ارائه، طراحی و ساخت مبدل¬های چند ورودی بهره ولتاژ بالا غیر-ایزوله با بازده زیاد

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this dissertation, some new methods are developed to enhance the performance of the multi-input converters. In the first proposed converter, a resonant auxiliary circuit is used in order to provide soft switching condition for the main switches as well as charging the storage device which has caused considerable improvement in the converter efficiency. To reduce the semiconductor components, a passive lossless snubber circuit is employed to provide soft switching condition in the second proposed converter. The third proposed converter has overcome the hard switching problem of the conventional boost three port converter (boost-TPC) by using an active clamp circuit. In this converter all switches in all operating modes operate under ZVS. The fourth proposed converter provides two separate power flow paths from each input source to the output load. In order to reduce the number of converter components, some components play multiple roles. Accordingly, the energy storage device is charged with the same components which are used in transferring power to the load. The fifth proposed converter provides a bidirectional power flow path to charge the storage device through the output. In this converter, different techniques are employed to provide soft switching conditions in all operating modes. All introduced converters are implemented and the theoretical analyses are validated by the experimental results. Index Terms — Multi-port converter, Multi-input converter, DC-DC converter, High step-up, Soft switching.

امروزه با نیاز روز افزون به انرژی و همچنین کاهش سوخت های فسیلی و تولید آلودگی های ناشی از استفاده از آن ها باعث شده است که استفاده از انرژی های تجدیدپذیر هرچه بیشتر مورد توجه قرار بگیرد. وجود انواع مختلفی از منابع انرژی تجدیدپذیر به عنوان منابع تولیدکننده انرژی و همچنین استفاده از منابع ذخیره کننده انرژی همه در یک سیستم، باعث بوجود آمدن سیستم های انرژی ترکیبی شده است. در سیستم های انرژی ترکیبی، برای دریافت و انتقال انرژی از چندین منبع ورودی به یک درگاه خروجی نیاز به مبدل های DC-DC زیادی است. بجای استفاده از مبدل های DC-DC مجزا برای انتقال انرژی از هر منبع ورودی به خروجی می توان از یک مبدل DC-DC چند ورودی استفاده کرد. وجود انواع مختلفی از منابع ورودی و داشتن چند خروجی باعث شده است که دامنه استفاده از مبدل های چند ورودی افزایش پیدا کند و در کاربردهایی مانند خودرو الکتریکی ترکیبی، منابع تغذیه بدون وقفه، کاربردهای انرژی خورشیدی خانگی و شبکه های هوشمند به وفور استفاده شوند. مهم ترین ویژگی مبدل های چند ورودی مجتمع سازی بالا این مبدل ها است. به این معنی که، این مبدل ها باید با کمترین تعداد قطعات ممکن ساخته شوند. همچنین استفاده از روش های کلیدزنی نرم باعث افزایش بازده این مبدل ها می شود. وجود تعداد منابع ورودی و خروجی زیاد در این دسته از مبدل ها، باعث به وجود آمدن چندین مسیر انتقال توان و داشتن تعداد حالات عملکردی مختلف می شود که مجتمع سازی مبدل و همچنین فراهم کردن شرایط کلیدزنی نرم این مبدل ها را با مشکل مواجه می کند. از این جهت در این رساله، با توجه به ویژگی های مبدل های چند ورودی، راهکارهایی