مبدلهای رزونانسی

مبدلهای رزونانسی

بسمه تعالی

مروری بر طبقه‌بندی مبدل‌های رزونانسی برای کاربرد در خودروهای الکتریکی

مبدل‌های سوئیچینگ سختhard swiching ) ( مرسوم از محدودیت‌هایی مانند حد بالای فرکانس سوئیچینگ، تداخل

الکترومغناطیسی بالا (EMI)، تلفات سوئیچینگ بیشتر، اندازه بزرگ، افزایش وزن و راندمان پایین رنج می‌برند. برای

غلبه بر این محدودیت‌ها، مبدل‌های رزونانسی به طور گسترده در شارژرهای خودروهای الکتریکی (EV) استفاده می‌شوند

با این حال، طبقه‌بندی دقیق مبدل‌های رزونانسی مورد استفاده در خودروهای الکتریکی به اندازه کافی در مقالات مورد

بحث قرار نگرفته است. دستورالعمل انتخاب توپولوژی مبتنی بر مبدل رزونانسی مورد نیاز برای شارژ یک خودروی

الکتریکی بر اساس توان نامی آن ذکر نشده است.

این مقاله بر طبقه‌بندی دقیقی از مبدل‌های رزونانسی مورد استفاده در مرحله دوم شارژرهای خودروهای برقی تمرکز دارد.

علاوه بر این، این مقاله راهنمایی برای طراحان فراهم می‌کند تا بر اساس وات مصرفی، توپولوژی مبدل مورد استفاده در

مرحله اول و مرحله دوم شارژر خودروهای برقی مورد نیاز را انتخاب کنند.

جریان توان یک‌ طرفه و دوطرفه. بسته به تعداد عناصر واکنشی موجود در یک توپولوژی مبدل رزونانس معین، این

مبدل‌ها به عنوان مبدل‌های رزونانس دو عنصری، سه عنصری و چند عنصری طبقه‌بندی می‌شوند. بسته به اتصال عناصر

القایی (L) و خازنی (C) نسبت به سیم‌پیچ ترانسفورماتور، این توپولوژی‌های مبدل به صورت سری،

موازی (دو عنصری)، سلف-سلف-خازن (LLC) (سه عنصری) و خازن-سلف-سلف-خازن (CLLC) (چند عنصری)

طبقه‌بندی می‌شوند.

1. با این حال، مبدل‌های رزونانس نوع LLC راندمان بالا، سوئیچینگ ولتاژ صفر (روشن و خاموش شدن ZVS)

و استرس ولتاژ پایین روی سوئیچ‌ها و چگالی توان بالا را ارائه می‌دهند. بنابراین، این مقاله عمدتاً بر روی توپولوژی

مبدل رزونانس نوع LLC تمرکز دارد. علاوه بر این، طرح‌های مدولاسیون و طرح‌های کنترلی مختلف برای مبدل

رزونانس LLC و CLLC به همراه کنترل توان اکتیو و راکتیو برای حالت عملکرد خودرو-2-شبکه (V2G) مورد بحث قرار

گرفته است.

علاوه بر این، طرح‌های مدولاسیون و طرح‌های کنترلی مختلف برای مبدل رزونانس LLC و CLLC به همراه کنترل توان

اکتیو و راکتیو برای حالت عملکرد خودروبه-شبکه (V2G) مورد بحث قرار گرفته است.

به شارژرهای تک مرحله‌ای و دو مرحله‌ای طبقه‌بندی می‌شوند. در مورد شارژر تک مرحله‌ای، هیچ خازن لینک DC

وجود ندارد، فقط یک مبدل AC/DC ایزوله وجود دارد. از سوی دیگر، شارژر دو مرحله‌ای دارای یک خازن لینک DC

است که اندازه بزرگی دارد و طول عمر کوتاهی دارد .

بسته به نحوه نصب شارژرهای خودروهای برقی، آنها به دو دسته داخلی و خارجی طبقه‌بندی می‌شوند. در مورد شارژر

داخلی، مبدل شارژ در داخل خودرو نصب می‌شود، در حالی که در مورد شارژر خارجی، مبدل شارژ در خارج از

خودروی برقی نصب می‌شود.

بسته به اتصال خودروی برقی به ایستگاه شارژ، شارژرهای خودروی برقی به دو دسته القایی و رسانا طبقه‌بندی می‌شوند.

در مورد تکنیک شارژ القایی، از یک میدان الکترومغناطیسی برای انتقال نیرو از یک سیم‌پیچ فرستنده به یک سیم‌پیچ

گیرنده استفاده می‌شود. سیم‌پیچ فرستنده به شرکت شارژ متصل است، در حالی که سیم‌پیچ گیرنده روی خودروی برقی

نصب شده است. در مورد شارژ القایی، میدان مغناطیسی مسئول انتقال انرژی از سیم‌پیچ فرستنده به سیم‌پیچ گیرنده است.

