حذف جریان راه‌انداز با استفاده از ترانزیستور Mosfet

نویسندگان: جاکوب کلنر، میخا پرزنیچا، دپارتمان مکاترونیک و الکترونیک، دانشکده فناوری اطلاعات و برق، دانشگاه زیلینا، اسلواکی

چکیده

این مقاله به مسئله حذف جریان‌های راه‌انداز می‌پردازد. در این نوشتار یک روش فعال برای محدود کردن جریان‌های راه‌انداز هنگام سوئیچ‌زنی مدارهایی که جریان راه‌انداز بالایی دارند، پیشنهاد شده است. سیستم پیشنهادی جریان مدار را با استفاده از یک ترانزیستور MOSFET که به صورت سری متصل شده، محدود می‌کند. این ترانزیستور در ناحیه مقاومتی خطی خود کنترل می‌شود. هنگام بروز جریان راه‌انداز، ترانزیستور MOSFET میزان جریان ورودی به مدار را محدود می‌سازد. مقاله به مسئله توان تحمل‌شده توسط ترانزیستور نیز می‌پردازد. بخشی از مقاله به حداکثر جریان مجاز عبوری از ترانزیستور اختصاص دارد که از آسیب دیدن آن جلوگیری می‌کند. در این پیکربندی جدید محدودسازی جریان راه‌انداز، کاربر می‌تواند مستقیماً مقدار جریان هجومی را تعیین کند؛ جریانی که پس از روشن شدن مدار نباید از آن فراتر رود. سیستم پیشنهادی همچنین با سایر عناصر حفاظتی و کنترلی که در این مقاله توضیح داده شده، تکمیل می‌گردد.

مقدمه

با افزایش نیاز به توان موتورهای الکتریکی در بخش‌های مختلف فنی (مانند وسایل نقلیه الکتریکی برای کاربردهای کششی)، توان مبدل‌های نیمه‌هادی برای اتصال این موتورها نیز افزایش می‌یابد. با افزایش توان اینورترها، مشکل جریان راه‌انداز پدید می‌آید. این مشکل زمانی تشدید می‌شود که از انرژی باتری کششی مورد استفاده در خودروها استفاده شود.

جریان راه‌انداز، جریان لحظه‌ای ورودی با دامنه بالاست که در زمان روشن شدن مدار و به دلیل شارژ خازن‌ها، سلف‌ها و ترانسفورماتورها رخ می‌دهد. این جریان دامنه بالایی داشته و می‌تواند به ده‌ها آمپر برسد.

ازاین‌رو، این جریان در مدارهای الکتریکی بسیار نامطلوب است. در مدارهایی که جریان راه‌انداز ایجاد می‌شود، برای حذف این پدیده ناخواسته مقاومت مدار افزایش می‌یابد. در بیشتر موارد، از یک مقاومت یا ترمیستور NTC برای افزایش مقاومت استفاده می‌شود. مدت زمان جریان‌های راه‌انداز معمولاً در حدود میلی‌ثانیه است و به ثابت زمانی RC مدار بستگی دارد.

نمودار جریان هنگام سوئیچ‌زنی مدار

نمودار ۱ نمونه‌ای از شکل موج جریان را هنگام وقوع جریان راه‌انداز در مدار نشان می‌دهد.

سیستم طراحی‌شده توسط ما، حذف جریان‌های هجومی را برای یک اینورتر ۹ کیلوواتی که یک موتور آسنکرون را تغذیه می‌کند، انجام می‌دهد. ولتاژ ورودی اینورتر از باتری‌های کششی با ولتاژ اسمی ۳۰۰ ولت DC تأمین می‌شود. ظرفیت کل بار در مدار ۵ میلی‌فاراد و مقاومت پارازیتی حدود ۵۰ میلی‌اهم تخمین زده شده است. در این حالت، جریان راه‌انداز در لحظه روشن شدن با پیک جریان ۶ کیلوآمپر ایجاد می‌شود. این موضوع با شبیه‌سازی نشان داده‌شده در شکل ۲ تأیید می‌شود. ازآنجاکه خازن در لحظه روشن شدن مانند اتصال کوتاه عمل می‌کند، جریان تنها توسط مقاومت موجود در مدار محدود می‌گردد.

شبیه‌سازی جریان راه‌انداز در مدار بدون محدودسازی

به دلیل جریان راه‌انداز بالا، استفاده از مقاومت یا ترمیستور NTC برای محدودسازی مناسب نیست. بنابراین، تصمیم به طراحی سیستمی گرفتیم که از یک ترانزیستور MOSFET کنترل‌شونده استفاده می‌کند. مزیت این سیستم، قابلیت تنظیم میزان جریان راه‌انداز است. همچنین می‌توان از این سیستم برای مدارهای دیگر با ولتاژ و جریان پایین‌تر نیز استفاده کرد.

محدودسازی جریان راه‌انداز با استفاده از ترانزیستور Mosfet

همان‌طور که اشاره شد، جریان راه‌انداز هنگام راه‌اندازی اولیه اینورتر تغذیه‌کننده موتور آسنکرون می‌تواند با استفاده از ترانزیستور MOSFET محدود شود. نمودار شماتیک این مدار در شکل ۳ نشان داده شده است.

نمودار شماتیک سیستم

با کنترل ترانزیستور در ناحیه مقاومتی خود، می‌توان دامنه جریان راه‌انداز ناشی از شارژ خازن‌های اینورتر را کاهش داد. این روش بسیار کارآمدتر و ارجح‌تر از استفاده از مقاومت یا ترمیستور NTC است. از مزایای این پیکربندی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. امکان تنظیم حداکثر جریان هجومی: کاربر می‌تواند مقدار جریانی که نباید از آن فراتر رود را تنظیم کند. این ویژگی امکان استفاده از سیستم طراحیشده را برای کاربردهای دیگر که نیاز به محدودسازی جریان راه‌انداز دارند، فراهم می‌کند.

۲. بازده سیستم

از آنجایی که با یک مبدل نیمه‌هادی قدرت سر و کار داریم، تلاش اصلی بر این است که بازده آن را به حداکثر برسانیم. بنابراین، استفاده از مقاومت ساده گزینه مناسبی نیست و باعث کاهش بازده اینورتر می‌شود. در عوض، با به‌کارگیری ترانزیستور ماسفت (Mosfet) می‌توانیم توان تغذیه‌شده به باس DC اینورتر را به شکلی مؤثر کنترل کنیم [۱۳].

۳. بار توان جزء محدودکننده

در صورت استفاده از مقاومت برای محدودسازی جریان، تلفات توان در آن بسیار بالا خواهد بود. برای مثال، توان لحظه‌ای تلف شده روی مقاومت محدودکننده (P_dissipation) در کاربرد پیشنهادی را محاسبه می‌کنیم: ولتاژ تغذیه U_IN = 300V (DC)، ظرفیت خازن مدار C = 5mF، مقاومت محدودکننده R = 20Ω. در این شرایط، جریان مؤثر مدار I_rms = ۵,۹A خواهد بود و تلفات توان به صورت زیر به دست می‌آید [۱۴]:

طراحی بخش قدرت

شکل ۴ شماتیکی از بخش قدرت سیستم محدودکننده جریان راه‌انداز را نشان می‌دهد. بخش قدرت سیستم پیشنهادی از سه بخش اصلی تشکیل شده‌است که همگی قطعات نیمه‌هادی قدرت فعال هستند. مؤلفه اصلی که کل فرایند محدودسازی جریان راه‌انداز را بر عهده دارد، ترانزیستور ماسفت است. با کنترل این ترانزیستور، جریان عبوری از مدار محدود می‌شود. ترانزیستور در لحظات وقوع جریان‌های بیش از حد هنگام روشن شدن مدار فعال می‌گردد. عنصر دیگر مدار، رله ۲ است که نقش عضو بای‌پس (bypass) را ایفا می‌کند.

