بهبود بازده و کاهش آلودگی هارمونیکی در مبدلهای تصحیح ضریب توان تک مرحله ای

STUDENT

DEGREE

YEAR

To satisfy IEC1000-3-2 harmonic regulations, power factor correction (PFC) techniques have become attractive in recent years. In single-stage PFCs which integrates the PFC stage with a dc/dc converter into one stage, input current shaping and output voltage regulation are performed using one converter. The bulk capacitor voltage would change in a wide range and increase especially in DCM operation of the input current shaping stage and CCM operation of the DC/DC stage, under light load condition. To reduce high bulk capacitor voltage stress, the conventional single-stage boost-flyback PFC, uses the negative magnetic feedback (NMF) winding, in series with the boost inductor charge branch, which causes dead angle in the input current at the low input voltages. In this dissertation, the dead angle is eliminated by using a compensating winding (CMP) in series with the NMF inductor at low line voltages. Using extra switch and hard switching of the main and auxiliary switches are two major drawbacks of this structure. To reduce switching losses, a single-stage ZVT PWM flyback PFC is proposed. In the proposed circuit, the main and auxiliary switches turn on and off under ZVT and ZCS condition, respectively and the dead angle is reduced by using a compensating winding in parallel with the boost branch. Using an auxiliary switch is the major drawback of this structure. In the other proposed structure, to omit the extra switch, a compensating winding branch, coupled with the boost inductor and in parallel with the NMF winding branch, eliminates the input current dead angle and the main switch turns on and off under soft switching condition by a passive lossless snubber. Finally, to reduce the bulk capacitor value and size, a single-stage ZVT PWM buck-boost, flyback PFC is introduced. In all the proposed converters, the circuit operation and design considerations are presented, and to confirm the feasibility of the proposed converters, the experimental results are provided. Key Words Power factor correction (PFC), single stage, single switch, bulk capacitor voltage, dead angle, soft switching, zero voltage transition (ZVT), zero current switching (ZCS).

