مقدمه
در سامانههای الکترونیک قدرت، وقوع اضافه ولتاژهای ناگهانی یکی از عوامل اصلی آسیب دیدن تجهیزات محسوب میشود. این اضافه ولتاژها ممکن است در اثر کلیدزنی بارهای القایی، تخلیههای الکترواستاتیکی، صاعقه، نوسانات شبکه و یا شرایط گذرای عملکرد مدار ایجاد شوند. از آنجایی که کلیدهای قدرت نظیر MOSFET دارای محدوده مشخصی از تحمل ولتاژ هستند، عبور ولتاژ از این محدوده میتواند منجر به تخریب دائمی قطعه شود.
به منظور افزایش قابلیت اطمینان و طول عمر مبدلهای قدرت، استفاده از تجهیزات حفاظتی امری ضروری است. یکی از رایجترین تجهیزات حفاظتی مورد استفاده در این حوزه، وریستورها هستند که قابلیت جذب انرژی اضافه ولتاژ و محدود کردن دامنه ولتاژ را دارند. در این شبیهسازی، عملکرد وریستور در محدودسازی تنش ولتاژی وارد بر MOSFETهای مبدل باک مورد تحلیل قرار گرفته است.
آشنایی با مبدل باک (Buck Converter)
مبدل باک نوعی مبدل DC-DC کاهنده است که وظیفه آن تبدیل یک ولتاژ مستقیم بزرگتر به یک ولتاژ مستقیم کوچکتر با راندمان بالا میباشد. این مبدل معمولاً از اجزای زیر تشکیل شده است:
- منبع ولتاژ DC
- کلید قدرت MOSFET
- دیود هرزگرد
- سلف
- خازن خروجی
- بار مصرفکننده
در شرایط عادی، MOSFET با فرکانس مشخصی روشن و خاموش میشود و انرژی به صورت کنترلشده از ورودی به خروجی منتقل میگردد. نسبت زمان روشن بودن کلید به کل دوره کلیدزنی که با عنوان Duty Cycle شناخته میشود، مقدار ولتاژ خروجی را تعیین میکند.
مفهوم سرج تفاضلی (Differential Surge)
سرج تفاضلی به نوعی از اضافه ولتاژ گفته میشود که بین دو هادی فعال مدار ایجاد میگردد. این نوع سرجها معمولاً در اثر تغییرات ناگهانی جریان، عملکرد تجهیزات کلیدزنی، خطاهای شبکه و یا پدیدههای الکترومغناطیسی به وجود میآیند.
برخلاف سرجهای مد مشترک که نسبت به زمین ظاهر میشوند، سرجهای تفاضلی مستقیماً بین پایانههای مدار ایجاد شده و میتوانند تنش شدیدی به تجهیزات نیمههادی وارد کنند. در مبدلهای سوئیچینگ، این اضافه ولتاژها اغلب بر روی MOSFETها ظاهر شده و ممکن است موجب شکست لایه اکسید گیت، تخریب اتصالهای داخلی و یا افزایش تلفات حرارتی شوند.
وریستور و نقش آن در حفاظت مدار
وریستور یا Voltage Dependent Resistor یک المان حفاظتی غیرخطی است که مقاومت آن تابعی از ولتاژ اعمال شده میباشد. در شرایط عادی، مقاومت وریستور بسیار زیاد است و تقریباً جریانی از آن عبور نمیکند. اما هنگامی که ولتاژ از مقدار مشخصی فراتر رود، مقاومت وریستور به شدت کاهش یافته و مسیر مناسبی برای عبور جریان اضافه فراهم میشود.
این ویژگی باعث میشود انرژی ناشی از اضافه ولتاژ جذب شده و دامنه ولتاژ در سطح ایمن نگه داشته شود. به همین دلیل وریستورها در منابع تغذیه سوئیچینگ، تجهیزات مخابراتی، اینورترها، مبدلهای قدرت و سامانههای صنعتی کاربرد فراوانی دارند.
ساختار مدل شبیهسازی
در این شبیهسازی، یک مبدل باک مجهز به المان حفاظتی وریستور مدلسازی شده است. هدف اصلی مدل، بررسی عملکرد سیستم در هنگام وقوع یک سرج تفاضلی و تحلیل میزان حفاظت ایجاد شده برای کلیدهای MOSFET است.
مدل شامل بخشهای زیر است:
- منبع تغذیه DC
- مدار مبدل باک
- MOSFETهای قدرت
- سلف و خازن خروجی
- مدار اعمال سرج
- وریستور حفاظتی
- بار خروجی
- ابزارهای اندازهگیری و ثبت دادهها
در زمان مشخصی از شبیهسازی، یک پالس اضافه ولتاژ به مدار اعمال میشود تا شرایط واقعی وقوع سرج شبیهسازی گردد. سپس رفتار سیستم با حضور وریستور مورد ارزیابی قرار میگیرد.
