ارائه یک مبدل توان پالسی سوئیچ-خازنی جدید با استفاده از منبع ولتاژ پایین با قابلیت افزایش سریع دامنه ولتاژ
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتر
سوگند نیکخواه
1
(دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه علوم و فنون مازندران)
محمد رضانژاد
2
(دانشکده مهندسی و فناوری، دانشگاه مازندران)
رضا خسروی
3
(دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه علوم و فنون مازندران)
کلید واژه: توان پالسی, کلیدهای نیمه‌هادی قدرت, مبدل‌های سوئیچ خازنی,
چکیده مقاله :
در این مقاله، ساختار جدیدی جهت تولید پالس ولتاژ بالا با استفاده از منبع ورودی ولتاژ پایین (مانند باتری) پیشنهاد شده است. مبدل ارائه‌شده، قابلیت بالایی در افزایش بسیار سریع دامنه ولتاژ ورودی دارد، به طوری که با تعداد المان‌ها و طبقات کمی به دامنه ولتاژ بالا در خروجی دست می‌یابد. این ساختار که کاربرد زیادی در منابع تغذیه پرتابل مورد استفاده در صنایع مختلف همچون پزشکی دارد، بر اساس مدارات سوئیچ- خازنی بوده و دارای خاصیت خودمتعادلی می‌باشد (ولتاژ خازن‌ها به طور اتوماتیک به مقدار مورد نظر می‌رسد). مقایسه مبدل مورد نظر با مدارهای دیگر نشان از کاهش تعداد المان‌های مورد استفاده در ساختار پیشنهادی دارد. در نهایت جهت اطمینان از صحت عملکرد مبدل پیشنهادی، یک نمونه از مدار در آزمایشگاه، ساخته شده و مورد ارزیابی قرار گرفته است.
In this paper a new topology of pulsed-power converter to generate high-voltage pulses by low-input source is proposed. The proposed high step-up converter can generate high output voltage with few number of elements and stages. This converter which is based on switch-capacitor structure is self-balanced and can be used in portable pulsed power supply. To show the validity of the proposed converter operation, a prototype of the proposed topology in the laboratory was constructed. The results show proper operation of the converter.
[1] J. R. Beveridge, S. J. MacGregor, J. G. Anderson, and R. A. Fouracre, "The influence of pulse duration on the inactivation of bacteria using monopolar and bipolar profile pulsed electric fields," IEEE Trans. on Plasma Sci., vol. 33, no. 4, pp. 1287-1293, Aug. 2005.
[2] M. P. J. Gaudreau, T. Hawkey, J. Petry, and M. Kempkes, "Pulsed power systems for food and wastewater processing," in Proc. 23rd Int. Power Modulator Symp., 4 pp., Rancho Mirage, CA, USA, Jun. 1998.
[3] S. Bae, A. Kwasinski, M. M. Flynn, and R. E. Hebner, "High-power pulse generator with flexible output pattern," IEEE Trans. on Power Elect., vol. 25, no. 7, pp. 1675-1684, Jul. 2010.
[4] S. Zabihi, F. Zare, G. Ledwich, A. Ghosh, and H. Akiyama, "A new pulsed power supply topology based on positive buck-boost converters concept," IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 17, no. 6, pp. 1901-1911, Dec. 2010.
[5] P. Davari, F. Zare, A. Ghosh, and H. Akiyama, "High-voltage modular power supply using parallel and series configurations of flyback converter for pulsed power applications," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 40, no. 10, pp. 2578-2587, Oct. 2012.
[6] J. S. Won, et al., "Characteristics of the forward type high voltage pulse power supply for lamp type ozonizer," in Proc. Power Conversion Conf., vol.1, pp. 100-103, Osaka, Japan, 2-5 Apr. 2002.
[7] Y. Wu, K. Liu, J. Qiu, X. X. Liu, and H. Xiao, "Repetitive and high voltage marx generator using solid-state devices," IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 14, no. 4, pp. 937-940, Aug. 2007.