با این حال، در مورد تکنیک شارژ خازنی، این انرژی می‌تواند با کمک یک میدان الکتریکی از سیم‌پیچ فرستنده به سیم‌پیچ

گیرنده منتقل شود.

طبقه‌بندی شارژر خودروهای برقی و نوع دوشاخه مورد نیاز برای هر سطح مورد بحث قرار گرفته است.

خودروهای الکتریکی در سازگاری کامل خود با چالش‌های فنی متعددی روبرو هستند، مانند زمان شارژ بالا،

اضطراب (anxiety) برد، تلفات بالا و راندمان پایین شارژرهای خودروهای برقی موجود. مبدل‌های رزونانسی اخیراً به

دلیل قابلیت‌هایشان در رفع این چالش‌های شارژر خودروهای برقی، محبوبیت زیادی پیدا کرده‌اند. مبدل‌های رزونانسی

می‌توانند با ارائه سوئیچینگ ولتاژ و جریان صفر، به شارژ سریع و کاهش تلفات کمک کنند و منجر به به حداقل رساندن

اضطراب برد شوند.

تکنیک‌های مدولاسیون مورد استفاده برای مبدل‌های رزونانسی به عنوان تکنیک‌های مدولاسیون پهنای پالس (PWM) و

مدولاسیون فرکانس (FM) طبقه‌بندی می‌شوند. با این حال، مبدل‌های رزونانسی مدوله شده با فرکانس مزایای متعددی

نسبت به مبدل‌های مدوله شده با پهنای پالس سنتی ارائه می‌دهند، از جمله (الف) تلفات سوئیچینگ کمتر و راندمان بالا.

(ب) توانایی کار در فرکانس سوئیچینگ بالاتر، که به کاهش اندازه اجزای مغناطیسی کمک می‌کند و در نتیجه چگالی توان

را افزایش می‌دهد، و (ج) توانایی سوئیچینگ ولتاژ صفر، که می‌تواند مشکلات تداخل الکترومغناطیسی را حل کند.

بهره ولتاژ یک مبدل رزونانس مبتنی بر LLC مدوله‌شده با فرکانس, باید در طیف وسیعی از فرکانس سوئیچینگ، fs، بالا باشد. مبدل رزونانس

اگر فرکانس سوئیچینگ، fs کمتر از فرکانس رزونانس، fr باشد، قابلیت ZVS خود را از دست می‌دهد. با این حال، اگر مقدار fr بیشتر از fr باشد،

تنظیم ولتاژ مبدل رزونانس به دلیل تأثیر خازن اتصال، (Cj) دیودهای یکسوکننده سمت ثانویه، ضعیف می‌شود. بازده مبدل رزونانس مبتنی بر LLC با افزایش اختلاف بین fs و fr به سرعت کاهش می‌یابد (کیم و همکاران، ۲۰۱۸). علاوه بر این، اندازه اجزای مغناطیسی توسط حد پایین fs محدود می‌شود. از بحث فوق، مشاهده می‌شود که طراحی مبدل رزونانس مبتنی بر LLC از چالش‌های مختلفی رنج می‌برد. برای غلبه بر محدودیت‌های ذکر شده در بالا، تکنیک‌های مختلفی در مقالات مورد بحث قرار گرفته است که مبتنی بر چهار روش زیر است:

۱. با تنظیم پارامترهای مدار تانک.

۲. با مدارهای قابل پیکربندی مجدد مانند تمام پل، نیم پل، دو برابر کننده ولتاژ، چهار برابر کننده ولتاژ و غیره در سمت

ثانویه انتقال ایزولاسیون.

۳. با استفاده از مدارهای قابل پیکربندی مجدد مانند تمام پل، نیم پل و غیره در سمت اولیه انتقال ایزولاسیون.

۴. با اصلاح استراتژی‌های کنترل و مدولاسیون

با استفاده از یک مدار تانک اصلاح‌شده در مبدل‌های رزونانسی ، یا یکسوکننده می‌توان به راندمان بالا در طیف وسیعی

از ولتاژهای خروجی دست یافت.

 

شماتیک مبدل‌های توان رزونانسی (RPC) شامل شش مرحله در شکل 2 نشان داده شده است. مرحله اول منبع ورودی

است که می‌تواند یک منبع ولتاژ یا جریان باشد.

مرحله دوم یک اینورتر پل است که می‌تواند یک اینورتر نیم پل یا تمام پل باشد. خروجی مرحله دوم به مدار تانک

رزونانس مرتبه N که توسط سلف‌ها و خازن‌ها تشکیل شده است، اعمال می‌شود.

در اینجا (که در آن N = 0,1,2, · · · , N) تعداد کل سلف‌ها و خازن‌های متصل در مدار تانک رزونانس را نشان می‌دهد.

مرحله بعدی ترانسفورماتور است که برای جداسازی یک مرحله از مرحله دیگر استفاده می‌شود.

