طراحی، ساخت و بهبود عملکرد مبدل های DC-DC غیر ایزوله بسیار کاهنده

STUDENT

DEGREE

YEAR

Generally, high step down converters are used to process the power from a very high voltage source to a low voltage load. The main challenges in the high step down converters are switching losses, diode reverse recovery losses, conduction losses, voltage and current stress on the semiconductor elements, electromagnetic interference, output current ripple, operation at high switching frequency, power density, number of semiconductor component, recovering the stored energy in the parasitic circuit elements and circuit protection. In this dissertation, challenges of the non-isolated high step down DC-DC converters are investigated and the common methods are described to overcome these limitations. Then, a review of the most recent non-isolated DC-DC converters is presented and their advantages and disadvantages are described after. Considering the existing interleaved high step down converters, improved non-isolated ultra-high step down converters are proposed in this dissertation. The proposed converters have several main advantages such as extremely low voltage gain, extended duty cycle, automatic current sharing, low voltage and current stress on active switches, soft switching condition and low output current ripple. To achieve these advantages several techniques are combined. The interleaved method is applied to reduce the current stress and decrease the output current ripple due to the phase shift between two modules. The series capacitors are used to improve the step down conversion ratio and clamp the voltage stress across the active switches due to the capacitive voltage division characteristic. In addition, the coupled inductors are used to reduce the voltage gain and extend the duty cycle without imposing extra voltage stress across the active switches. The proposed converters are compared to each other as well as to the existing prominent counterpart converters. The proposed converters are completely analyzed and the experimental waveforms of the laboratory prototype are provided. Key words Ultra-high step down converter, extended duty cycle, coupled inductors, low voltage stress, automatic current sharing, soft switching.

مبدل باک به عنوان پایه ای ترین مبدل کاهنده DC-DC در تبدیل ولتاژهایی که ایزولاسیون مورد نیاز نباشد، به طور وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مبدل به دلیل ساختار ساده وقیمت پایین، خصوصا در زمینه مخابرات و تبادل اطلاعات بسیار مورد توجه است. با این حال، به دلیل الزامات منابع تغذیه‌ی ریزپردازنده‌های جدید، بهره پایین تری مورد نیاز است. اما برای رسیدن به کاهندگی بیشتر ، ضریب وظیفه بسیار کوچک می گردد. همچنین به دلیل اینکه اندازه‌ی اجزای فیلتر مبدل‌ها متناسب با فرکانس کلیدزنی خروجی تعیین می‌شود ، برای رسیدن به چگالی توان بالاتر، فرکانس کلیدزنی بالا مورد نیاز است. اما افزایش فرکانس کلیدزنی، تلفات کلیدزنی و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) [1] را افزایش داده که این موضوع منجر به کاهش بازده مبدل می‌گردد. مهمترین چالش‌های مبدل DC-DC بسیار کاهنده شامل تلفات کلیدزنی ، تلفات بازیافت معکوس دایود، تلفات هدایتی، تنش ولتاژ و تنش جریان المان های نیمه هادی مبدل، ریپل جریان خروجی، فرکانس کلیدزنی و بحث حفاظت مدار می‌باشد. در این رساله ابتدا کاربرد مبدل های بسیار کاهنده به طور اجمالی عنوان شده است و چالش های مبدل های بسیار کاهنده و روشهای پیشنهادی برای مرتفع کردن این چالش ها بررسی گردیده است. سپس مروری بر مبدل‌های DC-DC غیرایزوله بسیار کاهنده اخیر انجام شده و مزایا و معایب آنها مشخص شده است. در ادامه پنج مبدل بسیار کاهنده جدید پیشنهاد می شود که ایده این مبدل ها از ساختار مشابه مبدل تمام پل غیرایزوله مشتق شده است. از جمله تکنیک های به کار برده شده در این مبدل های پیشنهادی، استفاده از سلف های تزویج شده در مسیر انتقال توان می‌باشد، که با انتخاب مناسب و تنظیم نسبت دور سلف های تزویج شده می‌توان به یک نسبت تبدیل ولتاژ دلخواه دست یافت. همچنین از خازن های سری برای بهبود نسبت تبدیل ولتاژ و مهار تنش ولتاژ دو سر کلیدها به خاطر ویژگی تقسیم ولتاژ خازنی استفاده شده است. مبدل پیشنهادی اول با ایجاد بهره ولتاژ بسیار کم دارای امتیازاتی از قبیل ضریب وظیفه گسترده، تنش ولتاژ برابر با نصف ولتاژ ورودی روی کلیدهای مبدل، تنش ولتاژ برابر با یک هشتم ولتاژ ورودی روی دایودهای مبدل، تقسیم جریان خودکار بین فازهای مبدل، تنش جریان کم المانهای نیمه هادی ودر نهایت بازده بالا می باشد. اما به دلیل کلیدزنی سخت المان های نیمه هادی، میزان تلفات کلیدزنی در فرکانس های بالا افزایش می یابد. بنابراین برای رفع این مشکل با ایجاد تغییراتی در ساختار مبدل پیشنهادی اول، مبدل پیشنهادی دوم ارائه شده است که این مبدل با حفظ ویژگی های مبدل قبلی، با کنترل فرکانس متغیر، امکان کلیدزنی نرم المان های نیمه هادی را برای گستره وسیعی از محدوده تغییرات بار و ولتاژ ورودی فراهم می نماید. با وجود ویژگی های ذکر شده، این مبدل در کاربردهایی که نیاز به زمین مشترک بین منبع ورودی و بار خروجی ندارند بسیار مناسب می باشد اما در سایر کاربردها به دلیل پیچیده شدن مدار کنترل به کار برده نمی شود. به همین دلیل برای رفع مشکل محدودیت کاربرد مبدل پیشنهادی، با ایجاد تغییراتی برروی مبدل پایه پیشنهادی اول، مبدل ارتقا یافته ای سوم ارائه شده است. در مبدل پیشنهادی سوم زمین مشترک بین منبع ورودی و بار خروجی ایجاد شده است و همچنین به دلیل افزایش فازهای مبدل پایه، میزان تنش جریان روی المان های نیمه هادی به طور چشمگیری کاهش پیدا کرده است. به علاوه این مبدل دارای مزایای مبدل پیشنهادی پایه نیز می باشد که منجر به گستردگی کاربرد آن می شود. اما به دلیل تعداد زیاد المان های به کاربرده شده، دارای حجم، وزن و هزینه ساخت زیاد می باشد. بنابراین در راستای کاهش تعداد المان ها که سبب کاهش تلفات هدایتی و همچنین کاهش اندازه و هزینه ساخت مبدل می شود، با حفظ ساختار مبدل پایه و ایجاد تغییراتی در جهت اهداف رساله، مبدل چهارم پیشنهاد شده است. مبدل پیشنهادی چهارم علاوه بر بهره ولتاژ بسیار کم، دارای تنش ولتاژ و جریان کم روی المانهای نیمه هادی و تلفات هدایتی پایین می باشد. همچنین به دلیل بازیابی انرژی سلف نشتی مربوط به سلف های تزویج شده، فراجهش ولتاژ روی کلیدها و دایودهای مبدل وجود ندارد. علاوه بر این، مبدل پیشنهادی چهارم، امکان کلیدزنی نرم کامل، برای همه المانهای نیمه هادی را نیز فراهم نموده است که سبب کاربرد وسیع و بازده بالای این مبدل می شود. از آنجا که میزان تلفات هدایتی و کلیدزنی در مبدل های بسیار کاهنده از اهمیت ویژه ای برخوردار است به منظور دستیابی به تلفات کمتر، حجم و اندازه کوچکتر و کنترل ساده تر، از طریق کاهش تعداد المانهای فعال و غیرفعال مبدل پیشنهادی فصل ششم در فصل هفتم ارتقا داده شده است. این مبدل به دلیل اینکه دارای تعداد المان های کم و تلفات هدایتی پایین می باشد در بسیاری از کاربردهای مبدل های بسیار کاهنده قابل استفاده است. کلمات کلیدی: 1-مبدل بسیار کاهنده 2-ضریب وظیفه توسعه یافته 3-کلیدزنی نرم