اهمیت ساختارهای هاف بریج و فول بریج این است که ترانزیستورهایشان تحت ولتاژی برابر با ولتاژ DC ورودی قرار میگیرند نه مانند ساختار مبدل های push-pull ، single ended و interleaved forward که تحت دو برابر ولتاژ DC ورودی قرار می گیرند. بنابراین ساختارهای پل عمدتا در مبدل های آفلاین استفاده می شود که با قیمت مناسبتر و راحت تر در بازار پیدا میشوند.
ساختارهای پل در اکثر مواقع در جایی که ولتاژ ورودی AC 220 ولت یا بیشتر است استفاده می شوند، همچنین حتی برای ورودی ۱۲۰ ولت AC نیز زیاد به کار می رود.
ویژگی با ارزش دیگر ساختارهای پل این است که اسپایک های ولتاژی ناشی از اندوکتانس نشتی اولیه به سادگی در باس DC محدود می شوند و انرژی ذخیره شده در سلف به جای هدر رفتن در عنصر مقاومتی اسنابر، بازگردانده می شود.
ساختار مبدل هاف بریج
ساختار مبدل هاف بریج در شکل ۳-۱ نشان داده شده است. مزیت بزرگ آن این است که مانند مبدل double ended forward، به ترانزیستور در حالت خاموش فقط Vdc اعمال می شود و نه دو برابر این مقدار. به همین دلیل در تجهیرات اروپایی که ولتاژ ورودی AC آنها ۲۲۰ ولت است به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.
شکل ۳-۱- مبدل هاف بریج. یک سر اولیه ترانس قدرت متصل شده به محل اتصال خازن های فیلتر C1 و C2 با یک خازن DC کوچک Cb. سر دیگر به محل اتصال Q1 و Q2 متصل شده است که به صورت متناوب در نیم سیکل ها روشن و خاموش می شوند. وقتی s1 در حالت بسته باشد، مدار یک دو برابر کننده ولتاژ میشود، وقتی کلید باز باشد، یک یکسوساز تمام موج میشود. در هر دو حالت، خروجی یکسو شده تقریبا ۳۰۸ تا ۳۳۶ ولت است.
یکسوساز ورودی و فیلتر را در شکل ۳-۱ در نظر بگیرید. به طور کلی وقتی که منبع با سیستم برق آمریکا (۱۲۰ ولت) و یا برق اروپا (۲۲۰ ولت) کار می کند از این ساختار استفاده می شود. مدار همیشه ولتاژ یکسوشده DC در حدود ۳۲۰ ولت را می دهد، در حالی که ورودی ۱۲۰ یا ۲۲۰ ولت است.
وقتی که ورودی ۲۲۰ ولت AC است کلید s1 باید در موقعیت باز قرار گیرد و وقتی ورودی ۱۲۰ ولت AC است باید در موقعیت بسته قرار گیرد. عنصر s1 معمولا یک سوییچ نیست، در اغلب مواقع یک سیم ارتباطی است که برای ۱۲۰ ولت وصل میشود و برای ۲۲۰ ولت وصل نمیشود.
وقتی در ولتاژ ۲۲۰ ولت سوییچ در حالت باز قرار دارد مدار یکسوساز تمام موج است که با خازن های فیلتر C1 و C2 سری شده است. در این حالت حداکثر ولتاژ یکسوشده DC در حدود (۱٫۴۱*۲۲۰) یا ۳۰۸ ولت تولید می کند. وقتی سوییچ در ولتاژ ۱۲۰ ولت در حالت بسته قرار دارد، مدار مانند یک دو برابر کننده ولتاژ عمل می کند.
در یک نیم سیکل ولتاژ ورودی وقتی که A نسبت به B مثبت است (ولتاژ A از B بیشتر است)، C1 از طریق D1 تا مقدار حداکثر (۱٫۴۱*۱۲۰) یا ۱۶۸ ولت شارژ می شود. در نیم سیکل بعدی که A نسبت به B منفی است، خازن C2 از طریق D2 تا ۱۶۸ ولت شارژ میشود. ولتاژ کلی که روی C1 و C1 به صورت سری قرار میگیرد برابر با ۳۳۶ ولت میشود.
در شکل ۳-۱ دیده میشود که با روشن شدن هر یک از ترانزیستورها، حداکثر ولتاژ DC ورودی روی ترانزیستور خاموش اعمال می شود نه برابر این مقدار.
از آنجایی که در این ساختار به ترانزیستورهای خاموش فقط به اندازه Vdc ولتاژ اعمال میشود نه ۲Vdc، ترانزیستورهای دوقطبی و ماسفت زیادی وجود دارند که بتوانند ولتاژ نامی ۳۳۶ ولت به علاوه ۱۵% بیشتر یعنی ۳۸۶ ولت را تحمل کنند. بنابراین منبع با تغییر ساده یک سوییچ یا اتصال می تواند در هر دو ولتاژ AC ورودی ۱۲۰ و ۲۲۰ ولت مورد استفاده قرار بگیرد.
