهای ناشی از روشن و خاموش شدن، سوئیچها ولتاژ و جریان بالایی را به طور همزمان تجربه می کنند که موجب تلفات توان بالا و همینطور تنش و فشار بر سوئیچ می شود. تلفات توان بطور خطی با فرکانس سوئیچینگ افزایش می یابد .

-تأثیرات گذرای قابل توجه نظیر تداخل الکترومغناطیسی (EMI)ناشی از نوسانات گذرا که ازdV/dt و di/dt بوجود می آید و عامل آناندوکتانس ها و ظرفیت های خازنی سرگردان در مدارهای قدرت و سوئیچ ها می باشد .

معمولاً مدارهای کمکی غیرفعال ( Passive Snubber Circuit ) به مدارها اضافه می شوند تا dV/dt و di/dt سوئیچ ها را کاهش دهند و تلفات و استرس های ایجاد شده را به مدارهای اسنابر منحرف کنند .

از طرف دیگر تلفات سوئیچینگ با فرکانس رابطه ی مستقیم دارد و بنابراین برای افزایش فرکانس مبدل ها با محدودیت روبه رو هستیم . برای اطمینان از تحقق بازده تبدیل توان ، به اجبار فرکانس سوئیچینگ محدود می شود .در دهه 1980 فرکانس مبدل ها حدوداً20 تا 50 کیلوهرتز می شد . در دهه ی 1980 تحقیقات زیادی بر به کارگیری پدیده ی رزونانس در مبدل ها متمرکز شد ؛ یعنی استفاده از تانک های رزونانس در دل مبدل ها به منظور ایجاد نوسان سینوسی ولتاژ و جریان به طوری که شرایط سوئیچینگ ولتاژ – صفر ( Zero Voltage Switching-ZVS ) و سوئیچینگ جریان – صفر (Zero Current Switching-ZCS ) برای سوئیچ ها فراهم شود . به این ترتیب سوئیچ ها و مبدل های رزونانسی ساخته شدند .

مبدلهای رزونانسی ، نقاط ضعف مبدل های پیشین را به حداقل می رسانند. سوئیچ ها در مبــــدل های رزونانسی یک شکل موج ولتاژ یا جریان شبه مربعی (square-wave-like) ، با یا بدون مولفه DC ، تولید می کنند.

در این مبدل ها ، یک مدار L-C تشدید با یک فرکانس رزونانس نزدیک به فرکانس سوئیچینگ که می تواند پیرامون فرکانس رزونانس تغییر کند، با شبکه سوئیچ ها ترکیب شده است . زمانی که فرکانس مدار L-C تشدید تقریباً با فرکانس سوئیچینگ برابر است ، هارمونیکهای ناخواسته حذف می شوند . کاهش تلفات سوئیچینگ و بهبود پیوسته سوئیچ های الکترونیک قدرت ، باعث افزایش فرکانس مبدل های رزونانسی تا چند صد کیلو هرتز شد (100 تا 500 کیلو هرتز ) . در نتیجه حجم عناصر مغناطیسی کاهش یافت و چگالی توان مبدل بالا رفت.

ساختارهای متعددی برای مبدل های رزونانسی معرفی شده است . بسیاری از این مبدل های رزونانسی دارای معایبی نیز هستند ؛ در مقایسه با مبدل های PWM معمولی ، مبدل های رزونانسی پیک ولتاژ و جریان بیشتری دارند که منجر به افزایش تلفات هدایتی می شود . و هم چنین افزایش ولتاژ و جریان ، سطح ملزومات قطعات الکترونیک قدرت را افزایش می دهد . و به دلیل دشواری در انتخاب بهینه ی عناصر برای عملکرد بهینه ، رنج محدود جریان دهی خروجی و ولتاژ ورودی را در پی خواهد داشت . علاوه بر این ، بسیاری از مبدل های رزونانسی برای کنترل خروجی به مدولاسیون فرکانس (FM) نیاز دارند که این کار طراحی فیلتر و کنترل را پیچیده تر می کند .تغییر فرکانس سوئیچینگ ، وسیله ای برای کنترل توان و ولتاژ خروجی می باشد.

پس مهم ترین مزایا و معایب مبدل های رزونانسی به طور خلاصه :

مهم ترین مزایای مبدل های رزونانسی

1- کاهش تلفات سوئیچینگ

2- توانایی کار در فرکانس های بالاتر در مقایسه با مبدل های مبتنی بر PWM

3- حذف برخی تداخلات الکترو مغناطیسی ایجاد شده توسط مبدل

مهم ترین معایب مبدل های رزونانسی

1- افزایش تلفات هدایتی

2- افزایش سطح ملزومات قطعات الکترونیک قدرت

3- پیچیدگی سیستم کنترل و فیلتر

4- بازده کم در بارهای کم به دلیل جریان زیاد تانک حتی در بی باری