استفاده وسیع از سوخت‌های فسیلی، همچون نفت، زغالسنگ و گاز، اثار گلخانه‌ای و آلودگی محیط زیست را به دنبال دارد. از طرفی، کمبود انرژی و آلودگی محیط زیست موانع عمده‌ای برای توسعه انسان شده‌اند. براساس بررسی‌ها و مطالعات، انرژی خورشیدی وسیع‌ترین منبع انرژی در جهان است. کارشناسان بخش انرژی می گویند، انرژی نوری که توسط خورشید در هر ساعت به زمین می‌تابد، بیش از کل انرژی­ای است که ساکنان زمین در طول یک سال مصرف می‌کنند. از این رو، برای بهره‌گیری از این منبع باید بتوانیم انرژی خورشیدی را به انرژی مورد استفاده تبدیل کرده و یا اینکه فن‌آوری‌ها، توانایی تولید انرژی مورد نیاز از خورشید را داشته باشند [1]. یکی از اصلی‌ترین راه‌های استفاده از انرژی خورشید، استفاده از سیستم‌های فتوولتائیک[1] (PV) است. به پدیده‌ای که بر اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزم‌های محرک، الکتریسیته تولید کند، پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده‌ها استفاده کند، سیستم فتوولتائیک گویند [2].

ولتاژ خروجی سلول‌های PV پایین است. با اتصال سری و موازی سلول‌ها به هم، واحد بزرگتری به نام آرایه فتوولتائیک[2] تشکیل می‌شود که می‌تواند جریان و ولتاژ بزرگتری تولید کند [2].

سیستم­های فتوولتائیک در حالت­های مختلف متصل به شبکه و منفصل از شبکه استفاده قرار می­شوند. در حالت‌های متصل به شبکه، وجود یک اینورتر برای تبدیل ولتاژ DC تولید شده به AC ضروری است. شکل(1) ساختار یک سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه را نشان می‌دهد. در حالت­های منفصل از شبکه، بسته به نوع بار (AC یا DC) ممکن است سیستم شامل یک اینورتر باشد یا نه. در این مقاله تمرکز اصلی بر روی قابلیت­های مختلف مبدل DC به DC در یک سیستم فتوولتائیک شامل راندمان، بهره و قابلیتهای کنترلی است، که در سیستم­های متصل به شبکه و منفصل از شبکه کاربرد دارد [3 و4].

ولتاژ خروجی آرایه های فتوولتائیک با ساختار اتصال سری- موازی نسبتاً پایین است. بنابراین، به مبدل‌های DC به DC افزاینده با بهره بالا نیاز است تا ولتاژ پایین سلول‌های فتوولتائیک را به ولتاژ DC بالایی تبدیل کند [5 و6]. همچنین، برای استفاده بهینه از انرژی تولید شده توسط آرایه خورشیدی، راندمان مبدل باید بالا باشد. به همین علت، در این مقاله یک مبدل DC به DC، دارای خاصیت کلیدزنی نرم و با راندمان و بهره بالا معرفی شده است.

شکل(1): ساختار سیستم PV

مشخصه‌های سیستم‌های فتوولتائیک ذاتاً غیرخطی بوده، تابع پارامترهای محیطی از جمله میزان تابش، دمای محیط و بار متصل به آن است. لذا با انتخاب مناسب نقطه‌کار آرایه فتوولتائیک می‌توان در شرایطی که میزان تابش و دما ثابت است، حداکثر توان را از آرایه فتوولتائیک دریافت نمود. با تغییرات شرایط محیطی (تابش و دما) نقطه‌کار آرایه تغییر پیدا کرده، و در نتیجه با استفاده از الگوریتم‌های متفاوت ردیابی نقطه توان بیشینه[3]، می‌توان میزان توان دریافتی از آرایه را همواره در مقدار بیشینه خود نگه داشت، و به عبارت دیگر نقطه توان بیشینه را ردیابی نمود.

شکل‌های (2) و (3) منحنی‌های مشخصه یک آرایه خورشیدی را نشان می‌دهد. وابستگی زیادی در این منحنی‌ها به شدت تابش نور خورشید و دمای سلول دیده می‌شود. همچنین، نشان داده شده است که نقطه توان بیشینه نیز تابع تابش و درجه حرارت آرایه است. برای داشتن توان بیشتر، سیستم‌های فتوولتائیک همواره باید در نقطه بیشینه توان خود باشند [7].

