SUPERVISOR
Ehsan Adib,Hossein Farzanehfard
احسان ادیب (استاد مشاور) حسین فرزانه فرد (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Hossein Bourouni
محمدحسین بورونی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Design and Implementation of Three Level Bridgeless Buck PFC Converter Operating in DCVM
Recently, rectifier usage has been increasing in industry. Rectifiers are known as nonlinear loads causing harmonic distortion in power grids. For this reason, power factor correction (PFC) converters are employed to create a sinusoidal current which is in phase with line voltage. Thus, many standards are established to limit the total harmonic distortion of the converters. One of the definitions for measuring harmonic distortion is power factor. Power factor is calculated from the ratio of real power to apparent power. In this thesis, at first the definition of power factor and its mathematical relations are presented and then the advantages and disadvantages of basic switching converters are mentioned. To increase the efficiency, bridgeless PFCs are reviewed. In bridgeless PFCs, the rectifier is combined with the PFC converter to create a new converter. Because the number of semiconductor devices are reduced in bridgeless PFCs, the conduction losses are reduced and the efficiency is increased. Bridgeless PFC converters are divided in to three categories: step up, step down and step up – step down. The advantages and disadvantages of each type of these converters are based on what type of basic switching converter is used. Due to high output voltage of boost PFC converters, they are not used in low output voltage applications. In this thesis, to use the converter at low output voltage applications, buck PFC converter is investigated. Buck type converters have the advantage of low output voltage and capability of converter protection at overload condition. However, dead angle, floating gate drive and hard switching are the disadvantages of this converter. To overcome some of the disadvantages and increasing the performance of this converter, Discontinuous Capacitor Voltage Mode (DCVM) is employed. Buck type converters in DCVM are benefited from inherent PFC, Zero Voltage Switching (ZVS) at switch turn off, and shorter dead angle than other converters. Therefore, in this thesis, a new bridgeless buck converter is proposed which operates in DCVM. The proposed converter provides ZVS at switch turn off, small dead angle and offers inherent PFC characteristic. One of the drawbacks of DCVM converters is high voltage stress for semiconductor devices. To solve this issue, three level converters are employed. Three level converters can half the voltage stress. In this thesis, three level converters technique are combined with the proposed converter and new three level bridgeless buck converter is proposed. Since, DCVM only provides ZVS at turn off for the switches, the proposed converter is redesigned in Discontinuous Inductor Current Mode to reduce the turn on switching loss. At last, the proposed converter has major advantages such as good efficiency, lower voltage stress than other converters, less dead angle, and simple feedback circuit due to the inherent PFC capability. The operation of the proposed discontinuous capacitor voltage mode bridgeless buck converter is mentioned in details. Also, the proposed converter at various operating conditions is analyzed. Finally, the proposed converter is designed and simulation results are presented. To verify the theoretical analysis, the proposed converter is implemented and the results are provided. Keywords Power Factor Correction Converters, Bridgeless PFCs, Discontinuous Capacitor Voltage Mode, Three Level Converters
