سوئیچ ها مورد استفاده در منبع توان پالسی پلاسما، دو عملکرد متفاوت دارند. با توجه به آرایش توپولوژی در شکل (۳-۱)، یک کلید Ss، که در ابتدای توپولوژی قرار دارد که می تواند جریان سلفی را تا سطح معینی در مدار کنترل کند و یک مجموعه ای از سوئیچ ها S₁ و S₂ که در خروجی توپولوژی قرار دارد و در محدوده آن شارژ خازن ها صورت می گیرد. سوئیچ S_Lبرای شبیه سازی پدیده شکست ناگهانی پلاسما در بار که تا سطح ولتاژی معینی کنترل می شود، است. در نتیجه هر کدام از این سوئیچ ها، به عنوان یک عملگر، تحت شرایط خاص دارای عملکرد متفاوتی هستند. بنابراین روش کنترلی منبع ولتاژ را برای توپولوژی را در نظر می گیریم که شکل (۳-۹) فلوچارت کنترلی منبع ولتاژ را برای توپولوژی با توجه به عملکرد کلید ها نشان می دهد.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

شکل(۳-۹):فلوچارت کنترلی پیشنهادی
۳-۴-۴تحلیل روش کنترلی منبع ولتاژ برای توپولوژی
با مطالعه عملکرد این توپولوژی در حالت های مختلف سوئیچینگ، در می یابیم که طیف گسترده ای از پارامترهای اصلی منابع توان پالسی پلاسما ( از جمله: ولتاژ ورودی، المان های تشکیل دهنده مدار، شدت جریان سلفی و مقاومت بار) را در برمی گیرد. در این بخش، روش کنترلی منبع ولتاژ که شامل دو سناریوی متفاوت سوئیچینگ (همزمان وجداگانه) است را برای توپولوژی با اتصال متوالی دو مجموعه کلید دیود خازن (دوطبقه) در نظر می گیریم.
در این روش کنترلی با توجه به توپولوژی، خازنC₂ برای تامین سطح ولتاژ اصلی و از سوی دیگر خازن C₁برای تامین dv/dt مورد نیاز سیستم پلاسما در نظر گرفته می شود. در این راستا، ظرفیت خازن C₂ باید بیشتر از ظرفیت خازن C₁ باشد. اکنون می توان وضعیت کلیدها را در این حالت کلیدزنی شرح داد: کلید S₂ ، قطع است در حالی که کلید S₁هنوز وصل است و جریان ازآن عبور می کند. جریان از طریق خازن C₂ و دیودD₂ تا یک سطح ثابت و مشخصی در مدار جاری می شود. دقیقا بعد از شارژ خازن C₂ کلید S₁ قطع می شود به همان اندازه جریان سلفی نیز باعث هدایت دیود D₁و شارژ همزمان خازن هایC₁ وC₂ می شود. از آنجایی که ظرفیت خازن C₂ بیشتر از ظرفیت خازن C₁ است و با توجه به عبور یک جریان مشابه از این دو خازن، مدت شارژ خازن C₁ در مدت زمان معین کمتر از خازن C₂ است. بنابراین سطح ولتاژ تامین شده در خازن C₁به طور قابل توجهی بالاتر از خازن C₂است. بنابراین می توان خازن C₁ را برای تامین dv/dtو خازن C₂را برای تامین ولتاژ اصلی و سطح ولتاژهای یکسان در منبع توان پالسی پلاسما اختصاص داد.
۳-۵ نتایج و آنالیزهای شبیه سازی شده
شبیه سازی های متعددی در شرایط گوناگون انجام شده تا ارزش عملیات اجرایی این توپولوژی را نشان دهند. سطح ولتاژ ورودی، سایز و اندازه‌ها عناصر تشکیل دهنده وشدت جریان سلف و مقاومت کاهش یافته بار، پارامترهایی هستند که در میان تحقیقات متنوعی که در رابطه با عملیات اجرایی توپولوژی در شرایط مختلف صورت گرفته تغییر پیدا کردند. نتایجی که در این بخش آمده‌اند در رابطه با دو استراتژی سوئیچینگ مختلف می‌باشد.
۳-۵-۱ سوئیچینگ همزمان
در این مورد سلف تا حد A30 شارژ شده و آنقدر در این حد شارژی باقی خواهد ماند تا بار برای چرخه کاری آماده شود. S₁ و S₂ به طور همزمان سوئیچ می‌شوند که اینکار به جریان سلف اجازه می‌دهد تا به داخل بانک خازنی پمپاژ شود. انرژی سلفی که به داخل خازن منتقل شده به شکل ولتاژی تغییر پیدا خواهد کرد. dv/dt تولید شده با سطح جریان سلف همخوانی داشته و با اندازه خازن ها مساوی می‌باشد. در این حالت ولتاژ اتصالی DC خروجی تا حد KV2 شارژ خواهد شد در حالیکه هر خازن فقط می‌تواند KV1 تولید کند. این سطح ولتاژ دارای یک شیب مناسب و زمان صعود، dv/dt می‌باشد که این مسئله برای بار نمونه سازی شده بسیار حائز اهمیت است چون که باعث کاهش شدید در بار خواهد شد. بنابراین مقاومت بار به طور شدیدی افت کرده و در یک زمان بسیار کوتاه تخلیه خواهد شد که آنهم به دلیل یک ثابت زمانی بسیار کوچک می‌باشد.
(۳-۲۵)
خازن‌ها نمی‌توانند به طور کامل تخلیه شوند چون که سلف هنوز در حال فراهم کردن بار و جریان است. این دامنه رنج جریان و مقاومت بار ولتاژی را در طول خازن‌ها خروجی در طول این دوره ایجاد خواهد کرد. این سلف بدلیل دارا بودن ثابت زمانی بالا پس از آن تخلیه می شود.
(۳-۲۶) 
ولتاژی که در خروجی مانده است به طور مساوی میان دو خازن تقسیم خواهد شد. این فرایند تولید در هر زمانی می‌تواند متوقف شود و این لحظه توسط تقاضای بار برای انرژی قابل تعیین می‌باشد. گراف های نشان داده شده در شکل (۳-۱۰) بیانگر جریان سلف، خازن‌ها و ولتاژ خروجی و جریان بار برای لحظه تولید پالس می‌باشند.
شکل (۳-۱۰): ولتاژ خروجی و جریان منبع تغذیه تحت سوئیچینگ همزمان(a)جریان سلف(b) c_1& s₁ ولتاژ© c_2& s₂ ولتاژ(d)ولتاژ خروجی(e)جریان بار
۳-۵-۲ سوئیچینگ مجزا
در مورد بعدی، سوئیچ ها به طور جداگانه ای بر اساس یک منطق خاص به منظور شارژ خازن های متقارن برای اهداف خاص خاموش خواهند شد. نتایج مربوطه به این استراتژی در شکل (۳-۱۱) به طور مفصل بیان شده‌اند. در این سناریو، عملیات متفاوتی برای هر خازن در نظر گرفته شده است. خازنی که بزرگتر انتخاب شود مسئول نگهداری حجم تعریف شده انرژی و فراهم کردن تقربیاً بیشترین سطح ولتاژ می‌باشد. نوع کوچکتر که بعد از آن شارژ شده مسئول dv/dt می‌باشد. فرایند تخلیه تقریبا شبیه به مورد قبلی است بجز در رابطه مستقیم ولتاژ در آخر فرایند، خازن کوچکتر توسط یک ثابت زمانی پائینتر نسبت به نوع بزرگتر تخلیه خواهد شد. به دلیل اینکه می‌تواند برای ولتاژ بالاتری شارژ شود، در مقایسه با دیگر خازن‌ها، خیلی سریعتر نیز تخلیه می‌شود که البته آنهم صرفاً بخاطر ثابت زمانی پائینترش می‌باشد. C₂ هنوز شارژ می‌باشد در حالیکه C₁ به طور کامل تخلیه شده است. بنابراین C₂ همچنان از طریق C₁ به انتقال انرژی به بار مشغول است. این روند آنقدر ادامه پیدا خواهد کرد تا خازن ها به طور کامل تخلیه شوند.