سیستم کنترل مبدل پیشنهادی، مبتنی بر روش منطق فازی ارائه شده است که به صورت هوشمند ردیابی دقیق و سریع نقطه توان بیشینه را انجام داده، با تنظیم دوره‌کار مبدل، بیشترین توان را به بار تحویل می‌دهد.

شکل(2): مشخصه P-Vآرایه خورشیدی در حین تغییرات دمایی

شکل(3): مشخصه P-V آرایه خورشیدی هنگام تغییرات شدت تابش

در این مقاله، ابتدا در بخش دوم الگوریتم MPPT پیشنهادی، و سپس در بخش سوم مدار قدرت مبدل پیشنهادی توضیح داده خواهد شد. در بخش چهارم نتایج شبیه سازی مبدل به همراه نتایج پیاده سازی مبدل آورده شده است.

1- الگوریتم MPPT پیشنهادی

روش­های مختلفی برای جذب توان از یک آرایه فتوولتائیک ارائه شده است [6-9]. یکی از اصلی ترین این روش­ها روش P&O است. الگوریتم P&O به علت سهولت در پیاده‌سازی به طور گسترده در سیستم‌های PV استفاده می‌شود. در این روش با تغییر دوره‌کار به طور متناوب نقطه‌کار آرایه PV را تغییر داده، توان تولیدی توسط آرایه PV را در شرایط جدید به­دست می‌آورد. سپس با مقایسه مقدار جدید توان خروجی پانل با مقدار قبلی آن، نسبت به انتخاب دوره‌کار مناسب برای داشتن حداکثر توان اقدام می‌کند [6]. از اشکالات عمده این روش می توان به این موارد اشاره کرد: عدم ‌‌همگرایی سریع به نقطه‌کار بهینه، نوسان دامنه توان PV در اطراف نقطه بیشینه در حالت پایدار و وابستگی به پارامترهای فیزیکی آرایه خورشیدی. روش­های متعددی در مقالات برای بهبود این روش ارائه شده است که البته هیچ­کدام به طور کامل نتوانسته‌اند مشکلات را برطرف کنند [7].

با توجه به پیشرفت در تکنولوژی پردازنده های دیجیتال، توجه به کنترل منطق فازی در الگوریتم­های MPPT افزایش یافته است. امتیاز کنترل کننده های فازی در کار کردن با ورودی‌های غیردقیق و غیرخطی، عدم نیاز به مدل ریاضی دقیق و همگرایی سریع و کمترین نوسان در نقطه حداکثر توان است. قابلیت سیستم های فازی ردیابی آنلاین ماکزیمم توان، مقاوم بودن در مقابل تغییرات تابش و دما و عدم نیاز به سنسورهای خارجی برای اندازه‌گیری شدت تابش و دما است [8 و 9].

سیستم هوشمند استفاده شده در این مقاله، کنترل کننده فازی بر اساس روش MPPT است، که دارای دو ورودی و یک خروجی است. دو متغیر ورودی کنترل کننده فازی خطا E(k)، و تغییرات خطا CE(k)، در زمان نمونه برداری k هستند که طبق تعریف برابرند با:

که P(k) و V(k) به ترتیب مقادیر لحظه‌ای توان و ولتاژ آرایه PV هستند. متغیر E(k) که معرف تغییرات توان به تغییرات ولتاژ است نشان می‌دهد که نقطه‌کار در قسمت راست یا چپ نقطه توان بیشینه مشخصه P-V قرار گرفته است و CE(k) که معرف نرخ تغییرات E(k) است بیانگر راستای حرکت نقطه‌ کار می است [10].

کنترل کننده فازی استفاده شده به سه بخش فازی‌سازی، تعیین قوانین و استنتاج فازی و نافازی‌سازی تقسیم شده است، که در ادامه توضیحاتی در مورد این سه بخش ارائه خواهد شد.

1-1- فازی‌سازی

برای تبدیل ورودی‌های کنترل کننده فازی از متغیرهای عددی به متغیرهای زبانی[4] از فازی‌سازی استفاده می‌کنیم. متغیرهای ورودی و خروجی به وسیله مجموعه‌ای از متغیرهای زبانی تعریف می‌گردند که باید برای هر یک از آنها تابع عضویت فازی[5] مناسبی انتخاب گردد. انتخاب اولیه توابع عضویت برای متغیرهای زبانی با توجه به شناخت تجربی از سیستم فتوولتائیک صورت می گیرد.

