مدار معادل و اصول عملکرد مبدل منبع امپدانس

مدار معادل و اصول عملکرد مبدل منبع امپدانس:

در ادامه، برای توصیف عملکرد مبدل منبع امپدانس، یک اینورتر منبع امپدانس DC/ AC را در نظر می گیریم. شکل 6 یک مدار تبدیل توان دو مرحله ای را نشان می دهد.

شکل 6
فرض می کنیم این مدار برای کاربرد در پیل سوختی است. از آن جایی که پیل های سوختی ولتاژی را تولید می کنند که در محدوده گسترده ای تغییر می کند، به یک مبدل DC/DC بوست نیاز داریم.

شکل 7 یک اینورتر منبع امپدانس را نشان می دهد که برای تولید ولتاژ DC بزرگ تر از ولتاژ پیل سوختی آن را به کار برد. معمولاً یک دیود با پیل سوختی سری می شود. ترکیب کلید و ترانزیستور شکل های 6 و 7 معمولاً برای جلوگیری از گذر جریان معکوس ضروری است.

ویژگی منحصر به فرد اینورتر منبع امپدانس این است که ولتاژ خروجی AC آن، بدون توجه به ولتاژ منبع (پیل سوختی) می تواند هر مقداری بین صفر تا بی نهایت باشد.

بدین ترتیب، اینورتر منبع امپدانس یک اینورتر باک-بوست یا کاهنده-افزاینده است که محدوده گسترده ای ولتاژ قابل دسترس دارد. مبدل های منبع جریان و منبع ولتاژ سنتی چنین قابلیتی ندارند.

برای توصیف عملکرد و کنترل مبدل منبع امپدانس شکل 7، ابتدا درباره ساختار اینورتر منبع امپدانس بحث می کنیم. در این شکل، پل اینورتر منبع امپدانس سه فاز، برخلاف اینورتر منبع ولتاژ سه فاز سنتی که دارای 8 وضعیت سوئیچینگ است، 9 وضعیت (بردار) سوئیچینگ ممکن دارد.

در اینورتر منبع ولتاژ، وقتی ولتاژ DC بار سه فاز را تأمین کند، 6 بردار فعال و وقتی ترمینال های بار توسط سه کلید بالایی یا پایینی اتصال کوتاه شده باشند دو بردار صفر وجود دارد.

البته اینورتر منبع امپدانس سه فاز یک وضعیت صفرِ دیگر نیز دارد و آن وقتی است که ترمینال های بار با دو کلید بالایی و پایینی (یعنی دو کلید روشن) هر یک از ساق های فاز، هر دو ساق فاز و یا هر سه ساق فاز اتصال کوتاه شوند.

این بردار صفر در مبدل های منبع ولتاژ غیرقابل قبول است، زیرا سبب اتصال کوتاه می شود.

این وضعیت (بردار) صفر سوم می تواند به هفت طریق تولید شود: اتصال کوتاه هر ساق یک فاز، ترکیب دوتایی از ساق ها، و همه سه ساق با هم. همین اتصال کوتاه (Shoot-through) وضعیت صفر ویژگی منحصر به فرد باک-بوست را برای اینورتر مهیا می کند.

شکل 8 مدار معادل اینورتر شکل 7 را از دید لینک DC نشان می دهد.

همان طور که در شکل 9 نشان داده شده است، وقتی اینورتر مطابق شکل 9 در حالت صفر Shoot-through باشد، پل اینورتر معادل با یک اتصال کوتاه است.

مطابق شکل 10، وقتی اینورتر در یکی از شش وضعیت اکتیو باشد، اینورتر یک مدار معادل منبع جریان می شود. لازم به ذکر است که وقتی در یکی از دو وضعیت صفر متداول (به غیر از Shoot-through) است، اینورتر با یک منبع جریان با مقدار صفر (یعنی یک مدار باز) معادل است.

بنابراین، شکل 10 مدار معادل اینورتر منبع امپدانس را از دید لینک DC برای حالتی نشان می دهد که پل اینورتر، یکی از 8 وضعیت غیر از Shoot-through است.

همه روش های مدولاسیون پهنای پالس (PWM) را می توان برای کنترل اینورتر منبع امپدانس به کار برد و روابط ورودی-خروجی آن ها همچنان باقی است.

شکل 11 دنباله سوئیچینگ PWM متداول بر اساس روش حامل مثلث را نشان می دهد. در هر سیکل سوئیچینگ، دو وضعیت غیرصفر وجود دارد.

وقتی ولتاژ DC به اندازه کافی برای تولید ولتاژ AC مطلوب بزرگ باشد، PWM متداول شکل 11 مورد استفاده قرار می گیرد.

در حالی که اگر ولتاژ DC به اندازه کافی برای تولید ولتاژ خروجی مطلوب وجود نداشته باشد، از یک PWM اصلاح شده با وضعیت های اتصال کوتاه صفر مطابق شکل 12 برای افزایش ولتاژ استفاده خواهیم کرد.

لازم به ذکر است که هر ساق فاز هنوز در هر سیکل سوئیچینگ خاموش و روشن می شود. بدون تغییر بازه زمانی وضعیت صفر کلی، وضعیت های صفر Shoot-through به طور مساوی به هر فاز اختصاص داده می شوند.

در این حالت وضعیت های اکتیو تغییر نمی کنند. البته ولتاژ لینک DC معادل اینورتر به دلیل وضعیت های اتصال کوتاه (Shoot-through) افزایش یافته است.

لازم به ذکر است که فرکانس سوئیچینگ معادل که از شبکه امپدانس صفر دیده می شود، شش برابر فرکانس سوئیچینگ اینورتر اصلی است و به طور قابل توجهی اندوکتانس مورد نیاز شبکه منبع امپدانس را کاهش می دهد.