[8] T. Heeren, et al., "Novel dual marx generator for micro plasma applications," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 33, no. 4, pp. 1205-1209, Aug. 2005.
[9] D. Wang, J. Qiu, and K. Liu, "All-solid-state repetitive pulsed-power generator using IGBT and magnetic compression switches," IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 38, no. 10, pp. 2633-2638, Oct. 2010.
[10] H. Canacsinha, L. M. Redondo, and J. F. Silva, "New solid-state marx technology for bipolar repetitive high-voltage pulses," in Proc. IEEE Power Electronics Specialists Conf., pp. 791-795, Rhodes, Greece, 15-19 Jun. 2008.
[11] A. Alijani, J. Adabi, and M. Rezanejad, "A bipolar high-voltage pulsed-power supply based on capacitor-switch voltage multiplier," IEEE Trans. on Plasma Sci., vol. 44, no. 11, pp. 1820-1824, Nov. 2016.
[12] M. Rezanejad, A. Sheikholeslami, and J. Adabi, "High-voltage modular switched capacitor pulsed power generator," IEEE Trans. on Plasma Science, vol. 42, no. 5, pp. 1373-1379, May 2014.
[13] M. Ramezani, M. Rezanejad, and A. Sheikholeslami, "A new modular bipolar high-voltage pulse generator," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 64, no. 2, pp. 1195-1203, Feb. 2017.
[14] R. Khosravi and M. Rezanejad, "A new pulse generator with high voltage gain and reduced components," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 66, no. 4, pp. 2795-2802, Apr. 2019.
نشریه مهندسی برق و مهندسی كامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 20، شماره 4، زمستان 1401 309
مقاله پژوهشی
ارائه یک مبدل توان پالسی سوئیچ- خازنی جدید با استفاده از
منبع ولتاژ پایین با قابلیت افزایش سریع دامنه ولتاژ
سوگند نیکخواه، محمد رضانژاد* و رضا خسروی
چكیده: در این مقاله، ساختار جدیدی جهت تولید پالس ولتاژ بالا با استفاده
از منبع ورودی ولتاژ پایین (مانند باتری) پیشنهاد شده است. مبدل ارائه‌شده، قابلیت بالایی در افزایش بسیار سریع دامنه ولتاژ ورودی دارد، به طوری که با تعداد المان‌ها و طبقات کمی به دامنه ولتاژ بالا در خروجی دست می‌یابد. این ساختار که کاربرد زیادی در منابع تغذیه پرتابل مورد استفاده در صنایع مختلف همچون پزشکی دارد، بر اساس مدارات سوئیچ- خازنی بوده و دارای خاصیت خودمتعادلی می‌باشد (ولتاژ خازن‌ها به طور اتوماتیک به مقدار مورد نظر می‌رسد). مقایسه مبدل مورد نظر با مدارهای دیگر نشان از کاهش تعداد المان‌های مورد استفاده در ساختار پیشنهادی دارد. در نهایت جهت اطمینان از صحت عملکرد مبدل پیشنهادی، یک نمونه از مدار در آزمایشگاه، ساخته شده و مورد ارزیابی قرار گرفته است.
کلیدواژه: توان پالسی، کلیدهای نیمه‌هادی قدرت، مبدل‌های سوئیچ خازنی.
1- مقدمه
امروزه با گسترش تکنولوژی و شناخته‌شدن کاربردهای مختلف توان پالسی از یک طرف و همچنین پیشرفت سریع فناوری ساخت مولدهای توان پالسی خصوصاً بر اساس نیمه‌هادی‌های قدرت، توجه بسیاری از محققان به این موضوع جلب شده است. به طور کلی، پالس‌های مورد استفاده بر اساس پلاریته ولتاژ به دو گروه تک‌قطبی و دوقطبی تقسیم می‌شوند و هر کدام از این شکل پالس‌ها در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. پالس‌های تک‌قطبی با پیک توان بسیار زیاد، اغلب در کاربردهای نظامی و گداخت هسته‌ای مورد توجه قرار گرفته‌اند. ولتاژهای پالس دوقطبی با پیک توان متوسط اغلب برای کاربردهای صنعتی و محیطی مانند صنایع غذایی، درمان پزشکی، تصفیه آب‌های آلوده، گازهای آلاینده، بازیافت بتون، تولید ازن، تغییر در سطح مواد و ... مورد استفاده قرار گرفته‌اند. استفاده از پالس‌های دوقطبی مثبت و منفی در مقایسه با پالس‌های تک‌قطبی مثبت یا منفی در اکثر کاربردها موجب نتایج مطلوب‌تری شده است [1] تا [3].