اساس عملکرد کنترلکنندههای فازی مربوط به نحوه تعریف مجموعههای فازی، شکل مجموعههای فازی و ایجاد قوانین فازی هستند که این امر به ساختار کنترلکننده فازی مورد نظر بستگی دارد [11]. دراین مقاله با استفاده از انجام شبیه سازیهای متعدد به منظور ردیابی دقیق نقطه توان بیشینه، پنج مجموعه PB (مثبت بزرگ)، PS (مثبت کوچک)، Z (صفر)، NB (منفی بزرگ) و NS (منفی کوچک) تعریف گردیده است. همچنین، به منظور سادگی از توابع عضویت مثلثی شکل استفاده شده است. این توابع در شکل (4) نشان داده شده است.

(الف)

(ب)

(ج)

شکل (4): توابع عضویت فازی: (الف) ورودی E، (ب) ورودی CE، (ج) خروجی  ∆D

1-2- تعیین قوانین و استنتاج فازی

متغیرهای ورودی پس از فازی سازی برای تصمیم‌گیری فازی توسط قوانین فازی در اختیار ماشین استنتاج فازی قرار می‌گیرند تا متغیر ∆D یعنی میزان تغییر دوره‌کار PWM را تعیین کند. برای طراحی کنترلر فازی و انتخاب قوانین فازی باید شناخت کاملی از رفتار سیستم فتوولتائیک داشت. در این مقاله هدف ردیابی نقطه حداکثر توان آرایه فتوولتائیک تحت شرایط مختلف دما، شدت نور، بار و عوامل دیگر است. برای این منظور، با توجه به منحنی شکل(3)  ملاحظه می‌گردد که نقطه حداکثر توان در منحنی رسم شده در نقطه توان بیشینه دارای dP/dV=0 است. همچنین، ولتاژ نقاطی که در سمت راست این نقطه؛ جایی که dP/dV>0 است دارای ولتاژ کمتر از ولتاژ نقطه توان بیشینه و ولتاژ نقاطی که در سمت چپ این نقطه؛ جایی که dP/dV<0 است، دارای ولتاژ بیشتر از ولتاژ نقطه توان بیشینه هستند. حال با توجه به خواص رفتاری نقطه توان بیشینه، مجموعه قوانین فازی بخوبی تعریف می‌گردند که نقطه کار آرایه فتوولتائیک به سمت E=0 و CE=0 سوق یابد.

قوانین فازی با توجه به الگوریتم بالا به صورت جدول (1) تعریف می‌شوند. پس از تعیین مجموعه قوانین فازی و تعیین توابع عضویت متغیرهای ورودی، باید ماشین استنتاج فازی را مطرح نمود تا متغیر ∆D را تولید نماید.

جدول (1): قوانین فازی

برای این منظور، از روش استنتاج ممدانی برای تصمیم‌گیری فازی، که در بخش مهندسی کنترل معروف‌تر بوده و بیشتر از سایر روش‌های استنتاج کاربرد دارد، و از عملگر Max-Min برای ترکیب قوانین فازی استفاده شده است.

1-3- نافازی‌ سازی

خروجی کنترل کننده: خروجی کنترل کننده فازی، مجموعه­ای فازی است که شامل متغیر‌های زبانی است که برای استفاده از آن و اعمال آن به سیستم باید از حالت فازی به حالت واقعی برگردد. این عمل را نافازی سازی گویند. در این مقاله از روش مرکز جرم که یکی از معروفترین و پرکاربردترین روش‌ها ست، به منظور نافازی سازی استفاده شده است.

که در آن ∆D خروجی کنترل کننده فازی و D_i مرکز جرمMax-Min در خروجی تابع عضویت است.

در کنترل کننده فازی محاسبه اندازه گام متغیر در افزایش یا کاهش دوره‌ کار، موجب کوتاهتر شدن زمان ردیابی و عملکرد بهتر سیستم در شریط دائمی نسبت به الگوریتم P&O می‌شود. علاوه بر این، دیگر مشکل واگرایی وجود ندارد.

