Skip to main content
SUPERVISOR
Ehsan Adib,Hossein Farzanehfard
احسان ادیب (استاد راهنما) حسین فرزانه فرد (استاد مشاور)
 
STUDENT
Ramin Rahimzadeh Khorasani
رامین رحیم زاده خراسانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Investigation and Improvement of Soft Transition Forward Converters and Conducted EMI Evaluation and Mitigation
Forward and flyback isolated DC-DC converters are widely used in low and medium power supply applications, due to simple structure and low number of components. Switching power supplies are the main source of electromagnetic interferences (EMI) in electrical devices. Also, these converters have a significant effect on the weight, volume, and the total efficiency of devices. The main solution of power density augmentation is increasing the frequency of switching converters. However, it causes to increment of both switching losses and EMI, especially in high frequency applications. In order to reduce switching losses and electromagnetic interferences of high frequency converters, soft switching methods are proposed. Lossless snubbers, resonant and quasi-resonant converters, and also soft transition methods are the main techniques to provide soft switching condition in switching power supplies. Soft transition converters usually have low number of components in comparison to lossless snubbers. Also, unlike resonant converters, PWM control is prepared for soft transition circuits, due to short period of resonance. In order to implement soft transition methods, ordinarily one auxiliary switch and several passive components are used, which can provide soft switching condition independent of line and load variations for semiconductor components of converter. In soft transition circuits, soft switching of all switches, current and voltage stress, and also capacitive turn-on loss of switches are the important criteria of evaluation. In addition, employing minimum number of components can be effective to achieve high power density and lower parasitic elements which results in further reduction of EMI. In order to reduce EMI and meet very stringent requirements, other methods should be investigated, in addition to soft switching methods. Some of these EMI reduction methods are EMI filter, noise compensation methods, balance and symmetry methods, and spread spectrum algorithms, which can be used along with soft switching techniques to reduce EMI. Increase in the weight and volume of converters, complexity to implement, and also adverse effects on the efficiency are the main drawbacks of these methods. In this thesis, existing soft transition forward converters along with various soft switching two-switch forward converters are discussed and then, the principles of conducted electromagnetic interferences and the solutions of EMI reduction in switching power supplies are investigated. After that, a new ZVT forward converter is proposed which has low number of auxiliary components comprising a switch and a capacitor. Also, in the proposed converter, due to the usage of leakage inductance as a resonant inductor, no extra electromagnetic element is used. Also, in the proposed converter, the auxiliary switch has low stress and thus, low capacitive turn-on losses. Moreover, in order to employ this converter in high input voltage applications, the proposed auxiliary circuit is applied to two-switch forward converter which retains all benefits of the proposed ZVT forward circuit. In order to evaluate the EMI of the proposed ZVT forward converter, the EMI model of this converter is extracted. Finally, in order to reduce EMI of the proposed converter and meet requirements, a symmetric structure is proposed for this converter. The proposed converters in this thesis are analyzed in details and design considerations are presented. Also to verify the theoretical analysis, practical results of the converter’s prototype in addition to simulation results are presented. Moreover, in order to verify noise analysis and meet EMI requirements, EMI of the prototypes are measured practically and compared each other. At the end, conclusions and suggestions are presented. Key words: Switching power supplies, Soft switching, Soft transition, Electromagnetic interferences (EMI)