گاهی از یک مدار اندازه گیر ولتاژ خط که یک رله یا وسیله دیگری را در موقعیت s1 راه می اندازد (تحریک میکند) استفاده می شود. هزینه اضافه شده و پیچیدگی مدار، خطای آسیب به دستگاه را به دلیل استفاده در ۲۲۰ ولت وقتی که برای ۱۲۰ ولت متصل شده است، از بین می برد.
یک ولتاژ یکسو شده DC نامی ۳۳۶ ولت را در نظر بگیرید. ساختار اینگونه عمل میکند: برای لحظه ای از خازن مسدود کننده سری Cb صرفنظر کنید. تصور کنید انتهای پایینی Np به محل اتصال C1 و C2 وصل شده است.
اگر نشتی در C1 و C2 برابر در نظر گرفته شوند، این نقطه در وسط ولتاژ یکسوشده DC یعنی تقریبا ۱۶۸ ولت خواهد بود. بهتر است مقاومتهایی برای C1 و C2 قرار داده شوند تا افت ولتاژ آنها را برابر کند.
حال Q1 و Q2 بصورت یک در میان (متناوب) در نیم سیکل ها هدایت میکنند. وقتی که Q1 روشن است و Q2 خاموش است (شکل ۳-۱)، سر نقطه دار Np نسبت به سر بدون نقطه آن ۱۶۸ ولت مثبت تر است و ولتاژ اعمال شده به Q2 تنها ۳۳۶ ولت است. وقتی Q2 روشن است و Q1 خاموش است سر نقطه دار Np نسبت به سر بدون نقطه آن ۱۶۸ ولت منفی تر است امیتر Q1 نسبت به کلکتور آن ۳۳۶ ولت منفی است.
این موج مربعی AC در سمت اولیه ترانس، شکل موج مربعی کامل در تمام ثانویه های ترانس تولید می کند_ دقیقا مانند ولتاژهای ثانویه در ساختار push-pull. انتخاب ولتاژهای ثانویه و سایز سیم ها و سلف خروجی و خازن دقیقا مانند مدار push-pull است.
مغناطیس هاف بریج
انتخاب حداکثر زمان روشن بودن، هسته مغناطیسی و تعداد دورهای اولیه در شکل ۳-۱ دیده میشود که اگر Q1 و Q2 همزمان روشن باشند _حتی برای زمان بسیار کوتاه_ روی ولتاژ اعمال شده اتصال کوتاه ایجاد می شود و ترانزیستورها میسوزند.
برای اطمینان از اینکه این اتفاق نمی افتد، حداکثر زمان روشن بودن Q1 و Q2، که در حداقل ولتاژ DC اعمال شده اتفاق می افتد، روی ۸۰% نیم سیکل تنظیم میشوند.
تعداد دورهای ثانویه به گونه ای انتخاب می شوند که ولتاژ خروجی مد نظر فراهم شود در حالی که زمان روشن بودن از ۰٫۸T/2 بیشتر نشود.
محدودیت زمان روشن بودن این اطمینان را ایجاد می کند که زمان روشن بودن تحت شرایط خطا یا حالت گذرا هرگز نمی تواند از ۰٫۸T/2 بیشتر شود.
با انتخاب یک هسته و مشخص بودن مساحت آن، تعداد دورهای اولیه از طریق قانون فارادی و با استفاده از حداقل ولتاژ اولیه (Vdc/2) و حداکثر زمان روشن بودن ۰٫۸T/2 محاسبه می شوند.
در اینجا، تغییرات چگالی شار dB در معادله فارادی که در مقالات قبل هم به آن اشاره کرده بودیم ، دو برابر حداکثر چگالی شار مد نظر است (۱۶۰۰ G زیر ۵۰ kHz، یا کمتر در فرکانس بالاتر)، چون هسته در مبدل هاف بریج در ربع اول و سوم حلقه هیسترزیس کار میکند _ برخلاف مبدل forward که فقط در ربع اول کار می کند.
رابطه بین ولتاژ ورودی، جریان اولیه و توان خروجی
اگر ما بازده را ۸۰% در نظر بگیریم آنگاه
Pin=1.25 Po
توان ورودی در حداقل ولتاژ اعمال شده حاصلضرب حداقل ولتاژ اولیه و و میانگین جریان اولیه در حداقل ورودی DC است. همانطور که اشاره شد، در حداقل ورودی DC، حداکثر زمان روشن بودن در هر نیم سیکل روی ۰٫۸T/2 تنظیم می شود و سمت اولیه دو پالس جریان به عرض ۰٫۸T/2 در هر سیکل (دوره تناوب) T دارد. در ولتاژ اولیه Vdc/2 توان ورودی برابر است با ۱٫۲۵Po=(Vdc/2)(Ipft)(0.8T/T) که Ipft حداکثر جریان اولیه می باشد.