2- مبدل SEPIC[6] ساده

همان­طور که اشاره شد، مبدل های DC به DC، جزء مهمی از سیستم­های فتوولتائیک به شمار می روند. از آنالیز این مبدل­‌ها، عمده چالش‌ها در این کاربردها را می‌توان به صورت زیر مطرح کرد [12]:

الف) چگونه بهره ولتاژ را افزایش دهیم؟

ب) چگونه ولتاژ کلید را کاهش دهیم تا بتوانیم از ماسفت‌های ولتاژ پایین در مبدل‌ها، برای کاهش هزینه تجهیزات کلید و تلفات انتقال، استفاده کنیم؟

ج) چگونه می‌توان کلید زنی نرم را محقق کرد تا بتوان تلفات کلید را کاهش داد؟

د) چگونه می‌توان مسأله بازیابی معکوس دیود خروجی را آرام کرد تا بتوان تلفات بازیابی معکوس را کاهش داد؟

مبدل­های DC به DC مختلفی در مقالات برای سیستم‌های فتوولتائیک استفاده شده است. این مبدل­ها شامل انواع مبدل­های ایزوله و غیر ایزوله هستند [12]. از مبدل‌های DC به DC که به خاطر مزایای برتر آنها، اخیرا مورد توجه پژوهشگران قرارگرفته، مبدل SEPIC است که ساختار پایه آن در شکل(5) نشان داده شده است.

شکل (5): مبدل SEPIC

از مزیت‌های اصلی مبدل SEPIC می‌توان به موارد زیر اشاره کرد  [12-14]:

ولتاژ ورودی و خروجی با پلاریته‌های یکسان ؛

پیوسته بودن جریان ورودی با ریپل کم ؛

تولید ولتاژ خروجی تثبیت شده‌ در رنج وسیعی از ولتاژ ورودی ؛

قابلیت استفاده به صورت افزاینده یا کاهنده ؛

مقدار کم نویز EMI به علت ریپل کم در جریان ورودی.

در این مقاله نیز از مبدل SEPIC استفاده شده و با اعمال تغییراتی اصلاحات لازم، از جمله افزایش راندمان و افزایش بهره در آن ایجاد شده است.

2-1- طراحی مبدل SEPIC ساده

در این بخش مقادیر عناصر‌ مبدل SEPIC ساده که در شکل (5) نمایش داده شده است، محاسبه می‌شود [12-14]. 

2-1-1- ریپل جریان ورودی و سلف‌های L₁ و L₂

مقدار سلف ورودی مبدل SEPIC به عنوان تابعی از حداکثر ریپل جریان ورودی تعیین می‌شود. ریپل جریان ورودی (∆i_L1) در زمان روشن بودن کلید، با رابطه(4) تعیین می‌شود.

که در آن f فرکانس کلید، L₁سلف ورودی، V_i ولتاژ ورودی و D دوره کار مبدل است.

برای تعیین مقدار سلف ورودی L₁، در لحظه‌ای که ولتاژ ورودی مبدل برابر V_i = 36V و دوره کار برابر D = 0.5 است، مقدار ریپل جریان برابر ∆i_L1 = 0.37A به­دست می‌آید که با قرار دادن این مقدار در معادله (5) مقدار L₁تعیین می‌شود:  

میانگین جریان سلف ورودی L₁، برابر میانگین جریان ورودی و میانگین جریان سلف L₂، برابر میانگین جریان خروجی مبدل است و از آنجایی که در این کاربرد عموماً میانگین جریان ورودی مبدل بزرگتر از میانگین جریان خروجی است، مقدار سلف L₂ باید کمتر از مقدار سلف L₁ باشد. همچنین، مقدار ریپل جریان سلف L₂ بیش از دو برابر ریپل جریان سلف L₁است، زیرا ریپل جریان ورودی تنها به سلف L₁مربوط می‌شود. بنابراین، در عمل مقدار سلف L₂را برابر L₂ = 500 µH در نظر می‌گیریم.

2-1-2- محاسبه خازن سری C_S

ولتاژ خازن سری C_S، با تغییر ولتاژ ورودی تغییر می‌کند. بنابراین، این خازن‌ها نمی‌توانند به اندازه خازن خروجی C_o بزرگ در نظر گرفته شوند. این خازن‌ها ریپل ولتاژ فرکانس بالایی را به علت گردش جریان و تغییرات شارژ خازن ∆Q، ارائه می‌دهند. در طول زمان روشنی کلید، جریان در این خازن‌ برابر جریان سلف L₂ است. بنابراین، تغییرات شارژ خازن ∆Q با معادله (6) به­دست می‌آید.

ریپل ولتاژ خازن ∆V_Cرا می‌توان با معادله(7) به عنوان تابعی از تغییرات شارژ خازن در نظر گرفت.

بنابراین، مقدار خازن C_Sرا می‌توان با معادله(8) تعیین کرد که در آن ƒ فرکانس کلیدزنی است.

