SUPERVISOR
Hossein Farzanehfard,Ehsan Adib,Saeed Golshah
حسین فرزانه فرد (استاد مشاور) احسان ادیب (استاد راهنما) سعید گلشاه (استاد مشاور)
STUDENT
Behzad Soleymani
بهزاد سلیمانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Investigation, Improvement and Loss Reduction of High Step Down Converters With Self-Driven Synchronous Rectifier
Today, with the increasing development of hybrid electric cars and the increasing use of computers in home and industrial applications, the issue of electric power supply of these applications has become one of the most challenging issues in the world. These applications require high-current DC / DC converters, which in cases that the input and output isolation is not required, synchronous buck structure is used due to its simplicity, low cost, and low component count. This structure uses a synchronous rectifier instead of the diode of the buck, to reduce the conduction losses. However, synchronous buck converter in high current high step-down applications suffer from disadvantages such as high conductive losses of MOSFETs, narrow duty cycle, switching losses due to hard switching condition of the main switch, and reverse recovery loss of the synchronous rectifier body diode. The narrow duty cycle increases the current stress of the main switch and control complexity of the converter. The interleaved structure of the buck converter is used to improve the transient response of the converter, reduce the conduction losses, and also improve the efficiency over a wide range of output currents. This method also reduces the output current ripple; however, interleaved structure has little effect on narrow duty cycles. Another challenge is the proper timing for triggering the synchronous rectifier, which might cause the short circuit of input source, and damages switches of the converter. Various methods have been proposed to improve the performance of the high step-down buck converters, one of which is altering the structure of buck, in order to increase the duty cycle, and, if possible, provide soft switching conditions for the main switch. The objective is to apply as little modification as possible to the synchronous buck converter to eliminating its disadvantages while maintaining the simplicity of the buck converter. The general idea behind these methods is to create a voltage source in reverse to the input to reduce the effective voltage. For this purpose, coupled inductors or capacitors are used in the power path. In this thesis, three non-isolated converters based on the coupled inductor buck structure along with two isolated converters based on forward topology are introduced. In the first proposed non-isolated converter a partially zero-voltage switching condition is provided at turn-off time of the main switch by using a lossless passive snubber circuit, which results in the improved efficiency of the converter. In addition, a self-drive circuit with gate energy recovery is used to automatically generate the synchronous rectifier control pulses, and reduce the complexity of the converter. In order to further reduce switching losses and reduce the number of converters, a second proposed non-insulated structure was introduced. In this converter, ZCS condition of the main switch is achieved without requiring any extra snubber or clamp circuits. Thus, the switching losses are limited to output capacitance loss of the main switch. Finally, the third proposed non-insulated structure with the same number of components as the second converter is introduced, which provides switching at zero voltage conditions of the MOSET. As such, switching losses are minimized and the efficiency of the converter is dramatically increased. Introduced isolated structures, in addition to providing the soft switching conditions, automatically generates the control pulses of synchronous rectifier. This is especially important in isolated applications that require the floating control signals for SRs. The advantage of the second isolated converter over previous circuits is that the proper self-drive pulses are generated for a wide range of input voltage. Key words:High step down, Synchronous rectifier, Soft switching