(b)
©
(d)
(e)
شکل(۳-۱۱): ولتاژ خروجی و جریان منبع تغذیه تحت سوئیچینگ جداگانه(a)جریان سلف(b) c_1& s₁ ولتاژ© c_2& s₂ ولتاژ(d)ولتاژ خروجی(e)جریان بار
فصل چهارم
معرفی توپولوژی ارائه شده و نتایج شبیه سازی
مقدمه:
به منظور رفع مشکلات ناشی از توپولوژی مبدل بوک بوست مثبت ارائه شده، در این فصل با بهره گرفتن از ترکیب مبدل مارکس و بوک بوست مثبت به منظور استفاده در کاربردهای سیستم های توان پالسی پیشنهاد می گردد.
۴-۱ معرفی توپولوژی پیشنهادی
توپولوژی پیشنهادی که در این فصل ارائه شده است براساس بهینه‌‌سازی مفهوم مبدل بوک بوست مثبت می‌باشد، ویژگی های این توپولوژی افزایش ولتاژ خروجی و کوتاه کردن زمان شارژ خازن ها تعیین شده است. ساختار این توپولوژی با در نظر گرفتن درک صحیح از سری موازی کردن سلول های خازنی با بهره گرفتن از سوئیچ‌های ولتاژ پائین در جهت کاربرد منبع توان پالسی پلاسما به کار گرفته شده است. برای توپولوژی پیشنهادی، ابتدا فرضیات به شرح ذیل در نظر می گیریم سپس به تحلیل و آنالیز مدار می پردازیم:
الف)- انتخاب روش کنترلی منبع ولتاژ برای تحلیل بار و محاسبه انرژی ذخیره شده در منبع توان پالسی پلاسما
ب)- تلرانس مقاومت داخلی ادوات غیرفعال مانند سلف و خازن صرف ‌نظر می‌گردد.
۴-۲ آرایش و آنالیز توپولوژی پیشنهادی
توپولوژی پیشنهادی مطرح شده در این فصل، بر پایه ترکیب مفهوم مبدل بوک بوست مثبت و ژنراتور مارکس در نظر گرفته شده است. شمای کلی این توپولوژی در شکل (۴-۱) نمایش داده شده است.
منبع ولتاژ از طریق سوئیچ‌های S_S1 و S_S2 و S_S3 سلف‌های L₂ و L₁ و L₃را شارژ می‌کند و با بهره گرفتن از این عملکرد سلف ها همانند منبع ها جریان عمل می‌کنند، زمانی که سلف ها به مقدار تعیین شارژ شداند و با بهره گرفتن از تریگر های که برای کنترل سوئیچ‌ ها طراحی شده اند، برای خاموش کردن سوئیچ استفاده می‌شوند. به محض اینکه سوئیچ ‌ها S_S1 وS_S2 و S_S3 خاموش شده اند، دیودهای هرزگرد D_f1 وD_f2 و D_f3که بین سوئیچ‌ها و سلف ها وصل می شده اند. منبع جریان های را در جهت فراهم کردن یک حلقه جریان هدایت می‌کنند. انرژی دریافت شده از منبع جریان ها در سلول‌های خازنی به شکل ولتاژ ذخیره می‌شوند. و مجموع ولتاژ سلول های خازنی با استفاده ازسوئیچ S₁وS₂ و S₃ و S₄ و S₅و S₆و S₇و S₈بر روی بار خروجی قرار می گیرند. بار مورد استفاده در منابع توان پالسی پلاسما (که خاصیت اهمی و خازنی دارد) را می توان با یک خازن (C_load) و دو مقاومت (R_1Load &R_2Load ) مدل کرد. خازن معادل، نشان دهنده خاصیت خازنی بارها و سوئیچ S_L، در جهت نمایش سوئیچینگ صورت گرفته بین مقاومت های کوچک و بزرگ (R_1Load &R_2Load ) است که برای شبیه سازی پدیده شکست پلاسما نیز مفید و ضروری است. همان‌طور که در شکل )۴-۱) نمایش داده شده است. یک آرایش ۳ سلول خازنی در این فصل به عنوان توپولوژی پیشنهادی مطرح شده، مورد بحث و تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد. توپولوژی بیان شده را می‌تواند برای سلول‌های خازنی طبقه بیش‌تر مورد استفاده قرار داد. حالت اجرایی این توپولوژی به سه مکانیسم اصلی تقسیم می‌شود. که مراحل مکانیسم مبدل توان پالسی در شکل‌ های (۴-۲) و (۴-۳) و (۴-۴) نمایش داده شده است. و هر یک از این حالت های اجرای در این توپولوژی پیشنهادی به صورت مفصل توضیح داده می‌شوند.