خروجی طبقه ایزوله به طبقه یکسوساز پل که می‌تواند یکسوساز تمام پل یا نیم پل باشد، اعمال می‌شود.

خروجی طبقه یکسوساز پل به طبقه فیلتر که شامل یک فیلتر پایین گذر یا یک فیلتر بالا گذر است، اعمال می‌شود.

RPC ها به انواع RPC های دو عنصری (مرتبه دوم)، سه عنصری (مرتبه سوم) و چند

عنصری(مرتبه بالاتر) طبقه بندی می شوند، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.

 

RPC دو عنصری یک مدار تانک رزونانس مرتبه دوم است که شامل یک سلف و یک خازن است. بسته به اتصال منبع ولتاژ

یا جریان در پورت ورودی، هشت پیکربندی ممکن از RPC های دو عنصری وجود دارد که در شکل 4 نشان داده شده است.

 

مدار تانک مربوط به پیکربندی‌های منبع ولتاژ نشان داده شده در شکل ۴، تانک A، مانند یک فیلتر میان‌گذر رفتار می‌کند. بنابراین،

به آن مبدل رزونانس سری (SRC) یا فرکانس رزونانس سری (SRF) می‌گویند. پیکربندی‌های نشان داده شده در تانک B و تانک

c مبدل‌های رزونانس موازی (PRC) یا فرکانس رزونانس موازی (PRF) نامیده می‌شوند که مانند فیلتر بالاگذر و فیلتر پایین‌گذر

رفتار می‌کنند. پیکربندی نشان داده شده در شکل ۴، تانک d، مانند یک فیلتر ناچ رفتار می‌کند و مبدل فرکانس رزونانس ناچ

(NRF) نامیده می‌شود.

معیارهای زیر برای تشکیل یک مبدل رزونانسی بر اساس مدار تانک رزونانس سه عنصری استفاده می‌شود:

۱. هنگامی که ورودی مدار تانک رزونانس، مدار باز باشد، سلف‌ها با مدار باز و خازن‌ها به عنوان اتصال کوتاه جایگزین می‌شوند.

این امر منجر به توسعه پیکربندی مبتنی بر مبدل رزونانس با منبع ولتاژ به عنوان ورودی می‌شود.

Fig. 5. Three-element twenty-six combination (a) Two-inductors and one capacitor tank circuit (b) Two-capacitors and one inductors tank circuit. (In the lower right

 

۲. هنگامی که ورودی مدار تانک رزونانس اتصال کوتاه است، با جایگزینی سلف‌ها به عنوان مدار باز و خازن‌ها به عنوان اتصال

کوتاه، یک مبدل رزونانس با ورودی به عنوان منبع جریان ایجاد می‌شود.

۳. اگر ورودی مدار تانک رزونانس مستقیماً به خروجی متصل باشد، این مبدل نمی‌تواند به عنوان مبدل رزونانس استفاده شود.

 

۴. اگر ورودی منبع ولتاژ باشد، امپدانس ورودی مدار تانک رزونانس باید در فرکانس بالا بی‌نهایت باشد تا جریان ورودی فرکانس

بالای مدار تانک رزونانس را محدود کند. در فرکانس بالا، به یک موج سینوسی نزدیک می‌شود.

 

۵. وقتی منبع ورودی یک منبع جریان است، امپدانس ورودی باید در فرکانس بالا صفر باشد تا مولفه‌های فرکانس بالای ولتاژ ورودی

مدار تانک رزونانس را محدود کند. در فرکانس بالا، به یک موج سینوسی نزدیک می‌شود.

رایج ‌ترین پیکربندی مبدل رزونانسی مبتنی بر مدارهای تانک رزونانس LLC شامل منابع ولتاژ و جریان در شکل 5a نشان داده شده است.

سه کلاس آنها به شرح زیر است:

1. سه خازن و یک سلف (کلاس 1)
2. . سه سلف و یک خازن (کلاس ۲)
3. . سه خازن و یک سلف (کلاس ۳).