در پیاده سازی این خازن‌ها به صورت دو خازن موازی 330 nF در نظر گرفته شده است.

2-1-3- محاسبه خازن خروجی C_O

مقدار خازن خروجی به کمک پارامترهای توان خروجی (P_O)، فرکانس شبکه (f_G) و ریپل ولتاژ خروجی (∆V_O) و با توجه به این نکته که ریپل ولتاژ خروجی برابر 1% ولتاژ خروجی است، با استفاده از رابطه(9) محاسبه می‌شود:.

3- مبدل SEPIC پیشنهادی

 مبدل‌های مدرن امروزی ضمن داشتن راندمان بالا، دارای چگالی توان بالایی نیز هستند. برای رسیدن به این هدف باید از تکنیک‌های کلیدزنی نرم استفاده نمود. از تکنیک‌های کلیدزنی نرم، تکنیک‌های ZCS[7] و ZVS[8] را می‌توان نام برد که با ایجاد شرایط کلیدزنی نرم برای عنصرهای نیمه‌هادی، امکان افزایش  فرکانس کلیدزنی را برای مبدل فراهم می سازند [15]، ولی اکثر این مبدل‌ها دارای کلید کمکی و در نتیجه مدارات درایو پیچیده با عنصرهای نیمه هادی زیاد می‌باشند که این مدارات کمکی، تلفات هدایتی محسوسی به مبدل تحمیل می‌نمایند و هزینه مدار را نیز افزایش می‌دهند [16و17]. در این مقاله مبدلی ارائه می شود که بدون استفاده از کلید نیمه هادی کمکی، شرایط کلیدزنی نرم را فراهم می کند؛ ضمن اینکه به خاطر شرایط سیستم­های فتوولتائیک مبدل پیشنهادی بهره بالایی نیز دارد.

شکل (6) مبدل SEPIC پیشنهادی را نشان می‌دهد. مبدل مذکور از دو واحد ضرب کننده تشکیل شده است که یک واحد شامل دیود D_mو خازن C_m و واحد دیگر شامل خازن‌های C_n1 و C_n2 و دیودهای D_n1 و D_n2 است. سلف رزنانسی L_r و خازن رزنانسی C_r به همراه یک مدار اسنابر شامل سلف L_snb و خازن C_snb و سه دیود D_snb1 و D_snb2 و D_snb3 شرایط کلید زنی نرم را برای کلید فراهم می‌کنند.

شکل (6): مبدل SEPIC پیشنهادی

مبدل پیشنهادی، تنها با یک کلید عمل می‌کند که این موضوع باعث عدم استفاده از مدارات درایو بزرگ و در نتیجه کاهش پیچیدگی مدار می‌شود. مدار اسنابر و خازن رزنانسی به کار رفته، شرایط کلیدزنی نرم را در مبدل فراهم می‌کنند. استفاده از دو واحد ضرب کننده در مدار، نه تنها ولتاژ خروجی و به دنبال آن بهره مدار را افزایش می‌دهد، بلکه باعث کاهش ولتاژ کلید و به دنبال آن کاهش تلفات کلید می‌شود [18-20]. سلف رزنانسی به کار رفته نیز نقش مهمی در کاهش مسأله بازیابی معکوس دیودهای خروجی دارد. این مزایا مبدل را برای کاربرد‌های فتوولتائیک بسیار مناسب ساخته است.

3-1- عملکرد مبدل پیشنهادی

در ادامه، به بررسی وضعیت‌های کاری مبدل پیشنهادی پرداخته می‌شود. این مبدل به صورت CCM[9] عمل می‌کند و دارای دوازده وضعیت کاری به شرح زیر است:

وضعیت اول (زمان [t₀ – t₁] شکل (7)): این وضعیت از لحظه قطع کلید S آغاز می‌شود. انرژی ذخیره شده در سلف L_snbاز طریق دیود D_snb1 به خازن C_snbکه با شرایط اولیه صفر است، سرازیر می‌شود و شروع به شارژ این خازن می‌کند. از آنجایی که ولتاژ اولیه خازن C_snb برابر صفر بوده، بنابراین شرایط کلید نرم در لحظه قطع سوئیچ فراهم می‌شود و کلید تحت شرایط ZVS قطع می‌شود؛ ضمن اینکه در این وضعیت، خازن ضرب کننده C_mنیز از طریق سلف L₂در خازن C_Sتخلیه می‌شود. خازن C_r نیز تا هنگامی که کلید S قطع است شارژ، می‌شود.

