توصيفگر ها :
مبدلهاي بسيار كاهنده , كليدزني نرم , مبدلهاي درهمتنيده , سلف تزويج شده , خازن سري
چكيده فارسي :
در جهان امروز ولتاژهاي پايين در صنعت جذابيت زيادي پيدا كرده بهنحويكه اغلب تجهيزات خانگي كوچك، باتري شارژرها، خودروهاي برقي و رايانهها و... از ولتاژهاي پايين بهعنوان تغذيه استفاده ميكنند. در نتيجه مشكل تأمين توان تجهيزاتي كه با ولتاژهاي پايين كار ميكنند نيز اهميت زيادي پيدا كرده است. براي ايجاد ولتاژهاي پايين لازم است كه توسط يك مبدل، ولتاژ با سطح بالا را به ولتاژ با سطح پايين تبديل كنيم كه اين كار توسط مبدلهاي كاهنده صورت ميپذيرد. مبدلهاي كاهنده انواع مختلفي دارند. سادهترين مبدل كاهنده، مبدل باك است. اين مبدل به دليل ساختار ساده و هزينه ساخت كم، طرفداران بسياري را پيدا كرده است. اما اين ساختار مناسب كاهش بسيار زياد ولتاژ نيست چرا كه از طرفي تلفات هدايتي و كليدزني آن زياد است و از طرف ديگر ضريب وظيفه بسيار باريك خواهد شد. باريك شدن ضريب وظيفه به اين معني است كه مدتزمان انتقال توان به خروجي بهشدت كاهش مييابد كه اين موضوع تنش ولتاژ و جريان بسيار زيادي را به كليد مبدل تحميل ميكند؛ بنابراين در اين تحقيق به معرفي روشهايي پرداخته ميشود كه علاوه بر بهبود مشكلات كليدزني سخت مبدل باك، عمل كاهش بسيار زياد ولتاژ را نيز انجام بدهند. ازاينرو در فصل اول، ابتدا به معرفي مبدل باك پايه پرداخته شده و مشكلات آن براي كاهش بسيار زياد ولتاژ مطرح ميشود و پس از آن يكي از روشهاي كليدزني نرم بيان ميشود. در فصل دوم، روشهاي مقدماتي براي رسيدن به كاهش بسيار زياد ولتاژ بررسي ميشود كه اين روشها ايده اوليه بسياري از مدارها در زمينه كاهش بسيار زياد ولتاژ هستند. در ادامه اين فصل، به مدارهايي پرداخته ميشود كه ايده آنها الهامگرفته شده از روشهاي مقدماتي يا تركيب شده و ادغامشدهي چند روش از روشهاي بيان شده است. در فصل سوم مبدل پيشنهادي اول ارائه شده است. اين فصل يك مبدل dc-dc غير ايزوله با راندمان 95/55 درصد را معرفي ميكند كه براي كاربردهايي با كاهش بسيار زياد ولتاژ، مانند دستگاههاي تغذيه شونده با باتري مناسب است. ساختار پيشنهادي با تركيب خازنهاي كليدزني شده و يك اسنابر غيرفعال جديد بدون تلفات به همراه سلفهاي كوپل شده، امكان كليدزني با جريان صفر در لحظه روشنشدن و ولتاژ صفر در لحظه خاموششدن را فراهم ميسازد. اين ويژگيها منجر به كاهش تلفات كليدزني و بهبود عملكرد كلي مدار ميشوند، درحاليكه تنها از يك كليد قدرت در ساختار استفاده شده است. يك نمونه آزمايشگاهي با مشخصات 300 ولت به 24 ولت و توان 120 وات، با فركانس كاري 100 كيلوهرتز طراحي و آزمايش شده است. نتايج عملي، ويژگيهاي كليدزني نرم را تأييد كرده و راندمان بالاي مبدل را نشان ميدهند. در فصل چهارم مبدل پيشنهادي دوم ارائه شده است. اين مبدل نسبت به مبدل قبلي يك كليد و يك خازن اضافهتر دارد؛ اما در عوض كليدزني نرم بهتري را ادامه ميدهد و مشكلات ناشي از روشنشدن خازني كليد را رفع كرده است. تمام كليدهاي اين مبدل بهصورت كليدزني نرم كار ميكنند و بازده اين مبدل نسبت به مبدل قبل افزايش داشته و به مقدار 95/79 درصد رسيدهاست. در اين مبدل مشكلات ناشي از ضريب وظيفه باريك مبدلهاي بسيار كاهنده تا حد زيادي رفع شده است و ميتوان با ضرايب وظيفهي بيشتري به كاهش بسيار زياد ولتاژ دستيافت. مبدل پيشنهادي دوم با مشخصات 300 ولت به 24 ولت و توان 120 وات، با فركانس كاري 100 كيلوهرتز طراحي ميشود. باتوجه به اينكه مشكلات ناشي از كليدزني سخت در هر دو مبدل ارائه شده به شيوه مناسبي حل شده، ميتوان فركانس كليدزني را افزايش داد تا از حجم مدار و هزينه كاسته شود. در هر دو مبدل پيشنهادي با در نظر گرفتن بهره 0/08، براي مبدل پيشنهادي دوم ضريب وظيفه برابر 0/276 شده و ضريب وظيفه مبدل پيشنهادي اول برابر 0/25 ميشود كه در باك عادي براي رسيدن به اين بهره ضريب وظيفه بايد برابر 0/08 باشد. در فصل آخر نتيجهگيري و پيشنهادها مبتني بر تحقيق صورتگرفته ارائه ميشود.
چكيده انگليسي :