۲.۱ مبدل رزونانس سری

شماتیک مبدل رزونانس سری (SRC) همانطور که در شکل 7a نشان داده شده است. SRC شامل یک اینورتر نیم پل، شبکه رزونانس دو عنصری، ترانسفورماتور ایزولاسیون و یکسوساز است. اینورتر نیم پل از دو سوئیچ شامل دیود بدنه و خازن‌های پارازیتی تشکیل شده است. مدار تانک رزونانس شامل سلف رزونانس، Lr و خازن، Cr است. عناصر راکتیو، Lr و Cr به صورت سری با سیم‌پیچ ترانسفورماتور قرار می‌گیرند و از این رو به عنوان مبدل رزونانس سری نامیده می‌شوند. مدار تانک رزونانس و بار متصل به خروجی یکسوساز به صورت سری هستند. در اینجا، مدار تانک و بار به عنوان تقسیم‌کننده ولتاژ عمل می‌کنند. امپدانس تانک رزونانس را می‌توان با تنظیم فرکانس ولتاژ محرک، V، تغییر داد. ولتاژ ورودی بین بار و امپدانس تانک رزونانس تقسیم می‌شود. SRC به عنوان یک مدار تقسیم‌کننده ولتاژ عمل می‌کند. بنابراین، بهره DC SRC همیشه کمتر از واحد است. مقدار امپدانس مدار تانک در فرکانس رزونانس کوچک است. بنابراین، مقدار ولتاژ خروجی مبدل رزونانس برابر با ولتاژ ورودی آن است. از این رو، مقدار بهره SRC در فرکانس رزونانس حداکثر است (یانگ، ۲۰۰۳؛ استیگروالد، ۱۹۸۸). مبدل SRC شامل یک خازن در سمت اولیه ترانسفورماتور است که مولفه dc بلوک جریان اولیه را مسدود می‌کند (استیگروالد، ۱۹۸۸). بنابراین، در شرایط بی‌باری، گزینش‌پذیری پایینی در مشخصه‌های بهره ولتاژ SRC مشاهده می‌شود. برای این شرایط، منحنی بهره ولتاژ به صورت یک خط افقی به نظر می‌رسد. بنابراین، SRC نمی‌تواند در شرایط بی‌باری کار کند که یکی از محدودیت‌های مبدل SRC است.

محدودیت دیگر این است که فیلتر خروجی باید بتواند جریان ریپل بالا را تحمل کند. بنابراین، SRC برای کاربردهای ولتاژ پایین با جریان بالا مناسب نیست.

۲.۲ مبدل رزونانس موازی

شماتیک مبدل رزونانس موازی در شکل 7b نشان داده شده است. در PRC، یکی از اجزای راکتیو یا هر دو به صورت موازی با بار

متصل می‌شوند. این پیکربندی، مبدل رزونانس موازی نامیده می‌شود (یانگ، 2003؛ استیگروالد، 1988).

طرف اولیه ترانسفورماتور شامل یک خازن است و یک سلف در طرف ثانویه برای تطبیق امپدانس استفاده می‌شود.

محدودیت مبدل SRC با استفاده از PRC حل می‌شود که در حالت بی‌باری قادر به تنظیم ولتاژ خروجی است. این مبدل از این

محدودیت رنج می‌برد که مقدار جریان در گردش با افزایش ولتاژ ورودی افزایش می‌یابد. مقدار جریان در گردش در مقایسه با SRC

زیاد است.

 

۲.۳ مبدل رزونانس سری-موازی

شماتیک مبدل رزونانس سری-موازی در شکل 8 نشان داده شده است. این مبدل شامل سه عنصر راکتیو است. مخزن رزونانس SPRC ترکیبی است که از ترکیب SRC و PRC تشکیل شده است. یک سلف فیلتر خروجی، مشابه PRC، به سمت ثانویه اضافه می‌شود تا با امپدانس مطابقت داشته باشد (یانگ، 2003). این چیدمان، معایب SRC و PRC مانند تنظیم بی‌باری و جریان گردشی را از بین می‌برد.

 

این امر را می‌توان با طراحی و انتخاب مناسب اجزای رزونانس به دست آورد. این مبدل رزونانس سری-موازی می‌تواند ولتاژ خروجی را در حالت بی‌باری تنظیم کند، تنها در صورتی که مقدار Cp خیلی کوچک نباشد. اگر مقدار Cp خیلی کوچک باشد، مانند یک SRC رفتار خواهد کرد (Steigerwald, 1988).

 

۲.۴ مبدل LLC:

مزایای مبدل‌های رزونانس سری و موازی در مبدل رزونانس LLC ترکیب شده‌اند. مزایای اضافی مبدل‌های رزونانس (به‌ویژه نوع LLC) که به خودروهای برقی منتقل می‌شوند، در شکل 9 به تفصیل شرح داده شده است. مبدل رزونانس LLC به دستیابی به عملکرد روشن شدن با ولتاژ صفر (ZVS) و خاموش شدن با جریان صفر (ZCS) کمک می‌کند. علاوه بر این، چگالی توان بالاتر با کار در فرکانس بالاتر حاصل می‌شود که اندازه ترانسفورماتور را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، ترانسفورماتور همچنین ایزولاسیون گالوانیکی را فراهم می‌کند.

مبدل رزونانسی طیف وسیعی از ولتاژهای خروجی را تولید می‌کند. با تغییر فرکانس سوئیچینگ، تغییری در امپدانس اجزای رزونانسی ایجاد می‌شود که منجر به تغییر در بهره مبدل خواهد شد. شکل موج‌های ولتاژ و جریان یکسوکننده دیودی هیچ گونه جهش ناگهانی ندارند. از این رو، تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و آلودگی هارمونیکی کمی دارد.

شکل 10 شماتیک مبدل نیم پل LLC را نشان می‌دهد.