امروزه با پیشرفت روز افزون خودروهای برقی و هیبریدی و همچنین گسترش روزافزون کاربرد رایانهها در کاربردهای خانگی و صنعتی، مسأله تامین توان الکتریکی این وسایل به یکی از چالشبرانگیزترین مسائل روز دنیا تبدیل شده است. کاربردهای ذکر شده نیاز به مبدلهای DC/DCبسیارکاهنده با جریان بالا دارند، که در تمامی مواردی که نیازی به ایزولاسیون ورودی و خروجی نباشد، به دلیل سادگی مدار و هزینه پایین از ساختار باک سنکرون استفاده میشود. در این ساختار از یکسوساز سنکرون به جای دیود ساختار باک استفاده میشود که این امر باعث کاهش تلفات هدایتی میگردد. با این حال مبدل باک سنکرون در کاربرد بسیار کاهنده با جریان بالا دارای معایبی از جمله تلفات هدایتی بالای کلید اصلی و سنکرون، ضریب وظیفه کوچک، تلفات کلیدزنی به دلیل فراهم نبودن شرایط کلیدزنی نرم و تلفات بازیابی معکوس دیود بدنه کلید سنکرون است. ضریب وظیفه کوچک باعث افزایش استرس جریان کلید اصلی و پیچیدگی کنترل مبدل میشود. برای بهبود پاسخ گذرای مبدل، کاهش تلفات هدایتی کلید اصلی و همچنین بهبود بازده مبدل در بازده وسیعی از جریانهای خروجی از ساختار درهمتنیدهی مبدل باک استفاده میشود. این روش همچنین باعث کاهش ریپل جریان خروجی میشود که این مزیت در ضریب وظیفههای کوچک اثر چندانی ندارد. همچنین چالش دیگر زمانبندی مناسب برای تحریک کلید سنکرون است، که در صورت ایجاد خطا در این امر ورودی اتصال کوتاه شده و کلیدهای مبدل آسیب میبینند. روشهای متنوعی برای بهبود عملکرد مبدلهای باک بسیار کاهنده ارائه شده است که یکی از آنها تغییر ساختار باک به منظور افزایش ضریب وظیفه و در صورت امکان، فراهم کردن شرایط کلیدزنی نرم است. این روش به گونهای است که تا حد امکان کمترین تغییرات نسبت به باک سنکرون اعمال شود تا علاوه بر حفظ سادگی مبدل باک، معایب آن برطرف شود. ایدهی کلی در این روشها ایجاد یک منبع ولتاژ در جهت عکس ورودی به منظور کاهندهتر کردن مبدل و افزایش ضریب وظیفه است. به این منظور از سلفهای تزویج شده و یا خازن در مسیر عبور توان استفاده میشود. در این پایاننامه سه مبدل بسیار کاهنده غیرایزوله مبتنی بر ساختار باک با سلف تزویجشده به همراه دو مبدل ایزوله مبتنی بر ساختار فوروارد معرفی شدند، که میزان کاهندگی این مبدلها با تغییر نسبت دور قابل تنظیم است. در مبدل پیشنهادی غیرایزوله اول شرایط کلیدزنی با ولتاژ نزدیک به صفر در زمان خاموش شدن با استفاده از یک مدار اسنابر غیرفعال بدون تلفات فراهم شده است ،که این امر منجر به بهبود راندمان میشود. علاوه بر این، برای تحریک خودکار یکسوساز سنکرون و کاهش پیچیدگی مبدل از یک مدار تحریک خودکار با جذب انرژی گیت یکسوساز سنکرون بهره برده شد. به منظور کاهش بیشتر تلفات کلیدزنی و کاهش تعداد قطعات مبدل، ساختار غیرایزوله پیشنهادی دوم معرفی شد. در این مبدل بدون نیاز به مدار محدودکننده جانبی، کلیدزنی در شرایط جریان صفر برای کلید اصلی فراهم شد. بدینترتیب تلفات کلیدزنی مبدل معرفی شده محدود به تخلیه خازن خروجی کلید اصلی است. در نهایت، ساختار غیرایزوله پیشنهادی سوم با تعداد قطعات یکسان با مبدل دوم معرفی شده که کلیدزنی در شرایط ولتاژ صفر را برای کلید اصلی فراهم میکند. بدین ترتیب، تلفات کلیدزنی ناچیز شده و راندمان مبدل به طور چشمگیری افزایش مییابد. ساختارهای ایزوله معرفی شده علاوه بر فراهم کردن شرایط کلیدزنی نرم، یکسوساز سنکرون را به صورت خودکار تحریک میکنند که این امر به خصوص در کاربردهای ایزوله که نیاز به شناور کردن پالس کنترلی یکسوساز سنکرون وجود دارد اهمیت دوچندانی پیدا میکند. مزیت مبدل ایزوله دوم این است که تحریک خودکار یکسوساز سنکرون، بر خلاف ساختارهای قبلی، در رنج وسیعی از تغییرات ولتاژ ورودی انجام میشود و خطر آسیبدیدگی این کلید وجود ندارد. کلمات کلیدی: 1- مبدلهای بسیار کاهنده 2- یکسوساز سنکرون 3- کلیدزنی نرم