With the remarkable advancement of power electronics technologies, the use of DC-DC power converters has gained widespread attention across a broad range of applications. One of the main driving forces behind this trend is the increasing computational demands of modern data centers, which require high-performance processors with greater power consumption. As a result, the need for high-efficiency and cost-effective voltage regulators has become more critical to minimize energy losses and maintain operational sustainability.
The rising cost of fossil fuels have also shifted global focus toward more sustainable alternatives such as electric vehicles. These vehicles eliminate many of the drawbacks associated with fossil fuel consumption. However, to power auxiliary systems within electric vehicles, high step-down DC-DC converters are required.
Among conventional topologies, the buck converter stands out as the simplest step-down solution. However, it suffers from serious limitations in low duty-cycle applications, including hard-switching behavior and increased current stress on components, which lead to higher conduction losses. Consequently, the basic buck converter topology becomes inefficient and unsuitable in such scenarios.
To address these issues, recent studies and designs have introduced various enhancements, such as the use of series capacitors and coupled inductors. These techniques aim to reduce voltage stress, improve efficiency, and enable soft-switching capabilities. These innovations not only improve performance but also extend the applicability of DC-DC converters in demanding environments like electric vehicle systems and high-performance computing platforms.
The first proposed converter introduces a single-switch topology designed to address the challenges of achieving an ultra-high step-down voltage ratio. Its main innovation lies in combining coupled inductors with a lossless snubber circuit, which enhances the voltage reduction capability while enabling Zero-Current Switching (ZCS) during turn-on and Zero-Voltage Switching (ZVS) during turn-off. These features effectively minimize switching losses and improve overall efficiency.
In this structure, two capacitors are utilized in such a way that they charge in series and discharge in parallel. This configuration divides the input voltage between the capacitors, resulting in a greater voltage step-down ratio. Furthermore, sufficient discharge current reduces voltage ripple across the capacitors, increasing their lifespan.
In contrast to conventional designs that often require complex circuitry and multiple active switches, this converter achieves high performance with just a single switch and no need for auxiliary circuits. As a result, the design maintains both structural simplicity and high efficiency. This makes it a compact and cost-effective solution for applications that demand efficient low-voltage power conversion.
The second proposed converter incorporates a series-capacitor technique to further reduce the voltage gain. It also eliminates issues related to capacitive turn-on switching losses. Additionally, all inductors are integrated onto a single magnetic core, improving magnetic utilization and reducing the overall volume. The converter demonstrates improved efficiency due to structural enhancements and reduced power losses, making it a promising option for modern high-performance DC-DC power conversion systems. The first converter is designed for an output power of 120 W, with an input voltage of 300 V and an output voltage of 24 V, while the second converter is designed for an output power of 120 W, with an input voltage of 300 V and an output voltage of 24 V.
The final chapter summarizes the content discussed in the third and fourth chapters.