بررسی، بهبود و پیاده سازی مبدل اصلاح ضریب توان تک کلید تک مرحله¬ای

STUDENT

DEGREE

YEAR

Today with extended use of electronic equipment, the power quality issues are in attention. Such equipment generate undesirable current harmonics by drawing a non-sinusoidal current from network. These additional harmonics lead to undesirable effects on grid network and have a negative effect on network equipment and other network-connected consumers. In addition, in recent years, some consumer loads who were considered traditionally as linear, nowadays act as an electronic load like lighting systems and electric motors. Therefore, international standards such as IEC61000-3-2 are enacted to limit current harmonics of connected equipment to grid and emphasis on power factor correction techniques close to the module. In order to solve the problem with undesired harmonics, an additional circuit can be added to the consumer equipment to reduce current harmonics and improve power factor. This module is called power factor corrector and its function is to absorb a sinusoidal current from grid. Power factor correction (PFC) methods can be active or passive. Passive techniques use passive elements such as inductor and capacitor in a low-pass filter structure to remove additional harmonics. Although, passive techniques are simple, inexpensive and safe, but require large inductors and capacitors in their structure which limits application of these techniques, especially in low power and high density power supplies. Different structures are suggested based on different DC/DC converters that fulfill power factor correction. By combining power factor converter module with the required DC/DC converter, in addition to cost, weight and volume reduction, the converter total efficiency can be increased too. By combining these two converters, some converters are proposed as single-stage power factor correction converters. In addition to employing single-stage PFC converter, Major effort is put to provide soft switching condition. Among isolated converters, flyback converters are very useful due to inherent simplicity in low and medium powers, so that there is almost no equivalent for this converter at low powers. Therefore, this converter is very attractive in developing low power single stage PFC converters. In this thesis, a single stage PFC converter is introduced based on flyback converter, in which only one switch is used and its turn on and turn off are soft and without losses. In addition, the diodes used in this converter turn off under zero-current and losses due to reverse recovery time of diodes do not exist in this converter. Furthermore, the bulk capacitor voltage in this converter is limited to 1.2 to 2 times of input voltage peak. Due to using a flyback converter as power factor corrector in the proposed converter, Input current waveform of converter has a very low distortion, and in comparison to similar converters has low THD and high power factor. Proposed circuit is analyzed and its performance is evaluated. In addition, the results from practical implementation of a 50 watt prototype justifies the theoretical analysis and simulation results. Keywords: Power Factor Ccorrector (PFC), single stage PFC, Soft Switching, Flyback Converter

امروزه با گسترش استفاده از تجهیزات الکترونیکی، مساله تامین توان مصرفی این تجهیزات ابعاد تازه ای به خود گرفته است. این گونه تجهیزات معمولاً با جذب یک جریان غیر سینوسی از شبکه، مولد هارمونیک های ناخواسته هستند. این هارمونیک های اضافی نه تنها باعث تحمیل تلفات ناخواسته به شبکه شده بلکه بر روی تجهیزات شبکه و سایر مصرف کننده های متصل به شبکه نیز تاثیر منفی دارند. همچنین در سال های اخیر مصرف کننده هایی که به صورت سنتی بار خطی محسوب می شدند مثل سیستم های روشنایی و موتورهای الکتریکی نیز تغییر ماهیت داده و به صورت یک بار غیر خطی عمل می کنند و این به اهمیت اصلاح و کنترل این هارمونیک ها افزوده است. به همین دلیل استانداردهای بین‌المللی مانند IEC61000-3-2 برای محدود کردن میزان تزریق هارمونیک های جریان توسط تجهیزات متصل به شبکه برق تعیین‌شده و بر ضریب توان نزدیک به واحد تأکید می کنند. برای حل مساله فوق می توان مداری در ورودی مصرف کننده قرار داد تا هارمونیک های جریان مصرفی را حذف کرده و ضریب توان مدار را بهبود ببخشد. به این واحد اصطلاحاً اصلاح گر ضریب توان گفته می شود و وظیفه آن جذب جریان کاملاً سینوسی از شبکه برق شهر است. روش اصلاح ضریب توان می تواند فعال یا غیر فعال باشد. تکنیک های غیر فعال از عناصر غیر فعال مانند سلف و خازن در یک ساختار فیلتر پایین گذر برای حذف هارمونیک های اضافی استفاده می کنند. اگرچه تکنیک های غیر فعال ساده، ارزان قیمت و مطمئن هستند اما نیاز به استفاده از سلف و خازن های بزرگ در ساختار آنها، کاربرد این روش را بخصوص در توان های بالا محدود می کند و در توان های بالا بهتر است این کار توسط یک مدار فعال انجام شود. ساختارهای مختلفی بر اساس انواع مبدل های DC/DC پیشنهاد شده است که اصلاح ضریب توان را به خوبی برآورده می کنند. در صورتی که بتوان واحد اصلاح گر ضریب توان را با طبقه بعدی آن که می تواند یک مبدل DC/DC یا هر تجهیز دیگری باشد ترکیب کرد، علاوه بر کاهش هزینه،کاهش در وزن و حجم و احتمالاً تلفات نیز امکان پذیر است. با ترکیب کردن این دو مبدل دسته ای از مبدل ها با نام مبدل های اصلاح ضریب توان تک مرحله ای مطرح می شوند. در کنار تک مرحله ای کردن مبدل معمولاً سعی می شود تا در صورت امکان از روش هایی استفاده شود تا کلید زنی مبدل نیز نرم انجام شود. در میان مبدل های ایزوله، مبدل فلای بک به علت سادگی ذاتی خود در توان های پایین و متوسط بسیار پر کاربرد است به طوری که تقریباً معادلی برای آن در توان های پایین وجود ندارد. به همین دلیل بحث تک مرحله ای کردن مبدل در مورد مبدل فلای بک بیشتر مطرح است تا این سادگی و ارزان بودن مبدل فلای بک از دست نرود. در این پایان نامه یک مبدل تک مرحله ای با قابلیت اصلاح ضریب توان بر پایه مبدل فلای بک معرفی می شود که نه تنها فقط از یک کلید در آن استفاده شده است بلکه روشن و خاموش شدن این کلید نیز به صورت نرم و بدون تلفات انجام می شود. همچنین دیودهای استفاده شده در این مبدل تحت جریان صفر خاموش شده و تلفات ناشی از زمان بازیابی معکوس در دیودها نیز در این مبدل وجود ندارد. بعلاوه ولتاژ خازن ذخیره کننده انرژی در این ایده در حد 1.2 تا 2 برابر پیک ولتاژ ورودی محدود شده است. به علت استفاده از یک مبدل فلای بک به عنوان اصلاح گر ضریب توان در ورودی مبدل پیشنهادی، شکل موج جریان ورودی به مبدل دارای اعوجاج بسیار کمی است و مبدل نسبت به موارد مشابه دارای THD پایین تر و ضریب توان بالایی است. مدار پیشنهادی از نظر تئوری تحلیل شده و عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین با پیاده سازی عملی یک نمونه آزمایشگاهی با توان 50 وات، درستی تحلیل ها و نتایج شبیه سازی نشان داده شده است. کلمات کلیدی: 1- اصلاح ضریب توان(PFC) 2- مدار اصلاح ضریب توان تک مرحله ای 3- روش کلیدزنی نرم 4- مبدل فلای بک