مبدل‌های ایزوله نوع فوروارد و فلای‌بک از جمله مبدل‌های DC-DC سوئیچینگ هستند که به دلیل سادگی ساختار و تعداد المان‌های کمتر نسبت به مبدل‌های نوع پل در ساختارهای منابع تغذیه با توان پایین و متوسط استفاده می‌شوند. به طور کلی، منابع تغذیه تاثیر به سزایی در حجم، وزن و بازده کلی یک دستگاه الکترونیکی دارند. همچنین به دلیل ماهیت کلیدزنی منابع تغذیه سوئیچینگ و تولید هارمونیک‌های فرکانس بالا، این مبدل‌ها جزء منابع اصلی تولید نویز در هر دستگاهی به شمار می‌آیند. راه کار اصلی کاهش حجم منابع تغذیه سوئیچینگ، افزایش فرکانس کلیدزنی است، اما افزایش فرکانس دو مشکل عمده ایجاد می‌کند؛ اولاً باعث افزایش تلفات سوئیچینگ می‌شود؛ دوم، منجر به تشدید نویز و تداخل‌های الکترومغناطیسی(EMI) شده و در عملکرد مدارهای کنترلی خود مبدل و سایر مدارهای الکترونیکی مجاور خود اختلال ایجاد می‌کند. به منظور کاهش تلفات سوئیچینگ و تداخل‌های الکترومغناطیسی در فرکانس‌های بالا، از روش‌های سوئیچینگ نرم استفاده می‌شود. مدار‌های اسنابر غیر‌تلفاتی، مبدل‌های رزونانسی و شبه‌رزونانسی و مدارهای گذار نرم از جمله این روش‌ها هستند. در مدارهای گذار نرم در مقایسه با اسنابرهای غیرتلفاتی معمولا تعداد المان‌ کمتری استفاده می‌شود، همچنین در این مبدل‌ها، برخلاف مدارهای رزونانسی و شبه‌رزونانسی، زمان رزونانس به لحظات سوئیچینگ محدود می‌شود که علاوه بر امکان کنترل مبدل به روش PWM، مقدار RMS ولتاژ و جریان المان‌ها نیز کاهش می‌یابد. برای پیاده‌سازی روش‌های گذار نرم معمولا از یک سوئیچ و تعدادی المان‌ پسیو استفاده می‌شود که می‌تواند شرایط سوئیچینگ نرم را برای المان‌های نیمه‌هادی مدار مستقل از تغییرات بار خروجی و ولتاژ ورودی ایجاد کند. در این مبدل‌ها نرم‌بودن همه سوئیچ‌ها شامل سوئیچ اصلی و کمکی، میزان استرس ولتاژ و جریان سوئیچ‌‌ها و همچنین میزان تلفات خازنی سوئیچ‌های مبدل از جمله معیارهای ارزیابی هستند. همچنین استفاده از حداقل تعداد المان ممکن می‌تواند در افزایش چگالی توان مبدل و کاهش المان‌های پارازیتی مؤثر باشد و متعاقبا باعث کاهش هرچه بیشتر EMI مبدل بشود. در کنار پرداختن به روش‌های سوئیچینگ نرم و تاثیر آن‌ در کاهش تلفات سوئیچینگ، لازم است به صورت تخصصی به مبحث EMI در این مبدل‌ها نیز پرداخته‌‌ شود. روش‌های متنوع دیگری مانند استفاده از فیلتر EMI، روش‌های جبران‌سازی نویز، روش‌های ایجاد بالانس و تقارن در مسیر نویز هدایتی و الگوریتم‌های کنترلی کاهش نویز ازجمله روش‌هایی است که علاوه بر روش سوئیچینگ نرم برای کاهش نویز پیشنهاد شده است. هر یک از این روش‌ها معایبی دارند که عبارتند از: افزایش حجم و وزن مدار، پیچیدگی پیاده‌سازی و همچنین تاثیر منفی بر بازده کلی مبدل. در این پایان‌نامه، ابتدا مبدل‌های فوروارد گذار نرم موجود به همراه مبدل‌های فوروارد دوسوئیچه با قابلیت سوئیچینگ نرم معرفی می‌شوند و مزایا و معایب هر یک مورد بررسی قرار می‌گیرد و سپس یک مبدل فوروارد گذار نرم نوع ZVT پیشنهاد می‌شود که این مبدل از کمترین تعداد المان ممکن (تنها یک سوئیچ و یک خازن) در ساختار خود بهره برده است و بدون استفاده از هیچ المان مغناطیسی اضافه شرایط سوئیچینگ نرم را ایجاد کرده است. همچنین در این مبدل تلفات خازنی سوئیچ کمکی بسیار پایین می‌باشد و قابلیت عملکرد مبدل در فرکانس‌های بالاتر با بازده بالا و نویز کم را فراهم کرده است. علاوه بر این، برای استفاده از این مبدل در ولتاژهای ورودی بالاتر، این مدار کمکی بر روی مبدل فوروارد دوسوئیچه نیز پیاده‌سازی شده است که می‌تواند با حفظ مزایای مدار قبلی شرایط سوئیچینگ نرم برای هر دو سوئیچ اصلی مبدل و سوئیچ کمکی را مستقل از شرایط مدار ایجاد کند. پس از آن، مفاهیم اولیه EMI هدایتی، منابع تولید نویز در منابع تغذیه سوئیچینگ و روش‌های مختلف کاهش EMI در مبدل‌های سوئیچینگ بررسی شده است و سپس مبدل فوروارد پیشنهادی از نظر EMI مورد بررسی قرارگرفته و جهت شبیه‌سازی، ارزیابی و مقایسه سطح نویز، این مبدل به همراه چندین مبدل دیگر مدل‌سازی شده‌است. همچنین به منظور کاهش بیشتر نویز مبدل، یک ساختار متقارن بر روی مبدل ZVT پیشنهادی پیاده‌سازی شده است که می‌تواند بدون تاثیر منفی بر حجم و بازده مبدل و بدون استفاده از فیلتر EMI مد مشترک، استاندارد نویز هدایتی CISPR 22- dir=rtl کلید‌واژه : منابع تغذیه سوئیچینگ، سوئیچینگ نرم، گذار نرم، تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، نویز هدایتی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی