Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Farzanehfard,Ehsan Adib
حسین فرزانه فرد (استاد مشاور) احسان ادیب (استاد راهنما)
 
STUDENT
Behzad Poorali Riabi
بهزاد پورعلی ریابی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394

TITLE

Improvement of Nonisolated High Step-Up DC–DC Converters Considering Their Dynamic Responses
Nonisolated high step-up DC–DC converters are widely employed in uninterruptible power supplies and renewable energy systems. In such applications, a high step-up converter is used to generate a high-voltage DC bus for the next stage inverter. The main objective of this research is to study and improve nonisolated high step-up DC–DC converters regarding their voltage gain and energy efficiency as well as their dynamic responses. Existence of a right-half-plane (RHP) zero in the control-to-output transfer functions of boost converters is known as the main limiting factor of their frequency responses. In this research, the use of forward-type coupled inductors is suggested as a new method to improve the dynamic responses of high step-up converters by eliminating their RHP zeros. Moreover, two new nonisolated high step-up converters are proposed based on the impedance-source and quasi-impedance-source structures and using forward-type coupled inductors. Although the first proposed converter offers ultra-high voltage gain and high efficiency, it cannot achieve fast dynamics. However, the second proposed converter meets all the desired features such as large voltage gain, high efficiency, a small number of components, continuous input current, and fast dynamics. Key Words: Nonisolated high step-up DC–DC converters, improvement of dynamic response, state-space modeling, soft-switching techniques.
مبدل‌های DC–DC بسیار افزاینده غیرایزوله کاربرد زیادی در منابع تغذیه بدون وقفه و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر دارند. در چنین کاربردهایی از مبدل بسیار افزاینده برای تولید یک باس DC با ولتاژ مناسب برای اینورتر طبقه بعدی استفاده می‌شود. در صورتی که مبدل بسیار افزاینده دینامیک سریعی داشته باشد، امکان طراحی یک حلقه کنترل ولتاژ با پهنای باند بزرگ برای آن وجود دارد که باعث می‌شود مبدل حلقه بسته عملکرد بهتری در جبران تغییرات ولتاژ خروجی ناشی از تغییرات بار داشته باشد. به همین دلیل موضوع اصلی این تحقیق بررسی و بهبود مبدل‌های بسیار افزاینده غیرایزوله هم از نظر بهره ولتاژ و بازده انرژی و هم از نظر پاسخ دینامیکی می‌باشد. وجود صفر نیم‌صفحه راست در تابع انتقال مبدل‌های نوع بوست از ورودی کنترل (ضریب وظیفه) به ولتاژ خروجی عامل اصلی محدودیت پاسخ فرکانسی آن‌ها می‌باشد. بنابراین لازم است که ساختارهای جدیدی با رفتار دینامیکی بهتر ارائه شود که امکان دستیابی به پهنای باند حلقه بسته بزرگ برای آن‌ها وجود داشته باشد. یکی از روش‌های رایج که در مبدل‌های بسیار افزاینده برای دستیابی به بهره ولتاژ بزرگ به کار می‌رود، استفاده از سلف تزویجی می‌باشد. بررسی اثر سلف تزویجی بر پاسخ دینامیکی مبدل بوست نشان می‌دهد که استفاده از نوع فوروارد آن، برخلاف نوع فلای‌بک، می‌تواند باعث حذف صفر نیم‌صفحه راست از تابع انتقال مبدل نهایی شود. به همین دلیل با وجود این که سلف تزویجی نوع فوروارد نسبت به نوع فلای‌بک بهره ولتاژ مبدل را کمتر افزایش می‌دهد، اما استفاده از آن در کاربردهایی که به دینامیک سریع نیاز است، می‌تواند به افزایش پهنای باند حلقه بسته کمک کند. در این تحقیق یک مبدل بسیار افزاینده غیرایزوله بر پایه ساختار منبع امپدانسی ارائه می‌شود که دارای تنها یک قطعه مغناطیسی می‌باشد. تحلیل‌های انجام شده نشان می‌دهد که تزویج سلف‌های شبکه منبع امپدانسی باعث کاهش مقاومت سیم‌پیچ آن‌ها شده و به بهبود بازده مبدل کمک می‌کند. برای افزایش بیشتر بازده مبدل پیشنهادی، یک مدار کمکی گذر در ولتاژ صفر نیز به آن اضافه شده است. در مبدل پیشنهادی با هدف دستیابی هم‌زمان به بهره ولتاژ بزرگ و عملکرد دینامیکی مناسب، از سلف تزویجی نوع فوروارد استفاده می‌شود. اما مدل‌سازی و تحلیل دینامیکی مبدل نشان می‌دهد که در صورت دستیابی به بهره ولتاژ خیلی بزرگ، امکان حذف صفر نیم‌صفحه راست از تابع انتقال مبدل وجود ندارد. با وجود این که ساختار به دست آمده دارای بهره ولتاژ بسیار بزرگ و بازده مناسبی می‌باشد، اما تعداد قطعات آن زیاد بوده، دینامیک سریع حاصل نشده و جریان ورودی ناپیوسته دارد. برای برطرف کردن مشکلات ذکر شده و دستیابی به تمام اهداف مورد نظر این تحقیق، یک مبدل بسیار افزاینده دیگر بر پایه ساختار منبع شبه‌امپدانسی ارائه می‌شود. در این مبدل نیز سلف تزویجی نوع فوروارد به کار رفته است تا هم بهره ولتاژ مبدل افزایش یابد و هم امکان بهبود عملکرد دینامیکی آن فراهم شود. به منظور کاهش تلفات هدایتی دیود موجود در شبکه امپدانسی از کلید سنکرون به جای آن استفاده می‌شود. اضافه شدن کلید سنکرون به مدار به ایجاد شرایط کلیدزنی نرم برای همه قطعات نیمه‌هادی مبدل نیز کمک می‌کند. این موارد باعث می‌شود که مبدل پیشنهادی از بازده بالایی در محدوده وسیعی از تغییرات بار برخوردار باشد. سادگی ساختار مبدل سبب شده است که تعداد قطعات آن زیاد افزایش نیابد و برای کاربردهای با توان کم به صرفه باشد. از طرف دیگر بررسی عملکرد مبدل در شرایط دینامیکی نشان می‌دهد که امکان طراحی یک حلقه کنترل ولتاژ سریع برای آن وجود داشته و مبدل حلقه بسته به خوبی قادر به تثبیت ولتاژ خروجی حتی در شرایط تغییر پله‌ای بار می‌باشد. بنابراین همه اهداف تعیین شده در این تحقیق که شامل دستیابی به یک مبدل بسیار افزاینده غیرایزوله با بهره ولتاژ بزرگ، بازده زیاد، تعداد قطعات کم، جریان ورودی پیوسته و دینامیک سریع می‌باشد، محقق شده است. در انتها پیشنهاداتی نیز برای ادامه کار این تحقیق و تکمیل و بهبود آن ارائه می‌شود. کلمات کلیدی: مبدل‌های DC–DC بسیار افزاینده غیرایزوله، بهبود پاسخ دینامیکی، مدل‌سازی فضای حالت، روش‌های کلیدزنی نرم.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی