Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Farzanehfard,Ehsan Adib
حسین فرزانه فرد (استاد مشاور) احسان ادیب (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hossein Asgari
حسین عسگری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Investigation and Improvement of High Power Isolated Bidirectional Converters for Aerospace Applications
Today, with the development of aerospace and aviation industry, the electromechanical and hydraulic systems have been replaced by electrical systems. Also, Increment of electrical systems increases the required power. In modern aircrafts (B787), the power of electrical systems is provided via the high voltage (270VDC) bus. The batteries of power system are charged by this high voltage bus to provide the power for emergency conditions. So a bidirectional DC-DC converter is required to charge the batteries in step down mode under normal conditions and increase the voltage of the battery to the bus voltage in step up mode and supply the power of emergency loads. Bidirectional DAB DC-DC converters, because of the isolation and high power density, are the basic structure of this application. The leakage inductance of this converter leads to high voltage stress of the switches and switching losses and reduces the efficiency. In the recent researches, techniques such as active snubber, active clamp and resonant circuit CLLC are applied to provide the soft switching conditions of the DAB converter. Auxiliary elements for soft switching and variable switching frequency are the main drawbacks of these techniques. In this thesis, a bidirectional isolated DAB DC-DC converter for aerospace applications has been proposed. The leakage inductance of the transformer and a small series capacitor are the resonant network. In the proposed converter, the soft switching conditions ZVZCS using phase shift control without the use of auxiliary switch or circuit is achieved. So that, even in the light load conditions, switching in ZVZCS is provided. . The switching frequency and the resonant frequency of the proposed converter are equal which simplifies the control circuit and optimize the size of the filters. In the second proposed converter, the high voltage side is composed of half-bridge structure and voltage doubler circuit and the soft switching conditions for all switches are provided. This method reduces the transformer ratio to half of the first converter and so, decreases the transformer leakageinductance. Usually, the charge current of the battery is reduced to extend battery life. So the converter power in step down mode can be reduced and charging time is increased. Thus, by reducing the power in the charging mode, the use of half bridge instead of full bridge is suitable and the number of switches is reduced. In this thesis, design and implementation of a 300W (30V/300V) prototype of the proposed converter with 75 kHz switching frequency is presented. The experimental results are in agreement with theoretical and simulation analysis and soft switching condition is provided. Keywords : 1-Isolated Bidirectional Converter 2- DAB Conveter 3-Soft Switching 4- Zero Voltage Zero Current Switching(ZVZCS)
امروزه با پیشرفت روز افزون در صنعت هوافضا و هوانوردی، سیستم‌های الکتریکی جایگزین سیستم‌های هیدرولیکی و الکترومکانیکی شده‌اند. با افزایش تعداد این سیستم‌های الکتریکی، میزان توان مصرفی نیز افزایش یافته است. از این رو نیاز به سیستم توان با چگالی توان و راندمان بالا امری ضروری است. در هواپیماهای مدرن ( B787 ) توان سیستم‌‌های الکتریکی توسط باس ولتاژ بالا(270 V DC) تأمین می‌شود. برای تأمین توان در شرایط اضطراری، باتری‌های هواپیما از طریق این باس ولتاژ بالا شارژ شده، تا در صورت قطع این باس، توان مورد نیاز بارهای اضطراری را تأمین کند. از این رو به یک مبدل دوجهته‌‍‌ی DC - DC نیاز است، تا در شرایط عادی باتری را در جهت کاهنده از طریق باس ولتاژ بالا شارژ کرده و در شرایط اضطراری ولتاژ باتری را به سطح ولتاژ بالا رسانده و توان بارهای اضطراری را تأمین کند. مبدل‌های دوجهته‌ی DC - DC نوع DAB به دلیل داشتن قابلیت ایزولاسیون و چگالی توان بالا، به عنوان یک ساختار پایه، در این کاربرد استفاده می‌شود. وجود سلف نشتی در این مبدل، منجر به افزایش استرس ولتاژ کلید‌ها، از دست رفتن شرایط کلیدزنی نرم در بار سبک وکاهش راندمان مبدل می‌شود. درتحقیقات انجام شده، تکنیک‌های شامل اسنابر فعال، مدار رزونانسی CLLC وکلمپ فعال جهت ایجاد شرایط کلیدزنی نرم در ساختار مبدل DAB ارائه شده است. اضافه شدن المان‌های کمکی به منظور ایجاد شرایط کلیدزنی نرم و متغیر بودن فرکانس کلیدزنی را می‌توان از جمله مشکلات این روش‌ها ذکر کرد. در این پایان نامه، ابتدا یک ساختار مبدل دوجهته‌ی DC - DC ایزوله نوع DAB در کاربرد سیستم‌های هوافضا پیشنهاد شده است. در این مبدل از سلف نشتی ترانسفورمر و یک خازن کوچک سری با آن، به عنوان شبکه رزونانس استفاده شده است. بدین ترتیب شرایط کلیدزنی نرم ZVZCS با استفاده از روش کنترل شیفت فاز و بدون استفاده از کلید یا مدارکمکی برقرار شده است. به طوری که حتی در بار سبک نیز، شرایط کلیدزنی در شرایط ZVZCS فراهم شده است. در این مبدل فرکانس کلیدزنی و فرکانس رزونانس برابر بوده و به ساده شدن مدار کنترل و طراحی بهینه فیلترهای مبدل کمک می‌کند. در مبدل پیشنهادی دوم، از ساختار نیم پل و مدار دوبرابر کننده ولتاژ در سمت ولتاژ بالا استفاده است. در این مبدل نیز شرایط کلیدزنی نرم برای تمامی کلید‌ها فراهم شده است. استفاده از مدار دوبرابرکننده ولتاژ، نسبت دور ترانسفورمر را به نصف کاهش می‌دهد. معمولا برای افزایش طول عمر باتری، جریان شارژ آن را کاهش می‌دهند. بنابراین توان مبدل در جهت کاهنده کاهش یافته و باتری در زمان بیشتری شارژ می‌شود. از این رو با کاهش توان شارژ باتری، استفاده از ساختار نیم پل به جای تمام پل مناسب بوده و باعث کاهش تعداد کلید‌های مبدل می‌شود. نمونه آزمایشگاهی مبدل پیشنهادی اول با توان 300 وات ، ولتاژ 30 ولت سمت ولتاژ پایین و300 ولت سمت ولتاژ بالا ، فرکانس کلیدزنی 75 کیلوهرتز طراحی و ساخته شده است. نتایج نمونه ساخته شده، صحت عملکرد مبدل و فراهم شدن شرایط کلیدزنی نرم ZVZCS را نشان می‌دهد. واژه‌های کلیدی: 1- مبدل دوجهته ایزوله 2- مبدل نوع DAB 3- کلیدزنی نرم 4- کلیدزنی نرم در ولتاژ و جریان صفر

ارتقاء امنیت وب با وف بومی