وضعیت دوم (زمان [t₁ – t₂] شکل(8)): در این وضعیت، ولتاژ خازن C_snbکه در حال شارژ شدن است، افزایش می‌یابد، تا سطح ولتاژ این خازن از سطح ولتاژ خازن C_mبیشتر شده، باعث روشن شدن دیود D_snb3می‌شود. به این ترتیب، انرژی باقیمانده از سلف L_snb، راهی خازن C_mمی‌شود. در این هنگام ولتاژ کلید مبدل برابر ولتاژ خازن C_m شده که این ولتاژ به مراتب کمتر از ولتاژ خروجی است. بنابراین، می‌توان از کلید‌هایی با ولتاژ کمتر استفاده کرد و هزینه مدار را کاهش داد.

وضعیت سوم (زمان [t₂ – t₃] شکل(9)): در لحظه t₂خازن C_snbشارژ می‌شود، طوری که جریان ورودی به آن قطع و باقیمانده انرژی سلف L_snbدر خازن C_mتخلیه می‌شود. در این لحظه انرژی ذخیره شده در سلف‌های L₁  وL₂ از طریق دیود D_O  به خروجی انتقال می‌یابد. جریان سلف L_r به صورت خطی افزایش می‌یابد تا به مقدار جریان ورودی برسد. در این وضعیت خازن C_n1توسط جریانی که از طریق دیود D_n1به آن سرازیر می‌شود، شارژ می‌شود. این جریان سیر نزولی دارد، زیرا خازن C_n1 در حال شارژ شدن است، بنابراین جریان آن به صورت نزولی است. 

وضعیت چهارم (زمان [t₃ – t₄] شکل(10)): در این وضعیت کلید S همچنان قطع و مسیر انتقال انرژی به بار خروجی از طریق دیود D_O برقرار است. در این وضعیت انرژی سلف L_snbبه طور کامل تخلیه و مسیر جریان شامل D_snb1و D_snb3قطع می‌شود. خازن‌ C_n1  نیز همچنان توسط انرژی سلف‌های L₁و L₂شارژ می‌شود. خازن C_m نیز از این لحظه تخلیه انرژی خود در سلف L₂ را شروع می‌کند.

وضعیت پنجم (زمان [t₄ – t₅] شکل(11)): در این وضعیت خازن C_n1شارژ شده، مسیر جریان آن شامل دیود D_n1 قطع می‌گردد. در این لحظه جریان سلف L_r برابر جریان ورودی می‌شود و همچنان انرژی، از ورودی توسط دیود D_O به خروجی انتقال می‌یابد. همچنین، در این لحظه به علت کاهش ولتاژ خازن C_m، دیود D_m را هدایت و این خازن را شارژ می‌کند.

وضعیت ششم (زمان [t₅ – t₆] شکل(12)): در لحظه t₅ کلید S وصل می‌شود. حضور سلف L_snb باعث محدود کردن di/dt در لحظه روشن شدن کلید می‌شود. بنابراین، کلید تحت شرایط ZCS ، به صورت نرم روشن می‌شود. در این لحظه جریان سلف L_r و دیود خروجی به صورت نزولی کاهش می‌یابد. بنابراین، دیود D_o با جریان بازیابی معکوس کمتری قطع می‌شود و مشکل جریان بازیابی معکوس دیود خروجی کم رنگ می‌شود. در این وضعیت خازن C_r همچنان شارژ می‌شود.

وضعیت هفتم (زمان [t₆ – t₇] شکل(13)): در این وضعیت کلید S همچنان وصل است. خازن C_mشارژ و دیود D_m قطع می‌شود. به این ترتیب، این خازن شروع به تخلیه کرده و به ذخیره انرژی در سلف L₂کمک می‌کند. با کاهش انرژی ورودی، خازن C_rاز این لحظه تخلیه می‌شود و انرژی خود را در سلف L_snb تخلیه می‌کند.

وضعیت هشتم (زمان [t₇ – t₈] شکل(14)): در این وضعیت کلید همچنان وصل است. دیود D_o قطع و مسیر جریان به خروجی نیز قطع می‌شود. از این لحظه، خازن C_Sتوسط خازن C_mو سلف L₂شارژ می‌شود. ولتاژ خازن C_rنیز به دلیل تخلیه خازن کاهش می‌یابد.

