توصيفگر ها :
كليدزني نرم , مبدهاي رزونانسي , تغييرات گسترده بهره ولتاژ , جريان خروجي ثابت و ولتاژ خروجي ثابت
چكيده فارسي :
مبدلهاي رزونانسي به دليل مزاياي قابل توجهي نظير بازده بالا، فركانس كليدزني بهينه و چگالي توان زياد، بسيار محبوب هستند. با اين حال، اين مبدل‌ها با چالش‌هايي از جمله گستره وسيع فركانس كليدزني در كاربردهاي با بهره ولتاژ گسترده مواجه‌اند. هدف اين رساله بهبود عملكرد مبدلهاي رزونانسي با رفع محدوديت‌هاي مربوط به گستره بهره ولتاژ، عملكرد در فركانس كليدزني ثابت، افزايش بازده و كليدزني نرم در شرايط تغييرات وسيع بهره ولتاژ و بار است. اين تغييرات شامل ولتاژ خروجي ثابت و جريان خروجي ثابت در برابر تغييرات وسيع ولتاژ ورودي و بار مي‌باشد. در فصل اول، مقدمه‌اي بر لزوم و اهميت موضوع اين رساله ارائه شده و در فصل دوم، ساختارهاي مختلف مبدلهاي رزونانسي پايه و مبدلهاي رزونانسي با فركانس ثابت بررسي مي‌شوند. همچنين، روش‌هاي ارائه شده براي حل محدوديت‌هاي آن‌ها در كاربردهاي با تغييرات گسترده ولتاژ ورودي و بار مطرح خواهند شد. فصل سوم به ارائه يك مبدل رزونانسي سري ادغام شده با يك مبدل پايه سپيك اختصاص دارد كه قادر به جبران تغييرات در ولتاژ ورودي و بار و توليد يك ولتاژ خروجي ثابت در يك فركانس كليدزني ثابت است. اين ساختار بيشتر براي كاربردهايي با ولتاژ خروجي ثابت مناسب است، اما در مواردي با جريان خروجي ثابت كارايي كمتري دارد. به همين جهت، در فصل‌هاي چهارم و پنجم، ساختارهاي پيشنهادي ديگري بر اساس شبكه رزونانس LCC ارائه مي‌شود كه امكان توليد جريان خروجي ثابت را با استفاده از قابليت‌هاي ذاتي اين شبكه رزونانس دارند. براي ارتقاء عملكرد مبدل‌ها و توانايي كاركرد بيشتر با گستره وسيع ولتاژ ورودي، در فصل‌هاي چهارم و پنجم، مبدلهاي LCC با مبدلهاي پايه PWM تركيب شده‌اند. علاوه بر اين، در فصل پنجم، با به كارگيري روش پردازش توان جزئي، بازدهي بالاتري نسبت به ساختارهاي قبلي حاصل مي‌شود. فصول ششم، هفتم و هشتم با تمركز بر مبدل‌هايي كه قابليت ايجاد هر دو حالت ولتاژ ثابت (CV) و جريان ثابت (CC) را دارند، پيشنهاد مي‌شوند. مبدل رزونانسي فصل ششم شامل يك شبكه رزونانس دوگانه و يك كليد تغيير وضعيت است. در فصل هفتم، براي ساده‌سازي بيشتر، ساختار فصل ششم به گونه‌اي تغيير يافته كه امكان جايگزيني كليد تغيير وضعيت از حالت CC به CV، با استفاده از دو ماسفت به يك ماسفت فراهم شود. فصل هشتم به معرفي ساختاري اختصاص دارد كه بدون نياز به كليد تغيير وضعيت، به‌طور خودكار از حالت CC به حالت CV منتقل مي‌شود. در همه ساختارهاي پيشنهادي، شبكه رزونانس به كليدزني نرم در ولتاژ صفر براي المان‌هاي نيمه هادي اينورتر و كليدزني نرم در جريان صفر براي المان‌هاي نيمه هادي يكسوكننده در شرايط تغييرات وسيع ولتاژ ورودي و بار كمك مي‌كند. به دليل عملكرد در فركانس رزونانس، خروجي مبدلهاي پيشنهادي مستقل از بار است و تلفات گردشي ناشي از عملكرد در فركانس‌هاي دور از فركانس رزونانس به حداقل مي‌رسد. همچنين، هر هفت مبدل پيشنهادي از مزيت سادگي ساختار و تعداد المان كم برخوردارند. در ادامه رساله، حالت‌هاي مختلف مبدلهاي پيشنهادي معرفي و مورد بررسي قرار مي‌گيرند. مبدلهاي پيشنهادي با استفاده از آناليز مناسب طراحي و شبيه‌سازي شده‌اند. به منظور تأييد عملكرد، يك نمونه ساخت از مبدل‌ها ارائه و نتايج آن با نتايج تئوري و شبيه‌سازي مقايسه شده‌اند. در پايان، نتايج حاصل از مبدلهاي پيشنهادي با نتايج مبدلهاي ارائه شده در مجلات معتبر مقايسه مي‌شود تا تأثير ايده‌هاي پيشنهادي در بهبود مبدلهاي رزونانسي به خوبي روشن گردد.
