توصيفگر ها :
مبدل كليد-خازني , مبدل كليد-خازني-تركيبي , سلف مارپيچ مجتمع , خازن مجتمع , بهينه‌سازي مساحت قطعات غيرفعال
چكيده فارسي :
استفاده از تجهيزات الكترونيكي در سطوح مختلف زندگي فراگير شده است و به جزء جدايي‌ناپذيري از زندگي روزمره تبديل شده‌اند. تنوع تجهيزات با كاربردهاي متفاوت سبب شده كه بحث تأمين توان مورد نياز اين تجهيزات به چالشي براي مهندسين برق تبديل شود. به لطف تحقيق و توسعه مداوم در دهه‌هاي گذشته امكان استفاده از مبدل‌هاي توان با قابليت اطمينان بالا و هزينه پايين در تجهيزات مرسوم فراهم شده است. تقريباً در همه تجهيزات الكترونيكي، واحدي براي مديريت و پردازش توان موجود است كه وظيفه آن تأمين سطوح مختلف ولتاژ براي مصرف‌كننده‌هاي مختلف در مدار است. در سال‌هاي اخير، كاربردهاي متنوعي با چالش‌هاي طراحي پديدار شده‌اند كه به دليل محدوديت در ابعاد پياده‌سازي يا مصرف جريان بسيار بالا، نياز به مبدل‌هاي توان با چگالي انرژي بالا دارند كه مبدل‌هاي مرسوم قادر به برآورده كردن اين نياز نيستند. ساختارهاي متفاوتي براي مبدل‌هاي توان در دسترس است كه متناسب با ويژگي‌هاي موردنياز، ساختار مناسب انتخاب مي‌شود. قطعات غيرفعال فضاي قابل توجهي از مبدل توان را به خود اختصاص مي‌دهند، لذا استفاده بهينه از قطعات غيرفعال مي‌تواند سبب كاهش حجم كلي مبدل و افزايش چگالي انرژي مبدل شود. با توجه به اينكه به صورت ذاتي چگالي انرژي خازن از سلف بزرگ‌تر است، استفاده از خازن مي‌تواند سبب كاهش فضاي موردنياز قطعات غيرفعال شود. ساختار مبدل كليد-خازني علي‌رغم حجم كمتر قطعات غيرفعال و بازده بالا در نسبت تبديل ثابت، تنظيم‌كنندگي ولتاژ خوبي در خروجي ندارند و با تغيير بار خروجي، بازده كاهش مي‌يابد. ساختار كليد-خازني-تركيبي مزاياي هر دو مبدل پايه مغناطيسي و مبدل كليد-خازني را در خود گنجانده است. اضافه شدن سلف انعطاف بيش‌تري در طراحي فراهم مي‌‌كند. با محاسبه انرژي ذخيره شده موردنياز در قطعات غيرفعال و استفاده از چگالي انرژي آن‌ها، مي‌توان رابطه‌اي بين ظرفيت و حجم قطعات غيرفعال به دست آورد و به كمك آن حجم قطعات غيرفعال براي طراحي مبدل را بهينه ساخت. به دليل گسترده‌تر شدن استفاده از مدارهاي مجتمع، پياده‌سازي تمام مجتمع واحد مديريت و پردازش توان با ساير قسمت‌هاي مدار مجتمع سبب افزايش سرعت پاسخ‌دهي سيستم و همچنين بهره‌مندي از مزاياي مجتمع‌سازي مي‌شود. چالش اصلي در پياده‌سازي تمام مجتمع مبدل‌هاي توان، قطعات غيرفعال هستند، چرا كه براي پياده‌سازي آن‌ها بايد از لايه‌هاي موجود در فناوري ساخت كمك گرفت. از آن‌جايي كه فناوري‌هاي ساخت براي پياده‌سازي قطعات غيرفعال بهينه نشده‌اند، لذا پياده‌سازي مجتمع قطعات غيرفعال، ضريب كيفيت اين قطعات را كاهش مي‌دهد. از اين رو انتخاب مقادير مناسب سلف و خازن جهت عملكرد صحيح مبدل در كمترين فضاي ممكن بسيار حائز اهميت است. در اين پژوهش ابتدا ساختارهاي مختلف پياده‌سازي مجتمع خازن و سلف مورد بررسي قرار گرفته و در نهايت با توجه به ويژگي‌هاي مبدل، ساختار مناسب براي پياده‌سازي خازن و سلف انتخاب شده است و روابط ظرفيت و مساحت مورد نياز اين قطعات محاسبه شده است. براي ارزيابي مدل ارائه شده براي سلف، از شبيه‌سازي الكترومغناطيسي استفاده شده است. با درنظر گرفتن روابط ميان ظرفيت و مساحت قطعات غيرفعال و شروط عملكرد صحيح مبدل، روشي جهت انتخاب ظرفيت مناسب خازن و سلف براي بهينه‌سازي مساحت كل قطعات غيرفعال ارائه شده است. در پايان نيز مساحت قطعات غيرفعال مبدل كليد-خازني-تركيبي با مبدل باك در شرايط يكسان مورد مقايسه قرار گرفته است. همچنين اثر تلفات سلف در بهينه‌سازي مساحت قطعات غيرفعال نيز بررسي شده است.
چكيده انگليسي :
The use of electronic equipment has become pervasive in various aspects of life and is now an indispensable part of daily life. The diversity of applications for electronic equipment has presented a challenge for electrical engineers in ensuring a reliable power supply. Thanks to continuous research and development over the past few decades, we now have access to reliable and cost-effective power converters designed for conventional equipment. Nearly all electronic devices incorporate a power management and processing unit responsible for supplying various voltage levels to different components within the circuit. In recent years, the emergence of diverse applications has introduced design challenges, necessitating power converters with high energy density due to size constraints and high current consumption. Traditional converters are ill-equipped to meet these demands. Fortunately, various power converter structures are available, and the choice of the appropriate structure depends on the specific requirements. Passive components consume a significant amount of space in power converters, so optimizing their use can reduce the overall converter size and increase energy density. Capacitors inherently possess higher energy density compared to inductors, making them a viable option for reducing the space required for passive components. However, a complete capacitor-based converter, despite its smaller size and high conversion efficiency, lacks voltage regulation and stable output voltage under varying loads. The hybrid switched capacitor converter combines the advantages of both magnetic and capacitor-based converters. The inclusion of an inductor in the topology provides greater design flexibility. By calculating the stored energy within passive components and using their energy density, we can establish a relationship between the capacity and size of passive components, thus optimizing their size for converter design. Given the widespread use of integrated circuits, integrating the entire power management and processing unit with other components of the integrated circuit can enhance system response speed and leverage the benefits of integration. The primary challenge in the implementation of fully integrated power converters is the integration of passive components. This challenge arises because existing layers in the fabrication process must be utilized for their implementation. Since the fabrication processes are not optimized for the integration of passive components, their implementation can lead to a decrease in the quality factor of these components. Therefore, it is of paramount importance to select the appropriate values for both inductors and capacitors to ensure the correct operation of the converter within the smallest possible space. In this research, we initiate the study by scrutinizing various structures suitable for implementing integrated capacitors and inductors. Subsequently, we carefully select the most appropriate structure based on the converter's specific characteristics. We then proceed to derive equations that define the capacitor and inductor capacity and area for the chosen structure. To validate the proposed inductor model, we employ electromagnetic simulations. Taking into account the interplay between the capacity and area of passive components and their influence on the converter's correct operational conditions, we present a methodology for selecting the optimal capacity values for both the inductor and capacitor. This methodology aims to optimize the overall area occupied by passive components. Lastly, we conduct a comparative analysis, contrasting the area occupied by passive components in the hybrid switched capacitor converter against that in a buck converter, while maintaining identical conditions. Additionally, we delve into the implications of inductor losses on the optimization of passive component area.