این مبدل به پنج بخش تقسیم شده است که عبارتند از: یک اینورتر نیم پل،

تانک رزونانس، ترانسفورماتور با نسبت دور n:1 ومدار یکسوساز با سر وسط، خازن خروجی. بار مربوط به مبدل LLC باتری است

که به عنوان یک بار مقاومتی نمایش داده می‌شود.

نکته: تفاوت بین مبدل رزونانس سری و مبدل رزونانس LLC در وجود اندوکتانس مغناطیسی Lm است. مبدل LLC دارای سه جزء

رزونانسی، Lr، Cr و Lm است. در اینجا، Lr و Cr سلف و خازن رزونانسی و Lm اندوکتانس مغناطیسی است. ورودی این مدار

تانک، پیکربندی اینورتر نیم پل است.

نکته: به دلیل وجود یک خازن سری با مسیر جریان، متعادل‌سازی خودکار شار امکان‌پذیر است وبهره در فرکانس رزونانس، صرف

نظر از تغییر بار، همیشه برابر با واحد است، f1.

۲.۵ مبدل CLLC

مبدل LLC دارای یک مدار تانک رزونانس نامتقارن است. با این حال، این مشکل با استفاده از مبدل CLLC حل می‌شود.

مبدل CLLC تمام پل در شکل 16 نشان داده شده است. این مبدل دارای چهار جزء رزونانسی، Cpr Lpr Lrs Crs است. این مبدل توسط یک

فرکانس متغیر کنترل می‌شود که ناحیه وسیعی از ناحیه سوئیچینگ نرم را در شرایط بار کم پوشش می‌دهد. این مبدل راندمان بالاتری ارائه

می‌دهد.

با این حال، طراحی و کنترل آن پیچیده است یک مبدل رزونانسی CLLC با توان ۶.۶ کیلووات و راندمان ۹۷.۸۵٪ در مقاله ژانگ و همکاران

(۲۰۲۰) پیشنهاد شده است.

یک مطالعه مقایسه‌ای بین مبدل CLLC نیم پل و تمام پل در مقاله He و Khaligh (2016) انجام شده است.

نیم پل تنش جریان بالایی دارد و چگالی توان نیز بالا و در مقایسه با تمام پل، کم‌هزینه است.

یک تحلیل مقایسه‌ای نشان می‌دهد که ناحیه ZVS به دلیل ظرفیت خازنی انگلیparasitic) (سوئیچ‌ها کاهش می‌یابد .

 

طرح‌های کنترل مدولاسیون:

طرح‌های کنترل مدولاسیون کارایی مبدل‌های رزونانسی توسط سوئیچ‌های نیمه‌هادی قدرت و اجزای غیرفعال تعیین می‌شود. با این حال، طرح‌های مدولاسیون اتخاذ شده برای مبدل‌های رزونانسی تأثیر قابل توجهی بر کارایی این مبدل‌ها دارند. طرح‌های مدولاسیونی که عمدتاً برای مبدل‌های رزونانسی استفاده می‌شوند، فرکانس متغیر (VF)، فرکانس ثابت و طرح‌های کنترل مسیر بهینه هستند (یوسف و جین، ۲۰۰۴).

۳.۱ طرح کنترل فرکانس متغیر

این طرح برای کنترل ولتاژ خروجی مبدل رزونانس استفاده می‌شود. در این طرح، کنترل ولتاژ با تغییر فرکانس سوئیچینگ fs بالاتر از فرکانس رزونانس fr حاصل می‌شود.

سوئیچ‌های یک پای مبدل رزونانس تمام پل با چرخه وظیفه ۵۰٪ کار می‌کنند و یک تغییر فاز ۱۸۰ درجه‌ای بین سیگنال‌های کنترل پای دیگر پل حفظ می‌شود.

زمان روشن بودن کلید در یک مقدار ثابت نگه داشته می‌شود در حالی که زمان خاموش بودن ماهیتاً متغیر است.

در نتیجه  این طرح منجر به پاسخ گذرای ضعیف مبدل می‌شود. طرح فرکانس متغیر به عنوان کنترل‌کننده نوسان خودپایدار (SSOC) و

مدولاسیون تغییر فاز خودپایدار (SSPSM) نیز طبقه‌بندی می‌شود.

۳.۲ طرح فرکانس ثابت

در یک طرح کنترل فرکانس ثابت، مبدل رزونانس در فرکانس ثابت با هدف اطمینان از

عملکرد ZVS

مبدل رزونانس کار می‌کند

با این حال، مبدل‌های رزونانسی قابلیت ZVS خود را تحت شرایط بار کم و طیف وسیعی از تغییرات ولتاژ ورودی تحت این طرح کنترلی از دست می‌دهند. این طرح به سه دسته دیگر طبقه‌بندی می‌شود که عبارتند از

(الف) طرح‌هایی شامل مدولاسیون تغییر فاز (PSM)،

(ب) مدولاسیون پهنای پالس نامتقارن (APWM) و

(ج) حالت کلمپ نامتقارن (ACM). طرح کنترل PSM فقط برای مبدل‌های تمام پل قابل اجرا است. زاویه فاز، Θ