چكيده انگليسي :
Resonant converters are highly favored due to their significant advantages such as high efficiency, optimal switching frequency, and high power density. However, these converters face challenges including a wide switching frequency range in applications with extensive voltage gain. The aim of this dissertation is to enhance the performance of resonant converters by addressing the limitations related to wide voltage gain range, achieving fixed switching frequency operation, increasing efficiency, and enabling soft switching under substantial variations in voltage gain and load. These variations include maintaining a constant output voltage and constant output current over the wide input voltage and load changes. In Chapter One, an introduction to the necessity and significance of this dissertation is presented, while Chapter Two examines various basic resonant converters and fixed-frequency resonant converters. Additionally, suggested methods to overcome their limitations in applications with extensive variations in input voltage and load are discussed. Chapter Three is dedicated to presenting a series resonant converter integrated with a basic SEPIC converter that is capable of compensating for changes in input voltage and load while producing a constant output voltage at a fixed switching frequency. This structure is primarily suitable for applications requiring a constant output voltage, but may exhibit reduced performance in scenarios requiring a constant output current. For this reason, in Chapters Four and Five, other proposed structures based on LCC resonant networks are introduced that facilitate constant output current generation by leveraging the inherent capabilities of this resonant network. To enhance the performance of the converters and broaden their operational capability across a wide input voltage range, Chapters Four and Five discuss LCC converters combined with fundamental PWM converters. Furthermore, in Chapter Five, the implementation of a partial power processing approach leads to higher efficiency compared to previous structures. Chapters Six, Seven, and Eight focus on converters that are capable of operating in both Constant Voltage (CV) and Constant Current (CC) modes. The resonant converter in Chapter Six features a dual resonant network and a change-mode switch. In Chapter Seven, to simplify the design further, the structure from Chapter Six is modified such that the two MOSFETs based change-mode switch, transitioning from CC to CV, is replaced to a single MOSFET. Chapter Eight introduces a structure that automatically transitions from the CC to CV mode without the need for a change-mode switch. In all proposed structures, the resonant network aids in zero-voltage soft switching for the semiconductor elements of the inverter and zero-current soft switching for the semiconductor elements of the rectifier under extensive variations in input voltage and load. Due to operation at the resonant frequency, the output voltage/current of the proposed converters remains independent of the load, and circulating losses arising from operation at frequencies distant from the resonant frequency are minimized. Additionally, all seven proposed converters benefit from simple structures and a reduced number of components. Subsequently, various modes of the proposed converters will be introduced and examined. The proposed converters are designed and simulated using appropriate analysis techniques. To validate their performance, a prototype of the converters is presented, with its results compared against theoretical and simulated outcomes. Finally, the obtained results are compared with those of converters presented in reputable IEEE journals to clearly demonstrate the effectiveness of the proposed ideas for enhancing the operation of resonant converters.
