توصيفگر ها :
مبدل‌هاي DC-DC , مبدل‌هاي بسيار كاهنده , ساختار درهم‌تنيده , كليدزني نرم
چكيده فارسي :
با پيشرفت كاربردهاي مبدل‌هاي بسيار كاهنده در صنايع مختلف، اهميت بهبود ساختار اين نوع مبدل‌ها در جهت افزايش راندمان و كارايي مبدل دوچندان شده است. مبدل‌هاي بسيار كاهنده از لحاظ كاربرد به دو نوع ايزوله و غيرايزوله تقسيم مي‌شوند كه به علت پيچيدگي‌هاي بيشتر مبدل‌هاي ايزوله، در كاربردهايي كه ايزولاسيون مورد نياز نباشد استفاده از ساختار غيرايزوله بسيار به‌صرفه‌تر است. علي‌رغم اينكه مبدل باك به علت سادگي ساختار، تعداد المان كم و هزينه‌ي پايين يكي از پركاربردترين مبدل‌هاي كاهنده است، اما در كاربردهاي بسيار كاهنده، استفاده از اين مبدل به علت باريك شدن ضريب وظيفه امكان‌پذير نيست؛ چراكه مشكلاتي را به همراه خواهد داشت. از جمله اينكه با كاهش ضريب وظيفه، توان بايد در مدت زمان بسيار كوتاهي به خروجي انتقال يابد كه باعث افزايش مقدار مؤثر جريان و افزايش تلفات مبدل مي‌شود. همچنين اين وضعيت تنش ولتاژ بالايي را براي المان‌ها ايجاد مي‌كند و ريپل جريان خروجي را نيز افزايش مي‌دهد. يكي از تكنيك‌هايي كه به منظور گسترش ضريب وظيفه و بهبود كارايي مبدل در كاربردهاي بسيار كاهنده استفاده مي‌شود، كاهش ولتاژ خروجي مبدل است كه اين كار از طريق استفاده از خازن سري، سلف تزويج شده و يا سلف سروسط انجام مي‌شود. از ديگر روش‌هاي بهبود راندمان مبدل، استفاده از يكسوساز سنكرون به جاي دايود خروجي است كه با كاهش تلفات هدايتي باعث افزايش راندمان مبدل مي‌شود؛ با اين حال پيچيدگي مدار كنترل را به همراه دارد كه براي رفع اين مشكل ساختار مبدل باك با يكسوساز سنكرون خودتحريك معرفي شده است. به منظور كاهش ريپل جريان خروجي نيز ساختار درهم‌تنيده ارائه شده است كه درواقع با چندفاز شدن خروجي مبدل و اختلاف بين فازها، ريپل جريان خروجي كاهش مي‌يابد. گسترش ضريب وظيفه علاوه بر رفع مشكلات مطرح شده، باعث اثربخشي بيشتر ساختار درهم‌تنيده نيز خواهد شد. براي بهتر شدن ساختار مبدل‌ها، از تركيب ايده‌هاي مطرح شده نيز استفاده مي‌شود. همچنين تلاش مي‌شود طراحي مبدل‌ها به گونه‌اي باشد كه سادگي كنترل كليدهاي مبدل حفظ شود. در اين پژوهش، در ابتدا تعدادي از ساختارهاي بسيار كاهنده كه به منظور گسترش ضريب وظيفه و افزايش كارايي و راندمان مبدل معرفي شده‌اند مورد بررسي قرار گرفته و سپس دو نمونه مبدل بسيار كاهنده‌ي غيرايزوله‌ي جديد پيشنهاد شده است. مبدل بسيار كاهنده‌ي پيشنهادي اول، داراي عملكرد كليدزني نرم و جريان خروجي پيوسته است و بهره‌ي بسيار كاهنده را با تعداد المان كم و تنش ولتاژ پايين فراهم مي‌كند. در اين مبدل با استفاده از يك خازن موازي با كليد اصلي عملكرد كليدزني نرم براي هر دو كليد فراهم مي‌شود ضمن اينكه تنش ولتاژ روي كليدها برابر با ولتاژ ورودي مي‌باشد. همچنين، به علت هم‌پتانسيل بودن سورس و درين كليدهاي مبدل، امكان استفاده از راه‌انداز گيت بوت-استرپ فراهم است و نيازي به كنترل‌كننده‌هاي پيچيده نيست. جهت بررسي صحت عملكرد مبدل پيشنهادي اول يك نمونه‌ي آزمايشگاهي از آن ساخته شده و نتايج حاصل از آزمايش عملي آن ارائه شده است. بازده اين مبدل در توان نامي 80وات، برابر با 92/3درصد مي‌باشد.
مبدل پيشنهادي دوم، درواقع ساختار درهم‌تنيده‌ي مبدل اول است كه ضمن حفظ ويژگي‌هاي آن، با دوفاز كردن خروجي مبدل، كاهش ريپل جريان خروجي انجام شده و بازده مبدل افزايش مي‌يابد. عملكرد اين مبدل با استفاده از شبيه‌سازي مورد بررسي قرار گرفته و نتايج حاصل از آن ارائه شده است. بازده اين مبدل در توان نامي 80وات، برابر با 93/7درصد مي‌باشد و ريپل جريان خروجي را تا 30درصد كاهش مي‌دهد.
.در پايان نيز هركدام از مبدل‌هاي پيشنهادي با ساختارهاي معرفي شده مقايسه شده‌اند و ويژگي‌هاي آن‌ها مورد بررسي قرار گرفته است.
چكيده انگليسي :
With the advancement of the high step-down converter applications in various industries, the importance of development of these converters to improve efficiency and performance has been enhanced. The high step-down converters are divided into two types of isolated and non-isolated according to their applications. Because of the complexity of isolated converters, in applications where isolation is not necessary, using non-isolated topologies is more efficient. According to simplicity of topology, low count of components, and low cost of implementation, the buck converter has become one of the most useful converters for step-down applications. However, in high step-down applications, it’s not possible to use this converter due to narrow operating duty cycle; because it will cause problems. By decreasing the duty cycle, the power must be transferred to output in a short time, and this increases the RMS current and power loss of the converter. Also, this situation causes high voltage stress on components and increases the output current ripple. One way to extend the duty cycle and improvement of performance in high step-down applications is to decrease the output voltage by using series capacitors, coupled inductors, or tapped inductors. Another method is to use a synchronous rectifier instead of the output diode that by reducing the conductivity loss, improves the converter efficiency. Nevertheless, it results in complexity of the control circuit. To solve this problem, a high step-down buck converter with self-Driven synchronous rectifier has been introduced. To decrease the output current ripple, the interleaved structure has been presented. It reduces the output current ripple by multi-phasing the output of the converter with difference between the phases. In addition to solve the mentioned problems, the extended duty cycle can improve the effect of interleaved structure. A combination of these methods also has been used to improve the structure of converters, and it is tried to design converters in such a way that the simplicity of controlling the converter is maintained. In this research, at first, some of the high step-down converters has been investigated that used to extend the duty cycle and improve the efficiency and performance of the converter. Then, two types of new non-isolated high step-down converters have been proposed. The first proposed converter has soft switching operation and continuous output current. Also, it provides high-step down ratio with low count of components and low voltage stress. In this converter, the ZVS operation for both switches has been provided by using a capacitor parallel with the main switch. In addition, by connecting the source and drain of the switches, it is possible to use a boot-strap gate drive, and there is no need to using complex controllers. An experimental prototype has been made to validify the operation of the proposed converter and the results of practical tests have been presented. The efficiency of this converter in rated power of 80w is equal to 92.3 percent. The second proposed converter is the interleaved structure of the first converter which, reduces the output current ripple by maintaining its characteristics. The operation of this converter has been investigated by simulation, and the results have been presented. The efficiency of this converter in rated power of 80w is equal to 93.7 percent and it reduces the output current ripple by 30 percent. Each converter has been compared with other structures, and their characteristics have been investigated.