محققان در طی این سال‌ها مبدل‌های بسیار زیادی را جهت تولید توان پالسی ارائه داده‌اند. از جمله این مبدل‌ها می‌توان به ساختارهای سوئیچ- خازنی مانند مبدل‌های بر اساس مارکس، چندبرابرکننده‌های ولتاژ و ...
که از خازن به عنوان بخش ذخیره‌ساز انرژی استفاده می‌کنند و همچنین ساختارهایی بر اساس مبدل‌های DC-DC که از سلف به عنوان ذخیره‌ساز انرژی استفاده می‌کنند، اشاره نمود. از ساختارهای ارائه‌شده بر اساس مبدل‌های DC-DC می‌توان به مبدل باک- بوست مثبت که برای تولید پالس ولتاژ بالا گسترش یافته است [4]، مبدل فلای‌بک که برای انواع کاربردهای توان پالسی بهینه شده است [5] و مبدل فوروارد [6] اشاره کرد. این مبدل‌ها می‌توانند یک پالس ولتاژ بالای تک‌قطبی را با انعطاف بالا در خروجی تولید کنند.
از ساختارهای معروف سوئیچ- خازنی مورد استفاده در تولید پالس‌های ولتاژ بالا می‌توان به مولد مارکس اشاره کرد. در این ساختار، تعدادی خازن به صورت موازی توسط منبع، شارژ و سپس این خازن‌ها با یکدیگر سری شده و یک پالس با دامنه ولتاژ بالا را در خروجی تولید می‌کنند. در گذشته از کلیدهای اسپارک‌گپ و مقاومت در ساختار این مولد استفاده می‌شد
که قابلیت و کاربرد آن را محدود می‌کرد. در [7] تکنولوژی مولد مارکس به واسطه جایگزینی کلیدهای نیمه‌هادی مانند IGBT و دیودهای سری به جای اسپارک‌گپ توسعه یافته است. استفاده از ادوات نیمه‌هادی در سیستم‌های توان‌پالسی، موجب حجم کم، قابلیت اطمینان بالا، طول عمر زیاد و فرکانس بالا می‌شود. بدین ترتیب محدودیت‌های مربوط به عناصر قدیمی را از بین می‌برد و باعث می‌گردد که تکنولوژی توان پالسی در گستره وسیعی از کاربردهای صنعتی توسعه یابد.
در [8] برای کاربردهای میکروپلاسما از یک مولد مارکس نیمه‌هادی با به کارگیری BJT به عنوان کلید استفاده شده است.
یک مولد توان‌پالسی نیمه‌هادی با خروجی تک‌قطبی که متشکل از یک مدار مارکس بر اساس IGBT و یک مدار فشرده‌ساز پالس مغناطیسی (به منظور کاهش زمان خیز پالس خروجی) می‌باشد، در [9] پیشنهاد گردیده است. به طور معمول در اکثر ساختارهای تک‌قطبی مطرح‌شده، با استفاده از مبدل پل کامل ولتاژ بالا در انتهای مدار، عمل تبدیل پالس تک‌قطبی به دوقطبی انجام می‌شود. در این شیوه نیاز به چهار سوئیچ است که باید کل ولتاژ خروجی را تحمل کند.
یک ساختار جدید از مولدهای ولتاژ بالای دوقطبی (مثبت و منفی)
بر اساس مفهوم مولد مارکس در [10] ارائه گردیده که برای کاربردهای توان‌پالسی فرکانس بالا استفاده می‌شود. در تمامی این ساختارها که بر اساس مولد مارکس هستند، ولتاژ خازن‌ها حداکثر به ولتاژ منبع ورودی می‌رسد و امکان افزایش ولتاژ خازن‌ها وجود ندارد.
مرجع [11] یک مولد توان پالسی دوقطبی را بر اساس CSVM (چندبرابرکننده ولتاژ سوئیچ خازنی) نشان می‌دهد. مراجع [12] و [13] نیز ساختارهایی جدید را بر اساس مدارهای چندبرابرکننده ولتاژ ارائه می‌کنند.
شکل 1: ساختار مدار پیشنهادی برای 2 طبقه مبدل CDVM و یک طبقه مبدل مبتنی بر شارژ غیر مستقیم.
در هر کدام از این مقالات، یک مبدل الکترونیک قدرت برای تولید پالس‌های ولتاژ بالا با استفاده از منبع ولتاژ پایین ارائه می‌شود. در [14] یک مبدل جدید با استفاده از مدارات سوئیچ- خازنی و بر اساس مفهوم شارژ غیر مستقیم آمده است.
هدف در این مقاله با توجه به مطالب بیان‌شده، ارائه یک ساختار جدید سوئیچ- خازنی منعطف می‌باشد که توانایی تولید ولتاژ بالا را با استفاده از منبع ورودی ولتاژ پایین با تعداد اجزای کمتر نسبت به مدارات مشابه دارد. مولد پیشنهادی، مداری سبک و دارای قابلیت تولید پالس تک‌قطبی با بهره بالا است.
در این مقاله ابتدا در بخش ۲ به ارائه ساختار جدید مولد پالس سوئیچ- خازنی پرداخته می‌شود و سپس روند شارژ و دشارژ خازن‌ها و معادلات حاکم در این ساختار مورد بررسی قرار می‌گیرد. پس از آن، نحوه گسترش مدار ارائه می‌گردد. در بخش ۴ به شبیه‌سازی و پیاده‌سازی عملی ساختار پیشنهادی پرداخته شده و در بخش ۵ نیز مدار پیشنهادی با مدارات قبلی مقایسه می‌گردد.
2- ساختار مدار پیشنهادی
مدار پیشنهادی با قابلیت 17 برابرکردن دامنه ولتاژ ورودی در شکل 1 نشان داده شده است. در این مبدل، تنها از یک منبع AC (یا یک منبع DC با اینورتر) با دامنه ولتاژ پایین استفاده می‌شود. در این مدار در طبقات ابتدایی (که مشابه مبدل چندبرابرکننده ولتاژ سری موازی عمل می‌کند)، ولتاژ خازن‌ها به تدریج و پله‌پله افزایش یافته و به چند برابر ولتاژ ورودی می‌رسند 
، در حالی که در بخش دوم مبدل، ولتاژ خازن ششم به مجموع ولتاژ خازن‌های قبلی 
می‌رسد. نهایتاً ولتاژ خروجی با سری‌کردن خازن‌های موجود در مدار به 17 برابر دامنه ولتاژ ورودی می‌رسد. ولتاژ سوئیچ‌ها در این مدار با ولتاژ خازن همان طبقه برابر می‌باشد. بنابراین چنانچه منبع ولتاژ با دامنه پایین و سوئیچ‌های ولتاژ بالا در اختیار باشد، می‌توان با استفاده از این مدار و با تعداد المان‌های کم، به دامنه خروجی بالا دست پیدا کرد.
3- نحوه شارژ و دشارژ خازن‌ها و معادلات
حاکم در ساختار پیشنهادی
مبدل پیشنهادی در 5 گام توسط منبع، شارژ و سپس بر روی بار دشارژ می‌شود. در ادامه این مراحل مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
3-1 مرحله اول شارژ
ابتدا منبع AC ورودی (اینورتر) در نیم‌سیکل اول (مثبت) قرار دارد. در