شکل(۴-۱): آرایش کلی توپولوژی
شکل(۴-۲): آرایش شارژ شدن سلف ها در توپولوژی
شکل(۴-۳): شماتیک شارژ شدن خازن ها در توپولوژی
شکل(۴-۴): شماتیک بارگذاری بر روی بار در توپولوژی
شکل(۴-۵): شماتیک شکست پلاسما در توپولوژی
۴-۲-۱ مرحله اول: ذخیره‌ سازی مبدل توان پالسی(شارژ سلف)
همانطور که در شکل (۴-۲) نشان داده شده است. در این حالت تمام سوئیچ‌ ها که شامل سوئیچ‌ های منبع جریانی S_S1 و S_S2وS_S3 و سوئیچ ‌های سلول خازنی S₁ وS₂ و S₃ و S₄ و S₅و S₆که وصل می‌باشند. تا وقتی که همه سوئیچ ها وصل هستند جریان سلف افزایش می یابد. بنابراین ولتاژ ورودی V_dc در دو سر سلف ها قرار می گیرد و زمان شارژ سلف ها از روابط (۴-۱) تا (۴-۳) محاسبه می شود:
V_L1+V_L2+V_L3=+V_dc-(3V_SS +۶V_s+3V_D) (4-1)
با فرض اینکه تلفات ادوات نیمه هادی صفر می باشند
V_SS=0 ,V_S=0 ,V_D=0 (4-2)
سپس داریم
(۴-۳)
اگر فرض شود که سلف ها دارای جریان شارژ اولیه نباشد. بنابراین با بهره گرفتن از این رابطه (۴-۴) می توانیم زمان شارژ شدن سلف ها را بدست آوریم.
(۴-۴)
سلف نقش مهم و کلیدی در مکانیسم مبدل توان پالسی ایفا می کند، سلف همانند یک منبع جریان در مبدل توان پالسی اعمال می‌شود در این مرحله زمانی که انرژی ذخیره شده در سلف ها به حد تعیین شده برسند با بهره گرفتن از کنترلگرهایی که برای IGBT ها تعریف شده است، IGBT ها را از حالت روشن به حالت خاموش تغییر وضیعت می‌دهند.
۴-۲-۲ مرحله دوم: انتقال انرژی مبدل توان پالسی(شارژ خازن)
زمانی که انرژی ذخیره شده در سلف ها به مقدار تعیین شده رسید، کنترل‌گر همه سوئیچ ‌ها را خاموش کرده و سوئیچ های جریانی منبع ولتاژ ورودی V_in را از بقیه مدار قطع می‌سازد. از این رو دیود ها هرز گردد در مدار قرار می‌گیرند در این حالت سوئیچینگ هر منبع جریان به طور جداگانه یک سلول خازنی را شارژ می‌کند که در شکل (۴-۳) به صورت کامل نشان داده شده است. در این مرحله انتقال انرژی از حالت جریانی به حالت ولتاژی تغییر حالت می دهد.
۴-۲-۳ در مرحله سوم: تولید توان پالسی(شکست پلاسما)
در این مرحله سلول ‌های خازنی به طور کامل شارژ شده اند و از آنجا که سلول های خازنی به صورت موازی به هم متصل بوده اند با بهره گرفتن از سوئیچینگ، سلول های خازنی به صورت سری به هم متصل می شوند. که در شکل (۴-۴) نمایش داده شده است. که در طی این مرحله مجموع ولتاژ سلول های خازنی بر روی بار پلاسما قرار می گیرد و در همین لحظه سوئیچ S_L روشن شده و اجرا تولید توان پالسی بر روی بار پلاسما ایجاد خواهد شد. در اصل واقعیت پلاسمایی توسط کاهش مقاومت R_1Load و R_2Load در مسیر سوئیچ S_L اجرا خواهد شد که در شکل (۴-۵) نمایش داده شده است. زمانی که سلول ‌های خازنی و سلف تخلیه شده‌اند، و عملیات اجرایی منبع بار به اتمام می رسد. این توپولوژی می‌تواند از حالت منبع به حالت شارژ سلف بدون هیچ گونه اشکالی بازگردد.
۴-۳ مکانیسم‌‌های کنترلی: