SUPERVISOR
Ehsan Adib,Hossein Farzanehfard
احسان ادیب (استاد راهنما) حسین فرزانه فرد (استاد مشاور)
STUDENT
Mohammad Mahmoodsaleh
محمد محمودصالح
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Design And Implementation Of Bridgeless Power Factor Correction Converters Based On Buck-Boost
Today, with the rapid growth of electronic equipment, Demand for DC power supplies is growing. Rectifiers are widely used in application industries to convert main AC voltage to DC voltage. Since rectifiers include diodes and large capacitor that are nonlinear loads, Therefore, electronic equipment injects harmonics into the power system, which results in increased Total Harmonic Distortion (THD). Rules and standards such as the International Electrotechnical Commission (IEC 61000-3-2), limit the harmonics produced by these devices. At present, Power Factor Correction (PFC) circuits with a wide range of industrial applications is an effective method to meet the aforementioned standards. Single-phase and three-phase ac–dc power converters can be implemented with PFC for low-power and high-power applications, respectively. Among the many options, the Boost converter is widely used as a power factor correction. This converter has several advantages such as simple control and high PF. However, its output voltage should be higher than the peak voltage of the input voltage. Therefore, the researchers introduced the Buck and Buck-Boost converters as PFC for applications that demand low output voltage for electronic equipment. However, for buck types PFC converters, when the output voltage is higher than the input voltage, the dead angle emerges in the input current, which leads to low PF and high current distortion. In this thesis, two bridgeless PFCs with input single phase and a buck-boost PFCs with input three phase are introduced. at first of the thesis, the definition of power factor and its mathematical relation are presented and then advantages and disadvantages of basic switching converters are mentioned. To increase the efficiency, bridgeless PFCs are reviewed. In bridgeless PFCs, rectifier is combined with the PFCs converter to create a new converter. Because the number of semiconductor devices are reduced in bridgeless PFCs, the conduction losses are reduced and efficiency is increased. In the first proposed PFC, converter operates at Discontinuous capacitor voltage mode (DCVM) and discontinuous inductor current mode (DICM); hence inherent PFC is achieved with a simple pulse width modulation(PWM) control. Also, the switch of the proposed converter can operate with Zero Current Switching (ZCS) turn-on and Zero Voltage Switching (ZVS) turn-off without applying any extra element. The second proposed PFC, using lossless snubber, converter can operates under ZVS condition. Laboratory prototype of the proposed bridgeless PFCs are designed and implemented to verify validity of theoretical analysis. Furthermore, the input current of the proposed converters are dead angle free. For design high power converters, three-phase converters to be considered as a better option than single-phase converters. Therefore, in the third proposed PFC, converter with three phase input is simulated. The third proposed PFC structure improves the power density by employing two switches. Due to reduction of the number of semiconductors in the power flow path and providing soft switching condition for semiconductors, efficiency of proposed bridgeless PFCs are high and above %92. Power factor correction - Soft Switching - Dead angle - Total Harmonic Distortion (THD)
با گسترش تکنولوژی استفاده از تجهیزات الکترونیکی در بیشتر ابعاد زندگی روزمره، نیاز به ولتاژهای DC جهت تغذیه تجهیزات الکترونیکی لازم و ضروری است. برای تبدیل برق شهر به ولتاژ DC مورد نیاز، استفاده از منابع تغذیه ضرورت دارد. به این منابع تغذیه ولتاژ یکسو شدهی برق شهر اعمال شده، که این کار توسط پل دیودی و خازن انجام خواهد شد و یکی از راههای ارزان و مطمئن است. پل دیودی و خازن یک بارغیرخطی برای شبکه است، که باعث تغییر شکل جریان خروجی شبکه از حالت سینوسی به سوزنی است. جریان سوزنی دارای هارمونیکهای فرکانس برق شهر میباشد و باعث اختلال در شبکه قدرت میشود. به همین منظور استانداردهایی تدوینشده است، تا مقدار هارمونیکهای شبکه، از مقداری مشخص بیشتر نشود و این استانداردها برای تجهیزات الکترونیکی ضروری است. روشهای اصلاح ضریبتوان میتواند فعال یا غیرفعال باشد. تکنیکهای غیرفعال از المانها غیرفعال مانند سلف و خازن دریک ساختار فیلتر پایینگذر برای حذف هارمونیکهای اضافی استفاده میکنند. اگر چه تکنیکهای غیرفعال ارزان و ساده و مطمئن بوده، اما نیاز به استفاده از سلف و خازنهای بزرگ در ساختار آنها، کاربرد این روش را به خصوص در توانهای پایین محدود میسازد. در توانهای پایین بهتر است این کار توسط مدار فعال انجام شود. یکی از راهکارهای ارئه شده مدارات اصلاح ضریبتوان است که با قرار گرفتن بین منابع تغذیه اصلی و شبکه قدرت باعث شکل دادن به جریان کشیده شده از شبکه و کنترل هارمونیکهای ناخواسته میشود. مدارات اصلاح ضریبتوان درچند دسته تقسیم میشوند، که مدارات اصلاح ضریبتوان بدونپل یکی از مهمترین آنها به شمار میرود. این مبدلها به دلیل کاربرد در توانهای به نسبت بیشتر با ترکیب پلدیودی و مبدل اصلاح ضریبتوان سعی شده المانهای در مسیر توان کمتر شود، تا تلفات هدایتی مدارکاهش یابد. با استفاده از کلیدزنی نرم نیز به کاهش تلفات مدار پرداخته شده است. در این پایان نامه ابتدا به مفاهیم اولیه مبدلهای اصلاح ضریبتوان و شاخصهای اندازهگیری هارمونیکها بیانشده سپس به معرفی مبدلهای پایه اصلاح ضریبتوان پرداخته شده و در فصل سوم مروری بر مبدل های اصلاح ضریب توان در رنج توان پایین انجام گرفته است. در فصل چهارم مبدل پیشنهادی اول در حالت ولتاژ و جریان گسسته طراحی و ساخته شد. این مبدل با کمترین المان قابلیت حذف تلفات کلیدزنی را دارد و همچنین کلیه ی المان های مغناطیسی آن بر روی یک هسته مغناطیسی قرار دارند. نمونه های عملی مبدل های پیشنهادی اول و دوم در آزمایشگاه ساخته شده و نتایج خروجی آن ها مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج عملی نشان می دهد که مبدل های پیشنهادی هر دو توانسته اند ضریب توان و THD را بهبود دهند. همچنین بدلیل کاهش المان های در مسیر عبور توان و ایجاد شرایط کلیدزنی نرم، راندمان مبدل پیشنهادی در شرایط تست، بالا و در حدود 92% می باشد. در فصل پنجم یک مبدل اصلاح ضریب توان بدون پل با عملکرد گسسته جریان معرفی و ساخته شده و این مبدل شرایط کلیدزنی نرم را برای کلیدهای مبدل فراهم کرده و سرانجام در فصل ششم یک مبدل سه فاز معرفی شده و مبدل پیشنهادی اول به صورت سه فاز شبیه سازی شده است. کلید واژه های فارسی: اصلاح ضریب توان- کلیدزنی نرم- زاویه مرده - ضریب اعوجاج کل