انتخاب سایز سیم اولیه
سایز سیم اولیه در هاف بریج باید خیلی بیشتر از مدار push-pull با همان توان خروجی باشد. در push-pull اولیه شامل دو نیمه است، هرکدام از آنها دو برابر ولتاژ اولیه هاف بریج را وقتی با همان ولتاژ کار کند، تحمل می کنند. در نتیجه سایز سیم پیچ برای دو ساختار خیلی متفاوت نیست. جریان RMS اولیه نیم موج برابر است با:
و از معادله ۳-۱
یکی از واحدهای اندازه گیری سطح مقطع circular mil می باشد که برابر است با سطح مقطع دایره با قطر یک میل و برای بیان سطح مقطع سیم استفاده میگردد.
با در نظر گرفتن ۵۰۰ circular mil به ازای هر آمپر، مقدار circular mil مورد نیاز به ازای توان مشخص برابر است با
تعداد دورهای ثانویه و انتخاب سیم
در ادامه تعداد دورهای ثانویه با استفاده از معادلات ۲-۱ تا ۲-۳ انتخاب میشوند که Ton=0.8T/2 و Vdc با حداقل ولتاژ اولیه که Vdc/2 است، جایگزین میشود. جریان RMS ثانویه و سایز سیم ها با استفاده از معادلاتی که در بخش مربوط به پوش پول عنوان شد، عنوان می گردد.
خازن مسدود کننده برای جلوگیری از عدم تعادل شار
برای جلوگیری از مشکل عدم تعادل شار یک خازن کوچک Cb به صورت سری با اولیه مانند شکل ۳-۱ قرار میگیرد. یادآوری میشود که اگر ولت-ثانیه تولید شده در سمت اولیه در صورتی که هسته در یک جهت در حلقه هیسترزیس حرکت میکند با ولت-ثانیه تولید شده در جهت مخالف حرکتش تفاوت داشته باشد، عدم تعادل شار اتفاق می افتد.
بنابراین اگر اتصال C1 و C2 دقیقا نصف ولتاژ اعمال شده نباشد، ولتاژ سمت اولیه هنگامی که Q1 روشن است با هنگامی که Q2 روشن است تفاوت دارد و هسته به سمت بالا یا پایین حلقه هسیترزیس حرکت میکند، و در نهایت باعث اشباع و خراب شدن ترانزیستورها میشود.
این اثر اشباع به این دلیل ایجاد میشود که یک بایاس جریان DC موثر در اولیه وجود دارد. برای جلوگیری از این بایاس DC خازن مسدود کننده به صورت سری با اولیه قرار میگیرد. مقدار خازن همانطور که در ادامه توضیح داده خواهد شد، انتخاب میشود.
خازن با جریان اولیه Ipft شارژ میشود، ولتاژ کاهش یافته از پالس اولیه سر تخت در شکل ۳-۲ نشان داده شده است.
شکل ۳-۲- خازن مسدود کننده کوچک Cb که به صورت سری با اولیه هاف بریج قرار گرفته (شکل ۳-۱) تا جلوگیری کند از عدم تعادل شار در اثر وسط نبودن ولتاژ بین دو خازن فیلتر که به سوییچ ها اعمال شده . جریان اولیه که خازن را شارژ میکند، باعث یک افت در شکل موج ولتاژ اولیه میشود. این افت باید کمتر از ۱۰% نگه داشته شود. (افت در ولتاژ اولیه ناشی از شارژ خازن مسدود کننده با dV نشان داده شده است.)
این آفست DC ولت-ثانیه را از همه سیم پیچ های ثانویه کاهش میدهد و باعث میشود زمان روشن بودن برای رسیدن به ولتاژ خروجی مطلوب طولانی تر شود. در حالت کلی بهتر است که پالس های ولتاژ اولیه تا حد امکان سر تخت نگه داشته شوند.
در این مثال افت ولتاژ مجاز را dV در نظر می گیریم. پالس جریان سر تخت معادل که باعث این افت میشود Ipft در معادله ۳-۱ است. پس چون جریان به مدت ۰٫۸T/2 جاری میشود، اندازه خازن مورد نیاز به سادگی برابر است با
مثالی را در نظر بگیرید که یک هاف بریج ۱۵۰ وات در ۱۰۰kHz با ورودی DC نامی ۳۲۰ ولت کار می کند.در ۱۵% پایین تر، ورودی DC 272 ولت است و ولتاژ سمت اولیه ±۲۷۲٫۲ یا ±۱۳۶ ولت میشود.
