Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Farzanehfard,Ehsan Adib
حسین فرزانه فرد (استاد راهنما) احسان ادیب (استاد مشاور)
 
STUDENT
Fahimeh Marvi
فهیمه مروی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Analysis and improvement of low-voltage high-current converters operation
Rapidimprovement inmicroprocessorstechnology has createdmany challenges for their power supplies. With the incrementof microprocessors current requirement, their power consumption hasincreasedand byreducingthe supply voltage,power consumption can be decreased. Therefore, low voltage, high current and high switching frequency(to achieve fast dynamic and high power density) are some of the challenges for the microprocessors power supply.In some devices like laptops, desktop applications and portable products, the voltage regulated modules are used to deliver the effective power to the microprocessors. Usually, these modules use the buck converter with synchronous rectifier due to the low voltage drop of synchronous switch in comparison to the diode. But, with increased current requirement and ripple reductionin the single-phase buck converter, a relatively large output filter inductor is required with excessive increase in the number of output filter capacitors. During the transient period, this large inductor limits the energytransfer speed of the VRM so that the capacitor alone must discharge its stored energy to the load. The filter capacitor must be large enough to maintain the output voltage level. But, due to the space limitation in low voltage high current applications, the inductance and capacitance of the output filter not be increased. Moreover, this structure is not able to provide the requirments of microprocessors and as a result, in processors with higher power, a multiphase interleaved synchronous buck converter is utilized in this method.The size of converters filter components is determined by the switching frequency and to achieve high power density, high switching frequency is required. But withincreasing the switching frequency, switching losses and EMI noiseincreases, which reduces theefficiency of synchronous buck converter. This problem can be solved by providing soft switching condition for switches. Very low operating duty cycle is another problem for the voltage regulatormodule since the output voltage is very low.Due to very small operating duty cycle of the buck converter which is equal to the ratio of the output to input voltage, the regulation period is very short. Consequently, gate drive of the main switch is difficult to realize, switch current level is very high and thus, the efficiency is low.The coupled inductor, series capacitor and non-isolated buck type converters are some solutions for increasing the duty cycle of synchronous buck converter. In this thesis, soft switching synchronous buck converters with extendedduty cycle are studied. Thenthe proposed soft switching converters are presented. Coupled inductor and series capacitor techniques are applied in order to extend the duty cycle. The operating modes of the converters are explained and to verity of theoretical analysis, simulation results for all proposed converters and experimental results for one of the proposed converters are presented. Keywords: 1-voltage regulated module, 2-synchronous buck converter, 3-duty cycle extension, 4-coupled inductors.
پیشرفت سریع تکنولوژی در ریزپردازنده ها، منابع تغذیه آن ها را با چالش های بسیاری روبرو کرده است. با افزایش تقاضای جریان ریزپردازنده ها، توان مصرفی آن ها افزایش یافته که باکاهش ولتاژ تغذیه، می توان توان مصرفیریزپردازنده را کاهش داد.بنابراین، ولتاژ پایین، جریان بالا و فرکانس بالا (برای رسیدن به حالت گذار بار سریع و همچنین چگالی توان بالا) چالش های پیش رو برای منابع تغذیه ریزپردازنده ها می باشند. در کاربردهای لپ تاپ، کامپیوترهای رومیزی و محصولات قابل حمل برای تحویل توان موثر به ریزپردازنده ها از ماژول های رگوله کننده ولتاژ استفاده می شود. معمولا این ماژول ها توپولوژی باک را به همراه یکسوکننده سنکرون، به دلیل افت ولتاژ کمتر سوئیچ سنکرون نسبت به دیود مبدل باک، به خدمت می گرفتند. اما با توجه بهپیشرفتریزپردازنده هاوتقاضایافزایشجریانوکاهشریپلدرآن ها،دریکمبدلباکسنکرونمعمولیبهداشتنسلففیلترخروجیبزرگترمنجرشده،کهاینافزایشدرسلففیلترخروجیسببافزایشدرخازنفیلترخروجینیزمی گردد. زیرادرطولبازهگذار به دلیل تغییرات آرام جریان سلف، خازنهابایدبهتنهاییانرژیلازمبرای تحویل به بار را تامین کنند.بنابراینخازنبایدبهاندازهکافیبزرگباشدتابتواندسطحولتاژخروجیراتامینکند. اماباتوجهبهمحدودیتفضادرکاربردهایولتاژپایینوجریانبالا،امکاناینافزایشدرسلفوخازنفیلترخروجیمبدلوجودنداشته،لذاچنینساختاریقادربهتامیننیاز هایروزافزونریزپردازنده هانبودهودرنتیجهدرپردازنده هاییباتوانبالاترازمبدلباکسنکروندر هم تنیدهچندفازبرایماژول هایرگوله کنندهولتاژاستفادهمی شود.به دلیل اینکه اندازه اجزای فیلتر مبدل ها متناسب با فرکانس سوئیچینگ تعیین می شود،برای رسیدن به چگالی توان بالاتر، فرکانس سوئیچینگ بالا مورد نیاز است. اما افزایش فرکانس سوئیچینگ، تلفات سوئیچینگ و نویز EMI را افزایش داده، که این موضوع منجر به کاهش بازده مبدل باک سنکرون می شودکه برای حل این مشکلات می توان شرایط سوئیچینگ نرم را برای سوئیچ های مبدل فراهم کرد. یکی دیگر از مشکلات ماژول های رگوله کننده ولتاژ ضریب وظیفه کوچک آن است. با توجه به اینکه در یک مبدل باک ضریب وظیفه نسبت ولتاژ خروجی به ورودی بوده، ضریب وظیفه در این کاربردها بسیار کم می باشد. این موضوع نه تنها باعث افزایش ریپل جریان خروجی در این مبدل ها شده بلکه مشکلات دیگری نیز از جمله دشواری کنترل سوئیچ اصلی، افزایش تلفات مدار درایو گیت و افزایش تلفات هدایتی مبدل (به دلیل افزایش پیک جریان سوئیچ اصلی) را به همراه دارد، که در مجموع راندمان پایین را برای مبدل باک سنکرون در کاربردهای ولتاژ پایین نتیجه می دهد. سلف کوپل شده، خازن سری و مبدل های غیر ایزوله به عنوان راه حل هایی برای حل مشکل ضریب وظیفه کوچک این مبدل ارائه شده اند. در این پایان نامه، ضمن ارائه مبدل های باک سنکرون با ایده گسترش ضریب وظیفه، مبدل های باک سنکرون سوئیچینگ نرم مورد بررسی و ارزیابی قرار می گیرند. سپس مبدل های سوئیچینگ نرم پیشنهادی ارائه می شوند. مبدل هایپیشنهادی از ایده سلف های کوپل شده و خازن سری برای گسترش ضریب وظیفه استفاده می کنند.صحت عملکرد تحلیل تئوری در مبدل اولبا نتایج شبیه سازی و عملی و در مبدل های دوم و سوم با نتایج شبیه سازی اثبات شده است. در پایان نیز نتیجه گیری و پیشنهادهایی برای ادامه کار بیان می شود. کلمات کلیدی: 1- ماژول رگوله کننده ولتاژ 2- مبدل باک سنکرون 3-ضریب وظیفه 4- سلف کوپل شده

ارتقاء امنیت وب با وف بومی