بین سیگنال‌های کنترلی اعمال شده به دو سوئیچ در یک پایه، درجه (180-Θ) است و نسبت وظیفه برای هر دو سوئیچ در مقدار 50٪ ثابت شده است. عملکرد مبدل‌های رزونانسی برای چرخه وظیفه متغیر (d) تضمین شده است و فرکانس سوئیچینگ fs

بالاتر از فرکانس رزونانس fr انتخاب می‌شود. در نتیجه، یک پایه اینورتر تحت سوئیچینگ جریان صفر (ZCS) و دیگری تحت سوئیچینگ ولتاژ صفر (ZVS) قرار خواهد گرفت..

۳.۴ مدولاسیون تغییر فاز خودپایدار (SSPSM)

این طرح با ترکیب SSOC و PSM شکل گرفته است تا عملکرد طرح کنترل فرکانس متغیر را بهبود بخشد. هدف این طرح کنترل همزمان فرکانس سوئیچینگ و پهنای پالس‌های PWM است که تضمین می‌کند ولتاژ خروجی تنظیم شده و عملکرد ZVS مبدل حفظ شود. این امر با کمک حلقه داخلی و حلقه خارجی محقق می‌شود. عملکرد این حلقه‌ها مشابه حلقه‌های ذکر شده در SSOC است.

۳.۵ کنترل بهینه مسیر

همچنین به عنوان تنظیم‌کننده خطی درجه دوم (LQR) شناخته می‌شود. این طرح یک مورد خاص از مسیر صفحه حالت است که در آن کنترل‌کننده مسیر خاصی را دنبال می‌کند که انرژی مخزن رزونانس را در محدوده ثابتی نگه می‌دارد. مرحله اول استخراج یک مدل فضای حالت از مدار در یک نقطه کار است.

مرحله دوم برای محاسبه LQR برای آن نقطه کار. این طرح کنترل دارای یک پاسخ گذرای سریع است که متعاقباً توسط SSPSM، SSOC، سپس PSM و در آخر توسط کنترل‌کننده VF دنبال می‌شود.

اگر فرکانس سوئیچینگ مبدل رزونانس بالاتر از فرکانس رزونانس انتخاب شود، تلفات سوئیچینگ بالایی ایجاد می‌کند. افزایش تلفات

سوئیچینگ منجر به افزایش دمای دستگاه می‌شود که به نوبه خود تلفات هدایت را افزایش می‌دهد.

به همین ترتیب، جریان گردشی که بین مبدل‌ها جاری می‌شود، تلفات هدایت را بیشتر افزایش می‌دهد.

استراتژی‌های کنترلی برای مبدل‌های رزونانسی باید به گونه‌ای انتخاب شوند که پاسخ دینامیکی مبدل را با تلفات هدایت و خاموشی کمتر

بهبود بخشند.

 

۷. مقایسه توپولوژی‌های موجود

سه پیکربندی مبدل LLC وجود دارد که در جدول 6 با هم مقایسه شده‌اند. مشاهده می‌شود که پیکربندی نیم پل در مقایسه با تمام پل و LLC سه سطحی، تعداد کمتری قطعه دارد. پیاده‌سازی پیکربندی نیم پل ساده است. با این حال، فشار بیشتری روی سوئیچ‌ها دارد و ریپل‌های با بزرگی زیاد در جریان خروجی ایجاد می‌کند. برای حل این مشکل، از پیکربندی LLC تمام پل استفاده می‌شود. این پیکربندی قابلیت اطمینان بالا و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) کمی دارد. با این حال، هزینه مبدل رزونانس مبتنی بر LLC بالا و طراحی آن دشوار است. پیکربندی TL-LLC در مقایسه با سایر پیکربندی‌ها گران‌تر است. این پیکربندی برای کاربردهای توان بالا مناسب است زیرا فشار ولتاژ نیمی از منبع تغذیه است.

جدول 7 مقایسه‌ای از مبدل‌های یک‌طرفه 1 کیلووات، 1.5 کیلووات و 3.3 کیلووات را نشان می‌دهد. در حالی که مبدل دوطرفه SR، LLC، CLLC 3.5 کیلووات است، توان 6.6 کیلووات در جدول 7 مقایسه شده است. در مقاله وانگ و همکاران (2013) مرحله اول این مبدل، مبدل بوست چندلایه و مرحله دوم دارای یک مبدل LLC تمام پل است. این مبدل دارای راندمان 95.4٪ است. خازن لینک DC حجیم است و در هنگام راه‌اندازی جریان بالایی دارد که باعث افزایش دما و کاهش عمر شارژر می‌شود. با این حال، جزئیات عملکرد مرحله اول به اندازه کافی در مقالات مورد بحث قرار نگرفته است. یک مبدل LLC تمام پل با لینک DC متغیر در مرحله دوم ترجیح داده می‌شود. حداکثر راندمان مبدل ردیابی می‌شود (وانگ و همکاران، 2014a).