افت مجاز در پالس ولتاژ ورودی سرتخت باید ۱۰% یا حدود ۱۴ ولت باشد.
پس از معادله ۳-۱ برای ۱۵۰ وات و Vdc=272 ، Ipft=3.13*150/272=1.73 آمپر میشود و از معادله ۳-۴ ،مقدار خازن Cb=1.73*.8*5*10-6/14=0.49 uf میشود. خازن نباید از نوع پلاریزه باشد.
مشکلات اندوکتانس نشتی هاف بریج
از ضربه های اندوکتانس نشتی که در ساختار مبدلهای single ended و push-pull دارای مشکل هستند در نیم پل به سادگی جلوگیری میشود. آنها توسط دیودهای D5 و D6 که موازی با ترانزیستورهای Q1 و Q2 هستند به Vdcمحدود میشوند.
فرض کنید Q1 روشن است، بار و جریان مغناطیسی از طریق آن و اندوکتانس نشتی ترانس T1 جاری میشوند، اندوکتانس نشتی موازی T1 و امپدانس های بار ثانویه با مربع (توان ۲) نسبت دورشان به سمت اولیه منعکس می شوند. سپس از طریق Cb به محل اتصال C1 و C2 جاری می شود. سر نقطه دار Np نسبت به سر بدون نقطه آن مثبت است.
وقتی Q1 خاموش است اندوکتانس مغناطیسی باعث میشود پلاریته همه سیم پیچ ها عوض شود. سر نقطه دار T1 به صورت فلای بک شروع به منفی شدن می کند و اگر این روند ادامه پیدا کند، ولتاژی بیشتر از Vdc روی Q1 می افتد و می تواند باعث آسیب به آن شود.
همچنین Q2 نیز با تحمیل ولتاژ معکوس روی آن میتواند آسیب ببیند. به هر حال سر نقطه دار T1 توسط دیود D6 به مقدار Vdc محدود می شود و نمیتواند بیشتر از ولتاژ اعمال شده منفی شود.
به طور مشابه وقتی Q2 روشن است جریان را در سلف مغناطیسی ذخیره می کند و سر نقطه دار Np نسبت به سر بدون نقطه (که برابر با Vdc/2 است) منفی است. وقتی Q2 خاموش میشود سلف مغناطیسی پلاریته همه سیم پیچ ها را به صورت فلای بک معکوس میکند و سر نقطه دار Np به سمت مثبت شدن میرود اما توسط دیود D5 در Vdc مهار میشود. بنابراین انرژی ذخیره شده در سلف در زمان روشن بودن از طریق دیودهای D5 و D6 بازگردانده میشود.
محدودیت های عملی توان خروجی در هاف بریج
حداکثر جریان اولیه و بیشینه ولتاژ خاموش ترانزیستور، حداکثر توان خروجی عملی در دسترس برای نیم پل را تعیین می کند. این محدودیت برای مبدل هاف بریج که با ورودی ۱۲۰ VAC و در حالت (مود) دو برابر کننده ولتاژ کار میکند که در شکل ۳-۱ نشاد داده شده است، ۴۰۰ تا ۵۰۰ وات میباشد.
این مقدار با آنچه که برای مبدل double ended forward نیاز است و در بخش ۲-۴-۱-۱ بحث شد، برابر است و به صورت زیر نشان داده میشود:
حداکثر جریان سر تخت طبق معادله ۳-۱ برابر است با Ipft=3.13Po/Vdc . برای تحمل ±۱۰% حالت ماندگار و ۱۵% حالت گذرای مجاز بالاتر از آن مقدار، حداکثر ولتاژ خاموشی که تحمل میشود برابر است با Vdc=1.41*120*2*1.1*1.15=428 ولت. حداقل ولتاژ DC ورودی برابر است با Vdc=1.41*120*2/1.1/1.15=268 ولت.
بنابراین برای خروجی ۵۰۰ وات، طبق معادله ۳-۱ حداکثر جریان اولیه برابر است با Ipft=3.13*500/268=5.84 A و ترانزیستورهای زیادی وجود دارند _ هم ماسفت و هم دو قطبی_ با ۴۲۸ ولت و ۶ آمپر.
نیم پل می تواند تا ۱۰۰۰ وات هم پیش برود، اما ۱۲ آمپر نیاز دارد. بیشتر ترانزیستورهای دوقطبی در دسترس با سرعت مناسب، بهره (گین) بسیار کمی دارند. ترانزیستورهای ماسفت در جریان و ولتاژ مورد نیاز افت روشن شدن زیادی دارند و در زمان نوشتن این متن برای کاربردهای تجاری بسیار گران هستند.
بالاتر از ۵۰۰ وات ساختار فول بریج در نظر گرفته میشود، یک تغییر کوچک در هاف بریج توان خروجی را دو برابر میکند.