وضعیت نهم (زمان [t₈ – t₉]شکل(15)): با کاهش سطح ولتاژ سمت کاتد دیود D_snb2 ، به علت تخلیه خازن C_r و کاهش ولتاژ این خازن به سطح ولتاژ منفی، این دیود روشن شده و تخلیه انرژی ذخیره شده در خازن C_snb آغاز می‌شود. با تخلیه انرژی ذخیره شده در خازن C_snb، شرایط اولیه صفر در این خازن فراهم می‌شود، که این امر باعث فراهم شدن شرایط ZVS در هنگام قطع کلید شده و کلید به صورت نرم قطع می‌گردد.

وضعیت دهم (زمان  [t₉ – t₁₀]شکل(16)): از لحظه t₉ دیود D_n2 هدایت کرده، انرژی ذخیره شده در خازن C_n1 را به خازن C_n2 انتقال می‌دهد و این خازن را شارژ می‌کند. دیگر قسمت‌های مدار همانند وضعیت قبل عمل می‌کنند.

وضعیت یازدهم (زمان [t₁₀– t₁₁] شکل(17)): در این وضعیت کلید S همچنان وصل است. خازن C_snb به طور کامل تخلیه ‌شده، دیود D_snb2 قطع می‌شود و شرایط برای قطع کلید S با شرایط ZVS فراهم می‌شود. خازن C_n1 همچنان خازن C_n2 را با جریان کاهشی شارژ می‌کند.

وضعیت دوازدهم (زمان  [t₁₁–t₀]شکل(18)): در این وضعیت کلید S همچنان وصل است. در لحظه t₁₁ جریان عبوری از سلف L_r  برابر صفر می‌شود و دیود D_n2قطع می‌شود. سلف‌های L₁و L₂نیز همچنان در حال ذخیره انرژی هستند تا اینکه کلید قطع و دوره کاری بعدی آغاز شود.

شکل(7): وضعیت اول

شکل(8): وضعیت دوم

شکل(9): وضعیت سوم

شکل(10): وضعیت چهارم

شکل(11): وضعیت پنجم

شکل(12): وضعیت ششم

شکل(13): وضعیت هفتم

شکل(14): وضعیت هشتم

شکل(15): وضعیت نهم

شکل(16): وضعیت دهم

شکل(17): وضعیت یازدهم

شکل(18): وضعیت دوازدهم

4- شبیه‌سازی و پیاده‌سازی مبدل پیشنهادی

در این بخش، ابتدا نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی مبدل پیشنهادی، با استفاده از نرم‌افزار PSIM9.0 که برای شبیه سازی قسمت کنترل کننده با نرم افزار Matlab ارتباط برقرار کرده، ارائه شده است. سپس دوره کار مبدل و خروجی کنترل کننده فازی ارائه شده و در ادامه نتایج حاصل از پیاده‌سازی مبدل، برای مقایسه آورده شده است. مبدل پیشنهادی با فرکانس 50 کیلوهرتز شبیه‌سازی و پیاده سازی شده است. در عمل به ورودی مبدل یک آرایه فتوولتائیک 38 ولتی اعمال شده و در خروجی ولتاژی در حدود 386 ولت دریافت شده است که بیانگر بهره بالای این مبدل است. مقادیر عناصر مبدل پیشنهادی در جدول(2) آورده شده است.

جدول(2): مشخصات مبدل پیشنهادی

استفاده از سلف کوچک L_snbبه صورت سری با کلید، باعث محدود کردن di/dt در لحظه روشن شدن کلید شده، شرایط عملکرد کلید با جریان صفر ZCS را مهیا می‌کند. همچنین، وجود سلف L_rتغییرات di/dt را در تمام دیودها محدود کرده جریان بازیابی معکوس را در دیودها کاهش می‌دهد.

هنگامی که کلید خاموش می‌شود، انرژی سلف L_snbاز طریق D_snb1در خازن C_snbتخلیه می‌شود تا اینکه ولتاژ خازن C_snbاز ولتاژ خازن C_mبیشتر شود. به این ترتیب، دیود D_snb3روشن شده و مسیر جریان به خازن C_mباز می‌گردد. در این زمان ولتاژ کلید برابر ولتاژ خازن C_mبوده که این ولتاژ بسیار کمتر از ولتاژ خروجی است. این امر موجب کاهش تلفات کلید در لحظه روشن شدن می‌شود که تاثیر زیادی در ارتقای راندمان مبدل دارد.