یک مبدل هیبریدی که با ترکیب مدار تانک رزونانس SRC به همراه LLC برای مرحله دوم تشکیل شده است، در Wang (2015) مورد بحث قرار گرفته است. این مبدل دارای راندمان 96.8٪ است. عیب آن این است که تعداد ترانسفورماتورها به دو و اجزای رزونانس به پنج افزایش می‌یابد. برای یک شارژر با توان نامی 1.5 کیلووات، در Shahzad و همکاران (2015) مورد بحث قرار گرفته است.

۸. چالش‌ها و راهکارها

مبدل‌های دوطرفه در مقایسه با مبدل‌های یک‌طرفه، مزایای بیشتری مانند (خدمات جانبی، عملکرد در حالت‌های مختلف V2G، V2H و V2V) دارند. با این حال، مبدل‌های دوطرفه شامل سوئیچ‌های قدرت بیشتری هستند که به نوبه خود هزینه را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، تلفات سوئیچینگ را افزایش داده و راندمان کلی و چگالی توان را کاهش می‌دهد. چالش‌های مرتبط با مبدل‌های دوطرفه به صورت تصویری، همانطور که در شکل 19 نشان داده شده است، نشان داده شده است.

شارژرهای خودروهای برقی معمولاً با استفاده از دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون طراحی می‌شوند که در فرکانس سوئیچینگ زیر ۱۰۰ کیلوهرتز کار می‌کنند. عملکرد بالاتر از این محدوده فرکانسی ممکن است منجر به تلفات سوئیچینگ و هدایت بیش از حد شود و ممکن است باعث خرابی حرارتی دستگاه شود.

عملکرد یک مبدل رزونانس تا حد زیادی تحت تأثیر فرکانس رزونانس قرار دارد که نقش مهمی ایفا می‌کند. اگر مقدار انتخاب شده فرکانس رزونانس بالا باشد، منجر به مقدار کمتری از اندوکتانس مغناطیسی Lm می‌شود که جریان‌های گردشی را افزایش می‌دهد. اگر فرکانس رزونانس مقدار کمتری داشته باشد، باعث کاهش مقدار Zr و fs می‌شود که چگالی توان مبدل را کاهش می‌دهد.

چالش بیشتر مربوط به ناحیه عملیاتی مبدل است.

برای اطمینان از سوئیچینگ ولتاژ صفر، مبدل رزونانس باید در فرکانس رزونانس کار کند. هنگامی که فرکانس سوئیچینگ از فرکانس رزونانس تغییر می‌کند، راندمان تغییر می‌کند.

همانطور که در بالا بحث شد، فرکانس کاری شارژرهای مبتنی بر سیلیکون (Si) 100 کیلوهرتز است که منجر به فضای زیادی از اجزای غیرفعال می‌شود. این یک رویکرد مناسب برای دستیابی به چگالی توان بالا با کاهش چشمگیر اندازه اجزای غیرفعال است.

در مورد مبدل‌های مبتنی بر Si، با افزایش فرکانس سوئیچینگ، راندمان به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. این به دلیل افزایش تلفات سوئیچینگ و تلفات هدایت (با در نظر گرفتن ضریب دمای اتصال مثبت)، تلفات سیم‌پیچ AC و تلفات هسته اجزای مغناطیسی است. و آخرین چالش، شبکه جبران‌سازی است. در مبدل‌های رزونانس مبتنی بر LLC، مخزن رزونانس ماهیت نامتقارنی دارد که ممکن است باعث تقسیم نابرابر جریان در مخزن رزونانس شود.

راه‌حل‌های ممکن برای چالش‌های ذکر شده در بالا در زیر فهرست شده‌اند:

۱. گنجاندن قطعات با شکاف باند پهن در مبدل‌های رزونانسی، راندمان و چگالی توان را افزایش می‌دهد. این قطعات دارای شاخص شایستگی (FOM) بسیار بالاتری هستند که می‌توانند راندمان و چگالی توان را به طور قابل توجهی بهبود بخشند. قطعات کاربید سیلیکون (SiC) قادر به کار در صدها هزار فرکانس برای دستیابی به چگالی توان بالاتر هستند. عملکرد در فرکانس سوئیچینگ بالاتر منجر به کاهش اندازه اجزای غیرفعال می‌شود. MOSFET های مبتنی بر SiC در جریان رسانایی یکسان، مقاومت حالت روشن کمتری نسبت به MOSFET های مبتنی بر Si دارند. بنابراین، MOSFET های مبتنی بر SiC تلفات رسانایی را کاهش داده و راندمان بالاتری دارند. بنابراین، این قطعات گزینه خوبی برای شارژرهای روی برد (OBC) محسوب می‌شوند.

