Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Farzanehfard,Ehsan Adib
حسین فرزانه فرد (استاد مشاور) احسان ادیب (استاد راهنما)
 
STUDENT
Navid Molavi
نوید مولوی

FACULTY - DEPARTMENT

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

TITLE

Analysis and Improvement of Non-isolated High step-up/down Bidirectional DC-DC Converters
Bidirectional DC-DC converters are widely employed in power electronic equipment dealing with storage and management of energy in applications such as: hybrid electric vehicles, photovoltaic systems, fuel cell systems and uninterruptable power supplies. The non-isolated converters are used in applications which galvanic isolation between low and high voltage sides is not required. Todays, major research is focused on these convertersdue to their simple structure and easy control. Conventional non-isolated bidirectional DC-DC converters are not suitable for high step-up/down applications due to their limited voltage gain. In order to achieve a high conversion ratio, many techniques are applied such as: coupled inductors, switched inductor, series capacitor and switched capacitor. Moreover, since bidirectional converters are usually employed as an interface between energy storage elements such as batteries, and, high-voltage DC bus, low charge/discharge current rippleis one of the main factors affecting longevity and health of batteries. Besides, in order to reduce switching losses and increase power density, various soft switching techniques are used; but it should be noted that establishing soft switching condition with minimal elements that operate properly in both power flow directions is one of the challenges in these converters. In this thesis, different non-isolated high step-up/down bidirectional DC-DC converters, along with techniques to increase voltage gain and establishing soft switching condition are reviewed. Afterwards, a unidirectional soft switched DC-DC converter with high step-up gain and low voltage stress across switches is proposed. A bidirectional DC-DC converter is introduced with soft switching, high voltage gain characteristics and low number of elements. In order to improve the batteries charge/discharge current ripple, the first interleaved bidirectional converter is proposed.In order to extend voltage gain, reduce semiconductors voltage stress, establish soft switching condition and further charge/discharge batteries current ripple enhancement, the idea of the first proposed converter is combined with simplified WCCI technique and the second interleaved bidirectional converter is introduced. The validity of the theoretical ideasare justified by simulation and practical implementation results. Finally, conclusions along with recommendations for further research are presented. Key Words Bidirectional converter, Non-isolated, High step-up/down, Soft-switching
مبدل هایدوجهته یDC-DCبه‌طور گسترده در سیستم‌هایالکترونیک قدرت که با ذخیره‌سازی و مدیریت انرژی سروکار دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند که ازجمله‌یآن‌هامی‌توان به خودروهایالکتریکی هیبریدی، سیستم‌های فتوولتائیک، سیستم‌های پیل سوختی و منابع تغذیه بدون وقفه، اشاره نمود. به‌طورکلی،مبدل هایدوجهته یDC-DC به دودسته‌یاصلیمبدل های ایزوله و غیرایزوله تقسیم‌بندیمی‌گردند. مبدل هایدوجهته ی غیرایزوله در کاربردهایی که به وجود ایزولاسیون بین دو بخش ولتاژ بالا و پایین نیاز ندارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. امروزه این مبدل‌هابه دلیل داشتن ساختاری ساده و کنترل آسان نسبت به انواع ایزوله، بسیار مورد توجهقرارگرفته‌اند. مبدل هایدوجهته یDC-DCغیرایزوله‌یپایه،در کاربردهایی کهبین دو بخش ولتاژ بالا و پایین اختلاف زیاد است،به دلیلبروز مشکلات متعدد، مناسب نمی‌باشند. از این ‌رو، به‌منظور افزایش بهره‌ی ولتاژمبدل هایدوجهته یDC-DCغیرایزوله، انواع بسیار افزاینده/کاهنده معرفی‌شده‌اند. در این مبدل‌ها،برای افزایش بهره‌ی ولتاژ، از تلفیق تکنیک هایی نظیر‌سلف‌های کوپل شده، سلف سوییچ شده، خازن سری وخازن سوییچ شده استفاده می‌شود. علاوه بر این، ازآنجایی‌کهمعمولاً این مبدل‌هابه‌عنوان مدار واسط بین باس DC ولتاژ بالاو المانذخیره‌ساز انرژی، مانند باطریمورد استفاده قرار می‌گیرند، کم بودن ریپل جریان شارژ/دشارژ باطری‌ها، یکی از عوامل اصلی تأثیرگذاربرافزایشطول عمر و سلامت آن‌هامی‌باشد. همچنین، جهت کاهش تلفات کلیدزنی و افزایش چگالی توان،همانند مبدل هایDC-DCتک‌جهته، از تکنیک‌های مختلف کلیدزنی نرم استفاده می‌شود. لیکن باید توجه داشت که در این مبدل‌ها، ایجاد شرایط کلیدزنی نرم با حداقل المان ممکن که در هر دو حالت عملکردی بسیار افزاینده/کاهنده کارایی لازم را دارا باشد، یکی از چالش‌های طراحی آن ها به شمار می رود. در این پایان‌نامه، ابتدابه بیان مختصربرخی از کاربردهایمبدل هایدوجهته یDC-DCپرداخته شده است. سپس،ساختار ونحوه‌ی عملکرد مبدل هایدوجهته یDC-DCغیرایزوله‌یبسیار افزاینده/کاهنده، به‌همراهتکنیک‌هایمعرفی‌شده برای افزایش بهره‌ی ولتاژو ایجاد شرایط کلیدزنی نرم در آن ها، مورد بررسیقرارگرفته است.در این راستا، نخست یک مبدل تک جهته‌یDC-DC کلیدزنی نرم با بهره‌ی بالا و استرس ولتاژ المان‌های نیمه‌هادی پایین، تحت عنوان مبدل پیشنهادی اول، معرفیشده است. آن گاه، به ارائه ی یک مبدل دوجهته یDC-DC با ویژگی‌ کلیدزنی نرم، بهره‌ی ولتاژ بالا و تعداد المان کم، تحت عنوان مبدل پیشنهادی دوم پرداختهشده است. درادامه،به‌منظور بهبود ریپل جریان شارژ و دشارژ باطری ها درمبدل های دوجهته، مبدل درهم‌تنیده‌ی پیشنهادی اول معرفیشده استو سپس، به‌منظور افزایش بهره‌ی ولتاژ، کاهش استرس ولتاژ المان‌هاینیمه‌هادی، ایجاد شرایط کلیدزنی نرم وبهبود هرچه بیش‌تر ریپل جریان در مبدل پیشنهادی درهم تنیده ی اول،از ایده‌ایمشابه تکنیک WCCIاستفاده شده و مبدلی دوجهته تحت عنوان مبدل پیشنهادی درهم‌تنیده‌ی دوم، معرفیشده است. در هر بخش، صحت راهکارهای پیشنهادی در قالب تحلیل‌های نظری، نتایج شبیه‌سازی و نتایج پیاده‌سازی عملی اثبات گردیده است. در انتها نیز با استمداد از مطالب و نتایجارائه شده، ضمن بیان یک نتیجه گیری کلی،به ارائه ی پیشنهادهایی که می‌تواند در پژوهش‌های آتی مدنظر قرار گیرند، پرداخته شده است. واژه‌های کلیدی ـــ 1- مبدل دوجهته2- غیرایزوله 3- بسیار کاهنده/افزاینده 4- تکنیک‌های کلیدزنی نرم

ارتقاء امنیت وب با وف بومی