بررسی، بهبود و پیاده‌سازی مبدل‌های دوجهته از نوع نوسان‌گر سوئیچ‌شده

STUDENT

DEGREE

YEAR

In recent years, applications of bidirectional dc-dc converters have been increasing due to increment in usage of systems with energy storage capability. When isolation and high voltage ratio are not essential, it is usual to use non-isolated bidirectional dc-dc converters due to simple structure, reduced volume, weight and conducting losses. Like other hard-switching converters, drawbacks of hard-switching bidirectional converters are limitation in increasing switching frequency (actually increasing power density), high electromagnetic interference and high switching losses. To reduce or eliminate these drawbacks, commutation of converter switches should be under soft-switching condition. Usually in soft-switching methods suitable for bidirectional converters, using one active element with some passive elements is necessary. In this thesis two novel bidirectional converters based on switched resonator converters (SwRC) are presented. Like other switched resonator converters, both of the proposed bidirectional converters have the advantage of soft switching for all semiconductor devices without using any auxiliary switches. In the proposed converters, compared to other existing soft switching bidirectional converters, the numbers of switches are reduced which results in lower volume. The first proposed converter provides soft switching condition for both switches and all converter diodes in both power flow directions with just two switches. Theoretical analysis and operation principles for each mode are presented and the converter design procedure is discussed in details. Besides, simulation and experimental results of the implemented prototype converter are reported to justify the converter operation. Second proposed converter is obtained by adding an extra switch (which is used only for the boost mode) to reduce the DC inductance. For the second proposed converter, comprehensive calculations of each mode and design method are presented too. To evaluate close matching of theoretical analysis with the converter operation, simulation results are presented and their accordance with theoretical waveforms shows the desired operation of the second proposed converter. Keywords: Non-Isolated Bidirectional Converter, Switched Resonator Converter, Soft Switching, Zero-Current Switching (ZCS), Zero-Voltage Switching (ZVS)