علیرغم مزایای متعدد قطعات SiC و GaN، چالش‌هایی نیز در ارتباط با این قطعات وجود دارد، مانند هزینه بالا، طراحی پیچیده درایورهای گیت و طراحی پیچیده محافظت در برابر EMI. علاوه بر این، راندمان GaN و SiC با افزایش دمای عملیاتی از ۵۰ درجه به ۱۵۰ درجه، ۴ درصد کاهش می‌یابد.

۲. طراحی اجزای مغناطیسی به شیوه‌ای بهینه ضروری است. رویکرد پیشنهادی در مقالات برای طراحی مبدل‌های رزونانسی با استفاده از ترانسفورماتورهای با شکاف بزرگ استفاده می‌شود (Finkenzeller و همکاران، ۲۰۲۰). یکی دیگر از راه‌حل‌های ممکن، استفاده از ترانسفورماتور صفحه‌ای در مقاله لی و همکاران (۲۰۱۸a) است.

۳. ناحیه سوئیچینگ نرم را می‌توان با کمک طرح‌های مدولاسیون و انتخاب طرح‌های کنترلی که فرکانس رزونانس را ردیابی می‌کنند، گسترش داد (وانگ (۲۰۱۵).

۴. مبدل‌های رزونانس باید در مقادیر بالای فرکانس‌های سوئیچینگ با هدف کاهش اندازه اجزای غیرفعال، کار کنند (لی و همکاران (۲۰۱۸a).

۵. چالش‌های مرتبط با شبکه جبران‌سازی با انتخاب مناسب اجزای راکتیو شامل مبدل رزونانس دو عنصری، سه عنصری و چند عنصری، متقارن کردن مدار تانک مانند مدار تانک نوع CLLC و با استفاده از چندین طبقه مدار تانک در مطالعات بیرانوند و همکاران (۲۰۱۱)، وو و همکاران (۲۰۱۶) و شانگ و وانگ (۲۰۱۸)، وانگ و همکاران (۲۰۱۹) برطرف می‌شوند.

 

۱۰. نتیجه‌گیری

این مقاله، مروری بر جدیدترین مقالات در مورد مبدل‌های رزونانس مورد استفاده در کاربردهای شارژر خودروهای الکتریکی ارائه می‌دهد. در این طبقه‌بندی مبدل رزونانس، دستورالعمل‌های انتخاب شارژرهای مختلف دو مرحله‌ای مبتنی بر مبدل رزونانس مورد بحث قرار گرفته است. از توپولوژی‌های مختلف مبتنی بر مبدل رزونانس که در مقالات مورد بحث قرار گرفته‌اند، مشاهده می‌شود که مبدل رزونانس CLLC راندمان خوبی دارد. با این حال، هزینه پیاده‌سازی بالاتر است و مدارها به دلیل وجود عناصر واکنش‌پذیرتر، برای تجزیه و تحلیل پیچیده‌تر می‌شوند. علاوه بر این، طرح‌های مدولاسیون مختلفی که برای شارژرهای مبتنی بر مبدل‌های رزونانس استفاده می‌شوند، مانند فرکانس متغیر، فرکانس ثابت، نوسان خودپایدار و مدولاسیون تغییر فاز خودپایدار، وجود دارد. در میان طرح‌های مدولاسیون مختلف مورد استفاده با شارژرهای مبتنی بر مبدل‌های رزونانس که در مقالات گزارش شده‌اند، طرح مدولاسیون SSPSM کاندیدای خوبی در نظر گرفته می‌شود. اجرای این طرح مدولاسیون منجر به کاهش تلفات هدایت و کاهش اندازه فیزیکی اجزا می‌شود. علاوه بر این، کنترل‌کننده در مورد مبدل رزونانس LLC-CLLC به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است. کنترل‌کننده حالت لغزشی خطای ثابت کمتری (<0.5%) دارد و مقدار زمان نشست را کاهش می‌دهد، در نتیجه پاسخ گذرای سیستم را بهبود می‌بخشد. کنترل‌کننده مورد استفاده برای تزریق توان اکتیو (P) و توان راکتیو (Q) در حالت عملکرد V2G به تفصیل شرح داده شده است. برای تبادل توان اکتیو و راکتیو بین خودروی برقی و شبکه، طرح کنترل‌کننده یکپارچه باعث می‌شود عملکرد دینامیکی سیستم سریع‌تر شود. استفاده از دستگاه‌های SiC و GaN در توپولوژی‌های مبتنی بر مبدل رزونانس منجر به بهبود راندمان و چگالی توان شارژرها می‌شود. چالش‌های مرتبط با شارژ خودروهای برقی مبتنی بر مبدل رزونانس برجسته شده و دامنه آینده آنها نیز گنجانده شده است.

متشکر

 

دانلود pdf کامل این مقاله

 

پیشنهاد مقاله : تعمیر اینورتر اگر در زمینه تعیمرات اینورتر خدماتی نیاز دارید ، ما در خدمت شما هستیم.