شکل ۴: بخش قدرت سیستم

رله ۲ به صورت موازی با ترانزیستور متصل شده و به محض اتمام محدودسازی جریان راه‌انداز، بسته می‌شود و ترانزیستور را بای‌پس (از مدار خارج) می‌کند. سومین عنصر فعال در بخش قدرت، رله ۱ است که استارت و استاپ کلی سیستم را تضمین کرده و همچنین نقش یک رله محافظ را ایفا می‌کند.

در بخش قدرت یک اسنابر RC (RC snubber) نیز برای بهینه‌سازی عملکرد ترانزیستور و جلوگیری از خرابی آن در حین کار در نظر گرفته شده است. این سیستم قابلیت هدایت جریان در هر دو جهت را دارد و از این رو برای کاربردهای کششی (traction applications) که در آنها می‌توان جریان عبوری را اندازه‌گیری و تنظیم کرد، بسیار مناسب است.

نتایج شبیه‌سازی سیستم پیشنهادی

شبیه‌سازی سیستم پیشنهادی در محیط Matlab/Simulink انجام شده است. این شبیه‌سازی بر پایه محدودسازی جریان در لحظه روشن شدن اولیه اینورتر صورت گرفته، یعنی همان نقطه‌ای که خازن با ظرفیت بالا در حال شارژ شدن است. شکل ۵ ولتاژ مدار اصلی و جریان عبوری را نشان می‌دهد. با استفاده از ترانزیستور محدودکننده جریان، جریان مدار را به I = 10A تنظیم کردیم؛ یعنی جریان را از 6kA به 10A کاهش دادیم. البته این کار زمان تأخیر (τ) را به شدت افزایش داد.

شکل ۵: شبیه‌سازی محدودسازی جریان راه‌انداز

شکل ۶ شکل موج‌هایی را نشان می‌دهد که نحوه عملکرد ترانزیستور و رله بای‌پس را مشخص می‌کنند.

شکل ۶: شکل موج‌های هدایت ترانزیستور و رله بای‌پس

شکل موج سیاه بیانگر جریان عبوری از ترانزیستور است که جریان راه‌انداز را به 10A محدود کرده است. شکل موج نارنجی ولتاژ دو سر ترانزیستور را نشان می‌دهد که به تدریج کاهش می‌یابد، در حالی که ولتاژ دو سر مدار اصلی افزایش پیدا می‌کند. منحنی سبز نیز جریان عبوری از رله بای‌پس را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود، وقتی ولتاژ دو سر ترانزیستور به صفر می‌رسد، ولتاژ دو سر مدار اصلی با ولتاژ تغذیه برابر می‌شود. در این لحظه، ترانزیستور خاموش و رله بای‌پس فعال می‌شود و جریان بار از طریق آن به مدار وارد می‌شود.

تأیید شبیه‌سازی بار توان ترانزیستور

در این بخش نتایج مربوط به بار توان ترانزیستور در طول محدودسازی جریان ارائه شده است. در شبیه‌سازی، تلفات توان روی ترانزیستور ماسفت را در حین کار آن با استفاده از تابع “Pe_getPowerLossSummary” [۱۵] – [۱۷] محاسبه کردیم. جدول ۱ جریان عبوری از ترانزیستور ماسفت، زمان تأخیر، تلفات توان و انرژی تلف شده روی ترانزیستور را نشان می‌دهد. در این شبیه‌سازی، ولتاژ ورودی U_IN = 300V و ظرفیت خازن اصلی C = 5mF در نظر گرفته شده است.

جدول ۱. تأیید شبیه‌سازی بار ترانزیستور

بر اساس بارهای اندازه‌گیری‌شده و زمان‌های تأخیر، نموداری از میزان جریان عبوری از ترانزیستور ماسفت رسم کردیم که در شکل ۷ قابل مشاهده است. از روی شکل موج می‌توان دریافت که با افزایش جریان، زمان تأخیر کاهش می‌یابد اما بار توان ترانزیستور به صورت دوره‌ای افزایش پیدا می‌کند.

شکل ۷: شکل موجی برای تعیین حداکثر محدودسازی جریان مجاز از طریق ترانزیستور

با استفاده از این تابع می‌توان حداکثر مقدار محدودسازی جریان را برای یک ترانزیستور ماسفت مشخص تعیین کرد، به طوری که از حداکثر بار توان مجاز آن فراتر نرفته و از اعمال فشار بیش از حد به ترانزیستور جلوگیری شود.