باتوجه به استانداردهای هارمونیکی، روشهای تصحیح ضریب توان در منابع تغذیه سوئیچینگ، کاربرد فراوانی دارد. مبدلهای تصحیح ضریب توان دومرحله ای مرسوم، مشخصات خوبی همچون ضریب توان بالا و استرس ولتا‍ژ‍ کم را دارا می باشند. تعداد زیاد المانها و پیچیدگی مدار کنترل در این نوع مبدلها، بازده آنها در توانهای بالا، را محدود می سازد. در مبدلهای تصحیح ضریب توان (PFC) تک مرحله ای، رگولاسیون ولتاژ خروجی و شکل دهی جریان ورودی، در یک مرحله صورت می گیرد که با توجه به اختلاف لحظه ای توان متغیر ورودی و توان ثابت خروجی، یک خازن بزرگ ذخیره کننده ( C b ) برای جبران اختلاف استفاده می شود. ولتاژ این خازن کنترل شده نبوده و با تغیر ولتاژ ورودی و بار، تغییر می کند (خصوصآ زمانی که قسمت شکل دهی جریان ورودی در حالت کنترل جریان گسسته و قسمت رگولاسیون ولتاژ خروجی در حالت کنترل جریان پیوسته کار کند). در بارهای سبک و ولتاژ ورودی برق شهر، این ولتاژ به بیش از V DC 450 هم می رسد، که طراحی این نوع مبدلها را مشکل می سازد. برای کاهش استرس ولتاژ خازن C b روشهای مختلفی همچون روش کنترل متغیر فرکانس معرفی شده است که مشکلاتی همچون طراحی غیر بهینه المانهای مغناطیسی و فیلترها را دارد. روش دیگر کاهش ولتاژ C b ، افزودن سیم پیچ کمکی کوپل شده با اولیه ترانسفورمر فلای بک (موسوم به سیم پیچ فیدبک مغناطیسی منفی (NMF)) در مسیر شارژ سلف بوست مبدل است. افزودن این سیم پیچ در مسیر شارژ باعث ایجاد زمان مرده در شکل موج جریان و کاهش ضریب توان خواهد شد. در مبدل‌های تصحیح ضریب توان برای بدست آوردن کیفیت جریان بالاتر و کاهش حجم مدار لازم است فرکانس کلیدزنی مبدل را تا حد ممکن افزایش یابد اما افزایش فرکانس کلیدزنی باعث افزایش تلفات کلید‌زنی مدار و افزایش نویز الکترومغناطیسی ناشی از تغییرات شدید ولتاژ و جریان المان‌های مدار خواهد شد. برای رفع این مشکلات از روش‌های کلیدزنی نرم استفاده می شود که باعث حذف تلفات کلیدزنی و افزایش راندمان می شود. در این رساله، ضمن بررسی توپولوژی های موجود، توپولوژی های دیگری، برای حصول سوئیچینک نرم، ارائه شده است. هدف رساله، ارائه توپولوژی های مناسب جهت کاهش زمان مرده بوجود آمده با حفظ استقلال ولتاژ خازن C b از تغییرات بار می باشد. بعلاوه به منظور افزایش بازده مبدل و کاهش تلفات کلیدزنی، تحقق سوئیچینگ نرم با افزودن حداقل المانها، جزء اهداف ارائه این توپولوژی ها می باشد. در ارائه توپولوژی های مبدل های PFC، ایده های اساسی همچون کاهش حجم یا استرس ولتاژ خازن ذخیره کننده C b ، کاهش تعداد المان های مدار، کاهش تلفات هدایتی و حذف یا حداقل کردن تلفات کلیدزنی، کاهش المانهای اضافی در مدار کمکی، سادگی کنترل مدار کمکی و حتی الامکان استفاده از المانهای اصلی مبدل، جزء نقاط قوت توپولوژی می باشد. در راستای اهداف تعیین شده، پس از بررسی راهکارهای ارائه شده تاکنون، جهت بهبود ضریب توان PFC های تک مرحله ای، کاهش استرس ولتاژ خازن C b ، کاهش زاویه مرده ایجاد شده ناشی از فیدبک مغناطیسی منفی و بررسی مشکلات موجود در راهکارها و توپولوژی های قبلی، توپولوژی های PFC فلای بک تک مرحله ای با کاهش زاویه مرده ناشی از فیدبک منفی مغناطیسی با استفاده از سلف های کوپل شده قابل کنترل ارائه شده است. محاسبات تئوری توپولوژی های ارائه شده به لحاظ استرس ولتاژ خازن C b ، زاویه مرده و ضریب توان، انجام شده است. پس از اطمینان از شبیه سازی توپولوژی های ارائه شده، با پیاده سازی مدارات عملی، پارامترهای فوق اندازه گیری شده و نتایج بدست آمده تئوری، صحه گذاری شده است. بعلاوه جهت حصول کلیدزنی نرم در PFC تک مرحله ای، راهکارها و توپولوژی های قبلی کلیدزنی نرم بررسی و پس از استخراج مشکلات آنها، توپولوژی مبدل PFC فلای بک تک مرحله ای تحت کلیدزنی نرم با استفاده از مدار رزنانسی و حذف زاویه مرده ناشی از فیدبک منفی مغناطیسی با استفاده از مدار کمکی، جهت حصول کلیدزنی نرم و افزایش بازده مبدل اصلاح ضریب توان بهبود یافته، ارائه شده و شرایط کلیدزنی نرم توپولوژی ارائه شده، بررسی شده است. با حداقل سازی المانها و حذف سوئیچ اضافی مورد نیاز جهت کلیدزنی نرم و ادغام در المانهای PFC بهبود یافته، توپولوژی بهینه و ادغام شده، پیاده سازی شده و پارامترهای بهبود یافته، صحه گذاری شده است