برای حل مشکلات بیان شده پیشنهاد شده است. در فصل اول و دوم این رساله، انواع ساختارهای مبدل های چند ورودی در کاربردهای مختلف بررسی شده اند. سپس در فصل سوم، یک مبدل چند ورودی پیشنهاد شده است که با اضافه کردن حداقل المان ممکن شرایط کلیدزنی نرم برای کلیدهای مبدل چند ورودی را فراهم کرده است. در این مبدل با تبدیل مسیر شارژ منبع ذخیره کننده انرژی به یک مدار ZVT کلید اصلی مبدل در شرایط ولتاژ صفر و کلید شارژ منبع ذخیره کننده انرژی تحت شرایط جریان صفر کلیدزنی می شوند. برای حل مشکلات تلفات روشن شدن خازنی و کلیدزنی در فرکانس بالا کلید موجود در مسیر شارژ منبع ذخیره کننده انرژی در مبدل پیشنهادی اول، در فصل چهارم این رساله مبدلی پیشنهاد شده است که با استفاده از یک مدار اسنابر بدون تلفات شرایط کلیدزنی نرم برای کلیدهای اصلی مبدل فراهم نماید و تمام کلید های مبدل در یک فرکانس کلیدزنی ثابت کلیدزنی شوند. با تزویج سلف به کار رفته شده در مدار اسنابر با سلف اصلی مبدل محدودیت های کلیدزنی نرم در مبدل پیشنهادی اول حذف شده است بدون اینکه حجم مبدل افزایش قابل توجهی پیدا کند. در هر دو مبدل های پیشنهادی اول و دوم، به علت استفاده از ساختار کلید-دایودی در ورودی مبدل ها همواره یک کلید با منابع ورودی به صورت سری قرار می گیرد که در این مبدل ها این کلید همواره تحت شرایط کلیدزنی سخت عمل می کند. در فصل پنجم، مبدلی پیشنهاد شده است که با تغییر ساختار مبدل های پیشنهادی اول و دوم، شرایط کلیدزنی نرم را برای کلید ورودی نیز فراهم کرده است. در این مبدل کلید اصلی مبدل با کلید شارژ منبع ذخیره کننده انرژی به صورت سری با یکدیگر قرار می گیرند و با استفاده از یک مدار مهارکننده فعال تمام کلیدهای مبدل تحت شرایط ولتاژ صفر کلیدزنی می شوند. در مبدل پیشنهادی اول تا سوم به علت وجود فقط یک مسیر انتقال انرژی از تمام ورودی ها به خروجی باعث می شود که تلفات هدایتی مبدل زیاد باشد. برای رفع این مشکل، در فصل ششم این رساله مبدلی پیشنهاد شده است که برای انتقال انرژی از هر منبع ورودی به خروجی از یک مسیر مجزا استفاده می کند. در این مبدل با هدف مجتمع سازی و کاهش تعداد المان های مبدل، المان هایی که در یک حالت عملکردی برای فراهم کردن شرایط کلیدزنی نرم استفاده شده اند در حالت عملکردی دیگر برای انتقال انرژی از منبع تولید کننده انرژی به منبع ذخیره کننده انرژی استفاده می شوند. در این مبدل نیز تمام کلیدهای مبدل در تمام حالات عملکردی تحت شرایط ولتاژ صفر کلیدزنی می شوند. داشتن قابلیت شارژ کردن منبع ذخیره کننده انرژی از طریق درگاه خروجی باعث افزایش کاربرد مبدل های چند ورودی می شود که مبدل های پیشنهادی اول تا چهارم از این قابلیت بی بهره هستند. بنابراین در فصل هفتم این رساله، مبدلی پیشنهاد شده است که با اضافه کردن ساختار یک مبدل دوجهته به مبدل پیشنهادی چهارم قابلیت انتقال توان از درگاه خروجی به منبع ذخیره کننده انرژی را فراهم کرده است. دراین مبدل برای جلوگیری از تداخل روش های کلیدزنی نرم با یکدیگر از انواع مختلفی از روش های کلیدزنی استفاده شده است به طوری که کمترین تاثیر را بر یکدیگر دارند. همچنین، در تمام فصل های این رساله روند طراحی مبدل های پیشنهادی مورد بررسی قرار گرفته است و مبدل های پیشنهادی با تعدادی از کارهای مشابه مقایسه شده اند. همچنین، به منظور تائید صحت تحلیل تئوری، نتایج عملی مبدل های پیشنهادی ارائه شده است. در پایان این رساله، نتیجه گیری و پیشنهادهایی برای ادامه کار بیان شده است. کلمات کلیدی: 1- مبدل چند ورودی 2- مبدل چند درگاهه 3- کلیدزنی نرم 4- مبدل غیر ایزوله 5- مبدل بهره ولتاژ بالا