شکل ۸: نمونه واقعی سیستم پیشنهادی

تأیید سیستم بر روی نمونه واقعی

سیستم پیشنهادی بر روی یک نمونه واقعی نیز مورد تأیید قرار گرفت. اندازه‌گیری‌ها در شرایط پارامترهای کاهش‌یافته انجام شدند. نمونه اولیه به منظور تأیید تجربی عملکرد سیستم ساخته شد. ضخامت مسیرها و اتصالات رسانای این نمونه با بار توانی که سیستم برای آن طراحی شده بود هم‌خوانی نداشت، از این رو تمام اندازه‌گیری‌های تجربی در ولتاژ کاهش‌یافته صورت گرفت. شکل ۸ نمونه اولیه سیستم پیشنهادی را نشان می‌دهد؛ تصویر توضیحات هر بخش از سیستم را مشخص کرده است. این سیستم توسط میکروکنترلر C2000 از شرکت Texas Instrument با شماره مدل TMS 320F28069 کنترل می‌شد. شکل ۹ شکل موج‌های حاصل از اندازه‌گیری محدودسازی جریان راه‌انداز را نشان می‌دهد. در این آزمایش، جریان راه‌انداز به I_lim = ۳,۶A محدود شده و ظرفیت خازن اصلی C = ۴,۲ mF و ولتاژ تغذیه U_IN = 37V است.

از شکل موج به وضوح می‌توان دید که جریان مدار در طول فرایند شارژ از مقدار مجاز فراتر نرفته است.

شکل ۹: اندازه‌گیری محدودسازی جریان راه‌انداز

نتایج اندازه‌گیری

موج‌شکل زرد رنگ، نمایانگر ولتاژ مدار اصلی است، در حالی که موج‌شکل آبی نشان‌دهنده جریان جاری در مدار می‌باشد. مدار اصلی به‌تدریج با ولتاژ مدار تغذیه شارژ گردید. پس از充电 شدن خازن، جریان در مدار به مقدار I = 4A ثابت ماند، زیرا مدار اصلی با یک مقاومت R = ۹,2Ω بارگذاری شده بود. به‌علاوه، تأخیر زمانی در مدار برابر با 120ms بود.

شکل ۱۰، موج‌شکل‌های محدودسازی جریان راه‌انداز (inrush current) یک مدار اصلی را با پارامترهای زیر به تصویر می‌کشد: UIN = ۷۰,5V؛ Rload = 39Ω؛ C = ۲,2mF. در این شکل، موج‌شکل زرد رنگ، تغییرات ولتاژ روی مدار اصلی را نشان می‌دهد که به‌تدریج به مقدار ولتاژ تغذیه افزایش پیدا کرده است. همچنین، موج‌شکل آبی، ولتاژ روی ترانزیستور را ترسیم می‌کند که به‌زودی به صفر کاهش می‌یابد. از طرفی، موج‌شکل بنفش جریان در مدار را نمایان می‌سازد؛ جایی که جریان به Ilim = ۱,8A محدود شده است. جریان بار در مدار برابر با Iload = ۱,7A می‌باشد. منحنی سبز رنگ نیز جریان عبوری از رله بای‌پس (bypass relay) را نشان می‌دهد. به‌وضوح قابل مشاهده است که ترانزیستور در طول محدودسازی جریان راه‌انداز فعال بوده و پس از آن، ترانزیستور و رله به‌طور همزمان هدایت کردند. در نهایت، فقط رله بای‌پس وظیفه هدایت جریان به بار را به‌عهده می‌گیرد.

شکل ۱۰: اندازه‌گیری محدودسازی جریان راه‌انداز مدار اصلی

شکل ۱۱ نمایی از ایستگاه کاری اندازه‌گیری است که شامل یک منبع تغذیه، پروب‌های جریان، اسیلوسکوپ، مولتیمتر، پروب‌های ولتاژ، مقاومت بار، سلف بار، منابع تغذیه کمکی و یک لپ‌تاپ برای ارتباط با ریزپردازنده می‌باشد.

شکل ۱۱: محیط اندازه‌گیری

نتیجه‌گیری

این مقاله طراحی جدیدی از سیستم محدودسازی جریان راه‌انداز (inrush current limiting system) را معرفی می‌کند که روشی مؤثر برای کنترل جریان است. در این سیستم پیشنهادی، امکان تنظیم مقدار حداکثر جریان راه‌انداز وجود دارد و به همین دلیل می‌توان از آن در کاربردهای مختلف بهره برد. محدودسازی جریان با استفاده از ترانزیستور ماسفت (Mosfet) پیاده‌سازی شده است که به‌طور قابل‌توجهی مزایایی نسبت به روش‌های متداول محدودسازی جریان راه‌انداز به ارمغان می‌آورد. این سیستم از طریق شبیه‌سازی و آزمایش بر روی یک نمونه واقعی تأیید شده است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌ها و اندازه‌گیری‌ها در این مقاله ارائه می‌گردد و مشخص می‌شود که سیستم پیشنهادی با موفقیت قادر به محدود کردن مقدار جریان راه‌انداز در هنگام شروع اولیه مدار اصلی می‌باشد.

تشکر و قدردانی

این پژوهش با حمایت پروژه‌های: Vega ۱/۱۱۹/۱۸ Research of the methodology for optimization of EMC of WPT systems، ITMS ۲۶۲۱۰۱۲۰۰۲۱ انجام شده است.

منابع

1. J-Ch. Wu, H-L. Jou, K-D Wu, N-T Shen, Hybrid Switch to Suppress the Inrush Current of AC Power Capacitor, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 20, n. 1, pp. 506-511.
2. T. Jiang, P. Cairoli, R. Rodrigues, Y. Du, (2017). Inrush current limiting for solid state devices using NTC resistor. SoutheastCon 2017. doi:10.1109/secon.2017.7925398.
3. Iuga, B., & Tirnovan, R. A. (2019). Step by step Limiting for Capacitors Inrush Current Used in Voltage Power Supplies. 2019 8th International Conference on Modern Power Systems (MPS). doi:10.1109/mps.2019.8759664.
4. H. Suryoatmojo, M. Ridwan, I. Izzatur Rahman, D. Candra Riawan, M. Ashari, Design of Bidirectional DC-DC Cuk Converter for Testing Characteristics of Lead-Acid Battery, Przeglad Elektrotechniczny, doi:10.15199/48.2020.03.26.
5. R. Araria, K. Negadi, M. Boudiaf, F. Marignetti, Non-Linear Control of DC-DC Converters for Battery Power Management in Electric Vehicle Application, Przeglad Elektrotechniczny, doi:10.15199/48.2020.03.20.
6. G. Mallesham, K. Anand, Inrush Current Control of a DC/DC Converter Using MOSFET, International Conference on Power Electronic, Drives and Energy Systems 2006, India.
7. K. Praveen, N. Kulshrestha, L. Srivani, D. Thirugnanamurthy, B. K. Panigrahi, Prognostics of Electrolytic Capacitors under Inrush Current Overstress, International Conference on Smart City and Emerging Technology (ICSCET) 2018, India.
8. Eun-Ju Lee, Jung-Hoon Ahn, Seung-Min Shin, Byoung-Kuk Lee, Comparative analysis of active inrush current limiter for high-voltage DC power supply system, 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference.
9. M. Frivaldsky, P. Špánik, J, Morgos, M, Pridala, Control strategy proposal for modular architecture of power supply utilizing LCCT converter, Energies, Vol. 11, N. 12, 2018, Article Number: 3327.
10. Gonthier, L., & Renard, B. (2015). AC/DC reversible mixed inverter with built-in inrush-current limitation and cut-off standby losses. 2015 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’15 ECCE-Europe). doi:10.1109/epe.2015.7309066.
11. K. Dabala, M. P. Kazmierkowski, Converter-Fed Electric Vehicle (Car) Drives, Przeglad Elektrotechniczny, doi:10.15199/48.2019.09.01.
12. M. Frivaldsky, J, Morgos, B. Hanko, Start-up power supply for automotive applications, International Conference Elektro 2018, CZ.
13. Madani, S. M., Rostami, M., Gharehpetian, G. B., & Haghmaram, R. (2012). Inrush current limiter based on three-phase diode bridge for Y-yg transformers. IET Electric Power Applications, 6(6), 345. doi:10.1049/iet-epa.2011.0317.
14. H. Hoshi, T. Tanaka, M. Noritake, T. Ushirokawa, K. Hirose, M. Mino, Consideration of Inrush Current on DC Distribution System, Proceedings of Intelec 2012, USA.
15. J.K. Kim, S. S. Lee, W-S. Oh, J-E. Kim, G-W. Moon, Ch-H. Gil, J-R. Cho, Start-up inrush current reduction technique of asymmetrical half-bridge DC/DC converter for PC power supply, 7th International Conference on Power Electronics, 2007, South Korea.
16. J. Sedo, S Kascak, Control of single-phase grid connected inverter system, International Conference Elektro 2016, Slovakia.
17. B. Dominikowski, Inteligentne pomiary szybkozmiennego prądu akumulatora trakcyjnego pojazdu elektrycznego wykorzystujące interwałowe zbiory rozmyte typu-2 o wnioskowaniu Takagi-Sugeno-Kanga, Przeglad Elektrotechniczny, doi:10.15199/48.2019.11.12.

