SUPERVISOR
Hossein Farzanehfard,Ehsan Adib
حسین فرزانه فرد (استاد راهنما) احسان ادیب (استاد مشاور)
STUDENT
Seyede maryam Hatefi ghahfarokhi
سیده مریم هاتفی قهفرخی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Analysis and Improvement of Isolated Bidirectional Converters for Low and Medium Power Applications
In recent years the use of bidirectional DC-DC converters in various applications have been developed. In bidirectional converters, direction of current flow can be changed without changing the polarity voltage sources connected to the converter and power can be transferred between the two sources. The capability to transfer power in both directions makes these converters suitable choices for uninterrupted power supplies, charger and battery discharging, hybrid electric vehicles, fuel cells, photovoltaic systems. Bidirectional converters can be divided into non-isolated bidirectional converters and isolated bidirectional converters. Non-isolated bidirectional converters have disadvantages such as having only one output, no isolation between input and output and having limited gain. At high output voltage to input voltage ratio and where isolation is needed, isolated bidirectional converters should be employed. Due to the leakage inductance in isolated bidirectional converters, switching losses increase and high voltage stress is imposed on the switches. Soft switching auxiliary circuits are used to create soft switching conditions. Providing soft switching for bidirectional converters is much more difficult because the power flows in both directions. To avoid circuit complexity while providing soft switching condition, same auxiliary elements should be used for both power directions. In addition, it is desirable that the auxiliary circuit does not cause noticeable additional losses. In this thesis, bidirectional converters, their applications and employed soft switching technics are reviewed. Then, an isolated soft switching SEPIC-zeta bidirectional DC-DC converter is introduced. This converter has transformer isolation between the input and the output. This converter has two main switches, therefore can be used in low power and medium power applications. The voltage gain of this converter is similar to the buck-boost converter, so it can operate under wide range of input voltages. In SEPIC mode, the converter has an input inductor and the input current is continuous and in zeta mode, the converter has an output inductor which increases the output power density. In the proposed converter, in order to reduce switching losses, an auxiliary circuit is used. The auxiliary circuit has only one auxiliary switch with soft switching performance. In this converter, the auxiliary switch turns on before turning off the main switches and causes the current flow in the main switches to be reduced to zero. Therefore, the voltage stress of switch due to the leakage inductance in isolated bidirectional converters is eliminated. The main feature of the proposed converter is providing soft switching condition for both converter switches with only one auxiliary circuit which has improved the converter efficiency in comparison to the traditional isolated SEPIC-zeta bidirectional DC-DC converter. The proposed bidirectional converter is analyzed for both SEPIC and zeta operating modes. The validity of theoretical analysis is justified using the experimental results of a 100 W, 48–200 V prototype converter. Keywords 1- Switching Power Supplies 2- Isolated Bidirectional Converters 3- Soft Switching 4- SEPIC-zeta
در سالهای اخیر استفاده از مبدلهای DC-DC دوجهته در کاربردهای مختلف توسعه یافته است. در مبدلهای دوجهته جهت عبور جریان میتواند تغییر کند بدون اینکه پلاریته منابع ولتاژ متصل به مبدل تغییر کند و توان میتواند بین دو منبع DC انتقال یابد. به علت توانایی معکوس کردن جهت انتقال توان از این مبدلها در کاربردهایی نظیر منابع تغذیه بدون وقفه، شارژر و دشارژ باتریها، خودروهای الکتریکی هیبرید، سیستمهای پیل سوختی، سیستمهای فوتوولتائیک و ... استفاده میشود. در حالت کلی مبدلهای دوجهته به دو دسته مبدلهای دوجهته نوع ایزوله و مبدلهای دوجهته نوع غیرایزوله تقسیم میشوند. مبدلهای دوجهته غیرایزوله دارای معایبی از قبیل داشتن تنها یک خروجی، عدم ایزولاسیون بین ورودی و خروجی و محدودیت در ایجاد سطح ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودی میباشند. از این رو مبدلهای دوجهته ایزوله از اهمیت خاصی برخوردار هستند. لذا در کاربردهایی که اختلاف سطح ولتاژ ورودی و خروجی زیاد است و امکان استفاده از زمین مشترک هم وجود ندارد از مبدلهای دوجهته نوع ایزوله استفاده میشود. در مبدلهای دوجهته نوع ایزوله به علت وجود سلف نشتی تلفات سوئیچینگ بالا است و استرس ولتاژ بالایی به سوئیچها تحمیل میشود. برای ایجاد شرایط سوئیچینگ نرم میتوان از مدارهای کمکی استفاده کرد. در مبدلهای دوجهته فراهم کردن شرایط سوئیچینگ نرم به مراتب دشوارتر است چرا که باید بتوان شرایط سوئیچینگ نرم را در هر دو جهت عملکرد فراهم ساخت. برای جلوگیری از پیچیدگی مدار، برای فراهم کردن سوئیچینگ نرم تلاش بر این است که از عنصرهای یکسانی در هر دو جهت عملکرد استفاده شود. علاوه بر این، مطلوب است مدار کمکی تلفات اضافی برای مدار ایجاد نکند. در این پایاننامه ابتدا مروری بر ساختار مبدلهای دوجهته و کاربردهای آنها و سپس بر تعدادی از مبدلهای دوجهته سوئیچینگ نرم ایزوله شده است . سپس یک مبدل دوجهته سپیک-زتا ایزوله سوئیچینگ نرم معرفی میشود. مبدل دوجهته سپیک-زتا یکی از انواع مبدلهای دوجهته میباشد. در این مبدل قابلیت قراردهی ترانسفورمر و ایجاد ایزولاسیون بین ورودی و خروجی وجود دارد. این مبدل شامل دو سوئیچ اصلی یکی در جهت رفت و دیگری در جهت برگشت است. لذا از این مبدل در کاربردهای توان پایین و توان متوسط میتوان استفاده نمود. تابع انتقال این مبدل مشابه مبدل باک-بوست میباشد لذا میتواند تحت تغییرات وسیع ورودی عمل کند. در جهت سپیک این مبدل، به علت وجود سلف، جریان ورودی پیوسته میباشد و از طرفی در جهت عملکرد زتا به علت پیوسته بودن جریان خروجی چگالی توان مبدل بالا است. در مبدل پیشنهادی برای کاهش تلفات سوئیچینگ از یک مدار کمکی استفاده میشود. مدار کمکی تنها دارای یک سوئیچ کمکی است و عمل کلید زنی این سوئیچ نیز نرم میباشد. در این مبدل پیش از خاموش شدن سوئیچها جریان آنها تا صفر کاهش مییابد لذا اسپایکهای ولتاژ دو سر سوئیچها به علت وجود سلف نشتی حذف میشود. ویژگی اصلی مبدل فراهم آوردن شرایط سوئیچینگ نرم برای هر دو سوئیچ مبدل تنها با استفاده از یک مدار کمکی است که این مدار تنها شامل یک سوئیچ میباشد و راندمان مدار پیشنهادی نسبت به مبدل سپیک-زتا ایزوله معمولی بهبود یافته است. مبدل پیشنهادی برای هر دو حالت عملکرد سپیک و زتا بررسی شده است. بررسی صحت عملکرد مدار پیشنهادی برای توان 100 وات و سطح ولتاژ 200-48 با استفاده از یک نمونه آزمایشگاهی از این مبدل انجام شده است. کلید واژه: 1- منابع تغذیه سوئیچینگ 2- مبدلهای دوجهته ایزوله 3- سوئیچینگ نرم 4- سپیک-زتا