به دلیل افزایش استفاده از سیستم‌های با قابلیت ذخیره کردن انرژی در سال‌های اخیر، کاربرد مبدل‌های دوجهته رشد زیادی داشته است. اگر ایزولاسیون و نسبت بهره زیاد مد نظر نباشد؛ به دلیل سادگی ساختار، کم‌تر بودن وزن، حجم و تلفات هدایتی، از مبدل‌های دوجهته نوع غیر ایزوله استفاده می‌شود. عیوب مبدل‌های دوجهته کلیدزنی سخت، مانند دیگر مبدل‌های کلیدزنی سخت، محدودیت در افزایش فرکانس کلیدزنی و بالا بردن چگالی توان، تداخل‌های الکترومغناطیسی و تلفات کلیدزنی می‌باشد. برای رفع این مشکلات باید کلیدزنی مبدل را به صورت نرم انجام داد. روش‌های کلیدزنی نرم در مبدل‌های دوجهته، معمولا با اضافه کردن حداقل یک المان اکتیو و چند المان پسیو همراه می‌باشد. در این پایان‌نامه نوعی از مبدل‌های دوجهته از نوع نوسان‌گر سوئیچ‌شده ارائه شده است. از خصوصیاتِ مهم مبدل‌های نوسان‌گر سوئیچ‌شده، نرم سوئیچ‌ شدن تمامی المان‌های نیمه هادی آن‌ها بدون استفاده از سوئیچ کمکی می‌باشد. بنابراین مبدل‌های دوجهته پیشنهادی نیز همگی از این ویژگی برخوردار هستند. ویژگی بارز مبدل‌های پیشنهادی، استفاده از تعداد سوئیچ کمتر و حجم کم‌تر مبدل نسبت به مبدل‌های دو جهته کلیدزنیِ نرم موجود می‌باشد. مبدل پیشنهادی اول تنها با استفاده از دو سوئیچ، شرایط کلیدزنی نرم را برای هر دو سوئیچ و دیود‌های مبدل، برای هر دو جهت انتقال توان ایجاد می‌کند. تحلیل تئوری همراه با محاسبات مربوط به وضعیت‌ها و طراحی آن به صورت مفصل آورده شده است. همچنین در کنار نتایج حاصل از پیاده‌سازی مبدل، نتایج شبیه‌سازی آورده شده‌اند که سازگاری آن‌ها گواه بر عملکرد صحیح مبدل می‌باشد. مقایسه مبدل ‌با مبدل‌های رزونانسی غیر ایزوله، نقاط مثبت آن را کاملا نمایان می‌کند. مبدل پیشنهادی دوم با اضافه کردن یک سوئیچ کمکی (که فقط برای حالت افزاینده استفاده می‌شود) و حذف سلف DC به دست می‌‌آید. برای این مبدل نیز محاسبات جامع هر وضعیت و همچنین طراحی آن آورده شده است. برای تطبیق شکل موج‌های تئوری با عملکرد واقعی مدار، نتایج شبیه‌سازی این مبدل ارائه شده است و هماهنگی آن‌ها نشان‌گر عملکرد مطلوب مبدل پیشنهادی می‌باشد. واژه‌های کلیدی: مبدل دوجهته غیرایزوله، مبدل نوسان‌گر سوئیچ‌شده، کلیدزنی نرم، کلیدزنی در جریان صفر، کلیدزنی در ولتاژ صفر به دلیل افزایش استفاده از سیستم‌های دارای المان ذخیره کننده انرژی در سال‌های اخیر، کاربرد مبدل‌های دوجهته رشد زیادی داشته است. اگر ایزولاسیون و نسبت بهره زیاد مد نظر نباشد؛ به دلیل سادگی عملکرد، ساختار، کم‌تر بودن وزن، حجم و تلفات هدایتی، از مبدل‌های دوجهته نوع غیر ایزوله استفاده می‌شود. عیوب مبدل‌های دوجهته کلیدزنی سخت، مانند دیگر مبدل‌های کلیدزنی سخت، محدودیت در افزایش فرکانس کلیدزنی و بالا بردن چگالی توان، تداخل‌های الکترومغناطیسی و تلفات کلیدزنی می‌باشد. برای رفع این مشکلات باید کلیدزنی مبدل را به صورت نرم انجام داد. روش‌های کلیدزنی نرم در مبدل‌های دوجهته، معمولا با اضافه کردن حداقل یک المان اکتیو و چند المان پسیو همراه می‌باشد. در این پایان‌نامه نوعی از مبدل‌های دوجهته از نوع نوسان‌گر سوئیچ‌شده ارائه می‌گردد. از خصوصیات مهم مبدل‌های نوسان‌گر سوئیچ‌شده، نرم سوئیچ‌ شدن تمامی المان‌های نیمه هادی آن‌ها بدون استفاده از سوئیچ کمکی می‌باشد. بنابراین مبدل‌های دوجهته پیشنهادی نیز همگی از این ویژگی برخوردار هستند. ویژگی بارز مبدل‌های پیشنهادی، استفاده از تعداد سوئیچ کمتر و حجم کم‌تر مبدل نسبت به مبدل‌های دو جهته کلیدزنیِ نرم موجود می‌باشد. مبدل پیشنهادی اول تنها با استفاده از دو سوئیچ، شرایط کلیدزنی نرم را برای هر دو سوئیچ و دیود‌های مبدل، برای هر دو جهت انتقال توان ایجاد می‌کند. تحلیل تئوری همراه با محاسبات مربوط به وضعیت‌ها و طراحی آن به صورت مفصل آورده شده است. همچنین در کنار نتایج حاصل از پیاده‌سازی مبدل، نتایج شبیه‌سازی نیز آورده شده‌اند که سازگاری آن‌ها گواه بر عملکرد صحیح مبدل می‌باشد. مقایسه مبدل ‌با مبدل‌های رزونانسی غیر ایزوله، نقاط مثبت آن را کاملا نمایان می‌کند. مبدل پیشنهادی دوم نیز به همراه محاسبات جامع هر وضعیت و همچنین طراحی آن آورده شده است. برای تطبیق شکل موج‌های تئوری با عملکرد واقعی مدار، نتایج شبیه‌سازی این مبدل ارائه شده است و هماهنگی آن‌ها نشان‌گر عملکرد مناسب مبدل پیشنهادی می‌باشد.