تحلیل عملکرد وریستور در شرایط اضافه ولتاژ
هنگامی که سرج ولتاژی در مدار ظاهر میشود، ولتاژ دو سر MOSFETها به سرعت افزایش مییابد. در صورت نبود تجهیزات حفاظتی، این افزایش ولتاژ میتواند از مقدار نامی قطعه عبور کرده و موجب خرابی آن شود.
با نصب وریستور در محل مناسب مدار، به محض افزایش ولتاژ از سطح آستانه، مقاومت وریستور کاهش یافته و جریان اضافی از مسیر آن عبور میکند. در نتیجه ولتاژ دو سر MOSFETها محدود شده و از رسیدن به مقادیر خطرناک جلوگیری میشود.
این فرآیند باعث کاهش تنش الکتریکی وارد بر نیمههادیها شده و احتمال شکست الکتریکی و آسیب دیدن تجهیزات را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد.
نتایج شبیهسازی در Simscape Logging
نتایج استخراج شده از محیط Simscape Logging نشان میدهد که ولتاژ پیک وارد شده به هر MOSFET در طول سیکلهای مختلف کلیدزنی تحت کنترل قرار گرفته است. نمودار ثبت شده، میزان تنش ولتاژی هر کلید را به صورت سیکل به سیکل نمایش میدهد.
بررسی نتایج نشان میدهد که در لحظه وقوع سرج، تمایل طبیعی مدار به افزایش شدید ولتاژ وجود دارد، اما عملکرد سریع وریستور سبب محدود شدن این اضافه ولتاژ میشود. در نتیجه مقادیر ولتاژ ثبت شده بر روی MOSFETها در محدوده مجاز باقی مانده و از آسیب دیدن کلیدهای قدرت جلوگیری میشود.
همچنین مشاهده میشود که پس از عبور شرایط گذرا، مدار به سرعت به وضعیت پایدار بازگشته و عملکرد عادی مبدل باک ادامه پیدا میکند. این موضوع بیانگر انتخاب مناسب پارامترهای وریستور و طراحی صحیح مدار حفاظتی است.
مزایای استفاده از وریستور در مبدلهای قدرت
- افزایش طول عمر MOSFETها
- کاهش احتمال خرابی تجهیزات الکترونیک قدرت
- افزایش قابلیت اطمینان سیستم
- حفاظت در برابر پالسهای ولتاژی گذرا
- کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری
- بهبود پایداری عملکرد مبدل
- جذب انرژی ناشی از سرجهای الکتریکی
کاربردهای صنعتی
استفاده از وریستور در مبدلهای باک و سایر مبدلهای الکترونیک قدرت در صنایع مختلف کاربرد گستردهای دارد. از جمله این کاربردها میتوان به منابع تغذیه سوئیچینگ، شارژرهای صنعتی، تجهیزات مخابراتی، سامانههای انرژی خورشیدی، خودروهای الکتریکی، تجهیزات پزشکی، سیستمهای UPS و درایوهای موتور اشاره کرد.
در تمامی این کاربردها، حفاظت تجهیزات نیمههادی در برابر اضافه ولتاژ از اهمیت ویژهای برخوردار است و استفاده از المانهای حفاظتی نظیر وریستور میتواند نقش کلیدی در افزایش قابلیت اطمینان سیستم ایفا کند.
جمعبندی
در این شبیهسازی، عملکرد یک وریستور به عنوان تجهیز حفاظتی در یک مبدل باک مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که اضافه ولتاژهای ناشی از سرج تفاضلی میتوانند تنش شدیدی به MOSFETهای مدار وارد کنند، اما استفاده از وریستور موجب محدود شدن ولتاژ و جذب انرژی اضافی میشود. دادههای حاصل از Simscape Logging نیز بیانگر کاهش قابل توجه ولتاژ پیک وارد بر کلیدهای قدرت و افزایش سطح ایمنی مدار هستند. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که بهکارگیری وریستور یکی از مؤثرترین روشهای حفاظت از مبدلهای سوئیچینگ در برابر شرایط گذرای ولتاژی بوده و نقش مهمی در افزایش پایداری، قابلیت اطمینان و طول عمر تجهیزات الکترونیک قدرت ایفا میکند.
“`
همه چیز، یکجا، آماده دانلود!
لینک دانلود ویژه اعضا سایت
