توصيفگر ها :
مديريت توان , مدارمجتمع , مبدل رزونانس سري , كليدزني در جريان صفر , ، كليدزني در ولتاژ صفر , تلفات كليدزني , روش هاي بهينه سازي
چكيده فارسي :
موبايل هاي پيشرفته، دستگاه هاي پوشيدني و اينترنت اشياء، به دليل محدوديت در اندازه و همچنين اهميت طول عمر باتري در طولاني مدت به مبدل هاي توان با چگالي توان و بازده بالا كه به صورت مدار مجتمع پياده سازي شوند، نياز دارند تا انرژي را از باتري ليتيوم يوني به چندين بلوك عملكردي برسانند. يكي از چالش هاي اصلي در بحث پياده سازي و ساخت مبدل ها، انتخاب فركانس كليدزني مبدل است، چرا كه با افزايش فركانس كليدزني، اندازه المان هاي ذخيره كننده انرژي كاهش مي يابد، اما مي تواند منجر به افزايش تلفات شود. با توجه به اينكه مدار رزونانس سري قابليت ايجاد كليدزني نرم در ولتاژ صفر و جريان صفر را براي تمام كليدها در روشن و خاموش شدن دارد، مي توان از اين مدار براي پياده سازي در مدار مجتمع به منظور كاهش تلفات كليدزني، استفاده نمود. انتخاب بين اين دو روش نيازمند بررسي دقيق آن ها از ديدگاه تلفات در شرايط كاري مختلف است. تمركز اصلي اين پايان نامه، ارائه يك مدل جامع براي محاسبه تلفات كل مبدل رزونانس
سري است. پژوهش هايي كه در زمينه مدل سازي رفتار حالت گذرا ترانزيستور انجام شده است، براي كاربرد مدارهاي گسسته بوده كه در
ولتاژهاي بالا و فركانس هاي پايين مدل سازي انجام شده است. لذا حالت هاي خاصي كه در ولتاژهاي پايين و فركانس هاي بالا رخ مي دهد
و پياده سازي به صورت مجتمع باشد، مورد بررسي قرار نگرفته است. در اين پايان نامه به بررسي و مدل سازي حالت گذرا ترانزيستور در دو
روش كليدزني نرم در كاربردهاي كم توان كه به صورت مدار مجتمع پياده سازي مي شوند، پرداخته شده است. طبق نتايج به دست آمده بر
خلاف تصور در كليدزني در ولتاژ صفر، ديود بدنه ترانزيستور در زمان مرده، روشن نمي شود، بلكه خود ترانزيستور روشن شده و جريان
منفي را از خود عبور مي دهد كه اين امر مدل سازي حالت گذرا را متفاوت از كارهاي انجام شده مي كند. همچنين در مدل سازي كليدزني
در جريان صفر در كاربردهاي گسسته ولتاژ درين-سورس در بازه هايي، ثابت در نظر گرفته مي شود كه اين امر به دليل پايين بودن ولتاژ هاي
خروجي در كاربردهاي مدار مجتمع، مورد اهميت قرار مي گيرد و خطا مدل سازي را تا حدود 30 درصد افزايش مي دهد كه در اين پايان نامه
به بهبود مدل سازي كليدزني در جريان صفر نيز پرداخته شده است. چالش ديگر محاسبه تلفات هدايتي مدار است كه در شرايط كليدزني در
جريان صفر، مبدل در حوزه زمان تحليل شده و جريان سلف محاسبه شده است. همچنين با تحليل مبدل در كليدزني در ولتاژ صفر با تئوري
مبتني بر لاپلاس، روابط مربوط به جريان و ولتاژ تانك رزونانس محاسبه شده است. همچنين با استفاده از اين تحليل، شرايط كليدزني نرم
در توان هاي مختلف مورد بررسي قرار گرفته است. يكي ديگر از چالش هاي اصلي در بحث پياده سازي و ساخت مبدل ها، انتخاب بهينه
عرض ترانزيستور مي باشد كه در اين پايان نامه با استفاده از روابط محاسبه شده براي تلفات كل مدار، اين امر ميسر شده است. در نهايت مبدل
كليد-خازني رزونانسي پايه، در دو حالت كليدزني نرم در ولتاژ صفر و جريان صفر مورد بررسي قرار گرفته است. در اين بررسي پارامترهاي
مختلف مدار مانند ولتاژ ورودي، فركانس رزونانس تانك LC و اندازه جريان خروجي مبدل نيز تغيير داده شد و اثر آن ها بر روي مقدار
بازده مبدل بررسي شد.
چكيده انگليسي :
Advanced mobile phones, wearable devices, and the Internet of Things require power converters with high
power density and efficiency. These converters are implemented as integrated circuits to transfer energy from
lithium-ion batteries to various functional blocks, ensuring long-term battery life. One of the primary challenges
in implementing and constructing these converters is selecting the converter’s switching frequency. Increasing
the switching frequency reduces the size of energy storage elements but can lead to increased losses. The series
resonance circuit, capable of achieving soft switching at zero voltage and zero current for all switches during on
and off transitions, can be employed in integrated circuits to reduce switching losses. Choosing between these
two methods necessitates a detailed examination of their performance under different working conditions. The
main focus of this thesis is to present a comprehensive model for calculating the total losses of the series resonant converter. Research into modeling the transient behavior of transistors has traditionally focused on discrete
circuit applications modeled at high voltages and low frequencies. Therefore, specific modes occurring at low
voltages and high frequencies, especially in integrated implementations, have been insufficiently investigated.
This thesis explores and enhances the modeling of transient transistor behavior in two soft switching methods
applicable to low-power integrated circuit applications. Contrary to the expectation of zero voltage switching,
the body diode of the transistor does not turn on during the dead time. Instead, the transistor itself turns on and
allows the passage of negative current, resulting in a different transient state modeling approach than previously
established. Also, in the modeling of switching at zero current in discrete applications, the drain-source voltage
is considered constant in intervals, which is important due to the low output voltages in integrated circuit applications, and increases the modeling error by about 30%, which In this thesis, the improvement of zero current
switching modeling has also been discussed. This thesis also addresses improvements in modeling zero current switching. Calculating the conduction loss of the circuit is another challenge. In zero-current switching
conditions, the converter is analyzed in the time domain, and inductor currents are calculated. Additionally,
by analyzing the converter in zero-voltage switching using Laplace-based theory, relationships between current
and voltage in the resonance tank have been derived. This analysis further investigates soft switching conditions
under different power levels. Another main challenge in the discussion of implementation and construction of
converters is the selection of the optimal width of the transistor, which has been made possible in this thesis
by using the relationships calculated for total circuit losses. Finally, the resonant switched capacitor converter
has been examined under two soft switching modes: zero voltage and zero current. This investigation includes
varying circuit parameters such as input voltage, LC tank resonance frequency, and the magnitude of the converter’s output current, studying their effects on converter efficiency