شکل(19): شبیه‌سازی مبدل پیشنهادی

خازن C_r نیز نقش مهمی در ایجاد شرایط ZVS در لحظه قطع شدن کلید دارد. در لحظه‌ای که کلید وصل می‌شود، جریان سلف L_snb افزایش می‌یابد تا اینکه برابر مجموع جریان L₁ و C_Sشود. در این هنگام خازن C_r انرژی خود را در سلف L_snbتخلیه می‌کند، در نتیجه ولتاژ خازن کاهش می‌یابد؛ به طوری که ولتاژ آن در مواقعی به ولتاژ منفی می‌رسد. در مدت زمانی که خازن C_r تخلیه می‌شود، سطح ولتاژ این خازن به سطحی می‌رسد که باعث روشن شدن دیود D_snb2 شده و شرایط برای تخلیه کامل خازن C_snb فراهم می‌شود. در نتیجه، در لحظه‌ای که کلید قطع می‌شود، سطح ولتاژی در حد صفر دارد، در این هنگام دیود D_snb1 وصل و خازن C_snb با انتقال انرژی سلف L_snb به این خازن شارژ می‌شود.

اتصال خازن C_n2 به صورت سری باعث می‌شود تا در هنگام قطع کلید، انرژی ذخیره شده در سلف‌های ورودی را به خروجی انتقال دهد. این خازن در هنگامی که کلید وصل است و سلف‌ها در حال شارژ هستند، توسط انرژی خازن C_n1 شارژ می‌شود.

برای شبیه سازی کنترل کننده فازی پیشنهادی از نرم افزار Matlab استفاده است. خروجی این کنترل کننده میزان تغییرات دوره کار مبدل را مشخص می کند. در واقع، خروجی کنترل کننده فازی در هر مرحله با مقدار قبلی جمع میشود تا مقدار دوره کار مبدل را مشخص کند. این شبیه سازی در شرایط تغییرات پله ای تابش برای بررسی قابلیت تعقیب حداکثر توان توسط کنترل کننده پیشنهادی انجام شده است. نتیجه این شبیه سازی در شکل (20) ارائه شده است.

شکل(20): نتایج شبیه سازی کنترل کننده پیشنهادی: (الف) میزان تابش به آرایه فتوولتائیک (وات بر متر مربع)، (ب) توان نامی آرایه، (ج) توان جذب شده از آرایه، (د) دوره کار مبدل، (ه) خروجی کنترل کننده فازی

برای پیاده سازی مبدل، همان­گونه که در شکل(21) نشان داده شده است، از خازن‌های پلی‌پروپلین[10] به دلیل ESR[11] پایین (ESR = 12 mΩ در فرکانس 100 kHz)، استفاده شده است. ظرفیت خازن‌های  C_m  و  C_sبرابر 660 nF است که بهتر است به صورت دو خازن موازی 330 nF بسته شوند تا بتوان از تأثیر مقاومت ESR آنها چشم پوشی کرد.

شکل(21): مبدل پیشنهادی ساخته شده

برای کلید مبدل از ماسفت قدرت IRFP260N با مشخصات (V_dss=200 V , R_ds(on)=0.04 Ω I_d=50 A) استفاده شده است. همچنین، کلیه دیودهای مبدل، MUR1660 هستند که از نوع دیودهای سریع با مشخصات (V_RRM=600 V , V_DC=600 V V_RMS=420V , I_F=16 A) است.

در ادامه، ابتدا شکل موج‌های به­دست آمده از مبدل پیشنهادی پیاده‌سازی شده، سپس شکل موج‌های حاصل از شبیه‌سازی مبدل به کمک نرم‌افزار PSIM9.0 ، برای مقایسه آورده شده است. چون پیاده سازی در شرایط تابش ثابت انجام شده است، دوره کار مبدل در شرایط ماندگار بدون تغییر و عملا ثابت است.

شکل (22): شکل موج ولتاژ و جریان کلید مبدل پیاده‌سازی شده به طور همزمان (50 V/division and 10 A/division and 5 µs/division)

شکل(23): شکل موج ولتاژ و جریان کلید، حاصل از شبیه‌سازی تئوری مبدل پیشنهادی

شکل (24): شکل موج ولتاژ و جریان دیود خروجی، حاصل از مبدل پیاده‌سازی شده (50 V/division and 2 A/division and 2 µs/division)

شکل (25): شکل موج ولتاژ و جریان دیود خروجی، حاصل از شبیه‌سازی تئوری مبدل پیشنهادی