نویسندگان

Ing. Jakub Kellner در سال ۱۹۹۵ در کیزماروک، اسلواکی متولد شد و در سال ۲۰۱۹ در رشته الکترونیک قدرت از دانشگاه زیلینا فارغ‌التحصیل گردید. او که هم‌اکنون دانشجوی دکتری داخلی در گروه مهندسی مکانیک و الکترونیک دانشگاه زیلینا در برنامه تحصیلی مهندسی برق قدرت است، علاقه‌مندی اصلی تحقیقاتی خود را بر سیستم‌های الکترونیک قدرت متمرکز کرده است.

Ing. Michal Prazenica، که دارای مدرک دکترا است، در سال ۱۹۸۵ در زیلینا، اسلواکی به دنیا آمد. او در سال ۲۰۰۹ از دانشگاه زیلینا فارغ‌التحصیل شد و در سال ۲۰۱۲ مدرک دکترای خود را در رشته الکترونیک قدرت از همان دانشگاه دریافت کرد. وی در حال حاضر به عنوان پژوهشگر در گروه مهندسی مکانیک و الکترونیک در دانشکده مهندسی برق دانشگاه زیلینا مشغول به کار است. علاقه‌مندی‌های تحقیقاتی او شامل تحلیل و مدل‌سازی سیستم‌های الکترونیک قدرت، ماشین‌های الکتریکی، درایوهای الکتریکی و کنترل می‌باشد.

منبع & شناسه ناشر

منبع & شناسه ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، سال ۹۶، شماره ۸/۲۰۲۰. شناسه دیجیتال: doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۰.۰۸.۲۰

این مقاله توسط انتشارات PQBlog منتشر گردیده است.

مهندس برق

برای مشاهده مطالب بیشتر در این زمینه، اینجا کلیک کنید.

پرسش‌های متداول

جریان راه‌انداز چیست؟

جریان راه‌انداز، جریان ورودی آنی مدار با دامنه بالا است که هنگام روشن شدن مدار به دلیل شارژ خازن‌ها، سلف‌ها و ترانسفورماتورها رخ می‌دهد.

چگونه می‌توان جریان راه‌انداز را محدود کرد؟

می‌توان با استفاده از ترانزیستور Mosfet و کنترل آن در منطقه مقاومتی، جریان راه‌انداز را محدود کرد.

مزیت استفاده از ترانزیستور Mosfet در حذف جریان راه‌انداز چیست؟

مزیت استفاده از ترانزیستور Mosfet این است که می‌توان اندازه جریان راه‌انداز را به دقت تنظیم کرد و از این رو کارایی بهتری نسبت به روش‌های دیگر دارد.

منبع: powerquality.blog