امروزه در صنعت استفاده از یکسوسازها به منظور ایجاد ولتاژ DC رو به افزایش است. یکسوسازها که ازجمله بارهای غیرخطی محسوب می شوند، باعث ایجاد آلودگیهارمونیکی در شبکه برق سراسری می گردند. به همین دلیل امروزه استفاده از مدارهای اصلاح ضریب توان به منظور ایجاد جریان سینوسی و هم فاز با ولتاژ، ضروری است. در این راستا استاندارد هایی به منظور رعایت حد مجاز هارمونیک ها وضع شده است. طبق استاندارد های وضع شده مدارهای اصلاح ضریب توان می بایستی حد مشخصی از هارمونیک های جریان را داشته باشند. از جمله تعریف های صورت گرفته برای سنجش میزان آلودگیهارمونیکی یکسوسازها ضریب توان است. ضریب توان از نسبت توان حقیقی به توان ظاهری محاسبه می شود دراین پایان نامه ابتدا به تعریف ضریب توان و بیان رابطه ی آن پرداخته شده است. سپس مزایا و معایب هرکدام از مبدل های کلیدزنی پایه در نقش مدارهای اصلاح ضریب توان بیان شده اند. در انتها به دنبال ایجاد راندمان بالا، ساختارهای بدون پل به طور مفصل مورد بررسی قرار می گیرند. در ساختارهای بدون پل، پل دیود ورودی با مبدل اصلاح ضریب توان(PFC) در یک دیگر ادغام می شوند و تشکیل یک مبدل جدید می دهند. این امر با کم کردن تعداد المان های نیمههادی تحت هدایت باعث کاهش تلفات هدایتی و افزایش راندمان می شود. با توجه به نوع مبدل کلیدزنی، مبدل های اصلاح ضریب توان بدون پل به سه دسته ی افزاینده، افزاینده- کاهنده و کاهنده تقسیم می hy;شوند.هرکدام از این مبدل ها، باتوجه به نوع مبدل پایه مورد استفاده، مزایا و معایب مختص به خود را دارا هستند. مبدل های اصلاح ضریب توان نوع بوست به دلیل بزرگ بودن ولتاژ خروجی نسبت به ورودی در کاربرد های ولتاژ پایین مورد استفاده قرار نمی گیرد. در این پایان نامه به منظور استفاده از مبدل اصلاح ضریب توان در ولتاژ های پایین، مبدل اصلاح ضریب توان بدون پل باک مورد مطالعه قرار گرفته است. مبدل های نوع باک از مزایایی همچون ولتاژ خروجی پایین و قابلیت قطع توان در صورت اضافه بار سود می برد. از جمله معایب این مبدل می توان به اعوجاج گذر از صفر، گیت درایو شناور و کلید زنی سخت اشاره کرد. به منظور رفع معایب مطرح شده و بهبود عملکرد مبدل های نوع باک شرایط ولتاژ گسسته(DCVM) مورد استفاده گرفته اند. مبدل های نوع باک در شرایط DCVM علاوه بر خاصیت اصلاح ضریب توان ذاتی، دارای سویچینگ نرم به هنگام خاموش شدن سوییچ ها و اعوجاج گذر از صفر کمتر نسبت به سایر مبدل ها هستند. به همین دلیل در این پایان نامه با استفاده از شرایط DCVM و مبدل باک، مبدل بدون پل از نوع باک ولتاژ گسسته ارایه شده است. مبدل ارایه شده دارای سویچینگ نرم برای خاموش شدن سوییچ ، زاویه ی مرده کوچک نسبت به سایر مبدل ها و خاصیت اصلاح ضریب توان ذاتی است. ازجمله معایب مبدل های ولتاژ گسسته می توان به استرس بالای ولتاژ آن ها اشاره کرد. در انتها سعی بر آن شده است تا با استفاده از روش مبدل های سه سطحی از استرس ولتاژ سوییچ های مبدل پیشنهاد شده کاسته شود. با استفاده از مبدل های سه سطحی می توان استرس ولتاژ المان های نیمه هادی را نصف کرد. هم چنین با استفاده از تکنیک های مداری شرایط سوییچینگ نرم کامل مبدل فراهم شده است و بازده مبدل بهبود یافته است. در این پایان نامه مبدل باک بدون پل ولتاژگسسته پیشنهادی تحلیل شده است و وضعیت های مختلف عملکردآن بررسی شده است. برای اثبات تحلیل تئوری نتایج شبیه سازی و ساخت ارایه شده است. کلمات کلیدی: 1- اصلاح ضریب توان(PFC) 2- مبدلهای اصلاح ضریب توان بدون پل باک 3- مبدل های سه سطحی 4- مبدل اصلاح ضریب توان ولتاژگسسته