Skip to main content
SUPERVISOR
Ehsan Adib,Hossein Farzanehfard
احسان ادیب (استاد مشاور) حسین فرزانه فرد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Morteza Esteki
مرتضی استکی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Efficiency improvement of Interleaved Buck Converters
Capabilities of switching DC-DC converters have made them an important part of electrical equipment. Some of these capabilities are high efficiency and high power density. In applications where non-isolated, step-down conversion ratio, and high output current with low ripple are required, interleaved buck converter (IBC) has received a lot of attention due to its simple structure and low control complexity. Interleaved buck converter consists of two parallel buck converters, which are controlled out of phase. However, IBC suffers from some disadvantages. In the conventional IBC, the voltage stress of all semiconductor devices are equal to the input voltage, so they suffer from high voltage stress and hence, high voltage devices should be used. High-voltage-rated devices have generally poor characteristics such as high cost, high on-resistance, high forward voltage drop, severe reverse recovery problems, etc. In addition, the converter operates under hard switching condition. Thus, the cost becomes high and the efficiency is low. For higher power density and better dynamics, it is required that the converter operate at higher switching frequencies. However, higher switching frequencies increase the switching losses associated with turn-on, turn-off, and reverse recovery of diodes. Consequently, the efficiency is further reduced. Also, IBC experiences an extremely short duty cycle in the case of high-input and low-output voltage applications. In this thesis, after a short survey on IBC, three new topologies are introduced to overcome the mentioned draw backs of high step down converters. Also, a new interleaved zero-voltage-transition PWM buck converter with one auxiliary switch is proposed to improve IBC efficiency. Moreover, a family of single-switch soft switching PWM converters with single magnetic core is introduced to implement soft switching condition in IBC without using any additional active switch. The presented simulation and experimental results of these topologies confirm to theoretical analysis. Keywords: Buck converter, low switch voltage stress, step-down conversion ratio, ZCT, ZVT
توانایی‌های مبدلهای کلیدزنی DC-DC، آنها را به جزء لاینفکی از تجهیزات الکتریکی تبدیل کرده است. از جمله این توانایی‌ها می‌توان به قابلیت پردازش توان در حجم مناسب ، بازده بالا و سادگی تطبیق با کاربردهای مورد نیاز، اشاره نمود. در کاربردهایی که به یک مبدل DC-DC غیرایزوله کاهنده با توانایی فراهم آوردن جریان بالا با ریپل کم نیاز است، مبدل باک درهم‌تنیده می تواند به عنوان بهترین گزینه مطرح شود. دلیل این انتخاب، سادگی ساختار و روش کنترل این مبدل است. مبدل باک درهم‌تنیده از اتصال موازی دو یا چند مبدل باک پایه تشکیل می‌شود، با این تفاوت که پالس های ماژول‌های موازی شده با یکدیگر اختلاف فاز دارد. با این حال این مبدل به همراه همه مزایای که فراهم می‌آورد، معایب خاص خود را نیز دارد. از جمله این معایب می توان به برابر بودن استرس ولتاژ المان‌های نیمه‌هادی با سطح ولتاژ ورودی این مبدل اشاره نمود که در کاربردهای با سطح ولتاژ ورودی بالا، مشکل‌آفرین بوده و طراح را مجبور به استفاده از المان های ولتاژ بالا می‌کند. حال آنکه قطعات ولتاژ بالا از معایبی همچون قیمت بالا، افت ولتاژ هدایتی زیاد و مشکلات بازیابی معکوس دایودها رنج می‌برند. علاوه بر این، کلید زنی در این مبدل در شرایط سخت صورت می‌گیرد و با افزایش فرکانس کلیدزنی که با هدف افزایش چگالی توان و بهبود عملکرد دینامیکی آن انجام می‌شود، تلفات ناشی از روشن و خاموش شدن کلید ها و دایودها افزایش یافته و بازده کلی مبدل کاهش می‌یابد. از دیگر مشکلات مبدل باک درهم‌تنیده، می‌توان به کم بودن ضریب وظیفه درکاربردهای خیلی‌کاهنده اشاره نمودکه باعث افزایش استرس جریان کلیدها و به تبع آن کاهش بازده می‌گردد و تنظیم ولتاژ خروجی را نیز با مشکل مواجه می‌کند. در این پایان نامه ابتدا ساختار، نحوه عملکرد و مزایای مبدل باک درهم تنیده معرفی شده است و همچنین مشکلات این مبدل نیز بیان شده‌اند. سپس راهکارهایی که تاکنون برای کاهش اثرات ناشی از این مشکلات ارائه شده‌اند دسته‌بندی و بررسی شده‌اند. بر طبق دسته بندی انجام شده در این پایان نامه، راهکارهای برطرف کردن مشکلات مبدل باک درهم تنیده به سه دسته‌ی ارائه روشهای کاهش استرس ولتاژ ‌قطعات نیمه‌هادی، ایجاد شرایط کلیدزنی نرم توسط روش‌های فعال با کمترین تعداد کلیدکمکی و ایجاد کلیدزنی نرم توسط روش‌های غیر فعال با کمترین تعداد قطعه کمکی، تقسیم می‌شوند. بر این اساس در این پایان نامه مبدل پیشنهادی اول، دوم و سوم برای کاهش استرس ولتاژ قطعات نیمه‌هادی مبدل باک درهم‌تنیده ارائه شده اند. مبدل پیشنهادی چهارم برای ایجاد شرایط کلیدزنی مبدل باک درهم‌تنیده نرم با یک کلید کمکی ارائه شده است. برای ایجاد شرایط کلیدزنی نرم توسط روشهای غیرفعال با کمترین تعداد قطعات کمکی نیز مبدل پیشنهادی پنجم در قالب خانواده‌ای از مبدل‌های تک کلید با کلیدزنی نرم ارائه شده‌است. در ادامه قابلیت پیاده سازی ایده مبدل پیشنهادی پنجم بر روی مبدل پیشنهادی اول، بررسی شده‌است. صحت راهکارهای پیشنهادی در قالب تحلیل‌های نظری ، نتایج شبیه‌سازی و عملی اثبات گردیده‌است. در انتها نیز از مطالب و نتایج بیان شده، یک نتیجه‌گیری کلی بیان خواهد شد و پیشنهاداتی برای بهبود بیشتر در مبدل باک درهم‌تنیده ارائه خواهد شد. کلمات کلیدی: 1- مبدل باک درهم‌تنیده 2- استرس ولتاژ قطعات نیمه‌هادی 3- شرایط کلیدزنی نرم 4- مبدل های سه‌سطحی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی