توصيفگر ها :
مبدل هاي بسيار كاهنده , تكنيك هاي كليدزني نرم , گسترش ضريب وظيفه , جريان خروجي پيوسته , تلفات هدايتي
چكيده فارسي :
با پيشرفت تكنولوژي و گسترش روز افزون كاربرد مبدل هاي بسيار كاهنده DC-DC در صنايع مختلف، لزوم استفاده از ساختارهاي بهبود يافته در جهت افزايش بازده و عملكرد اين مبدل ها، امري حياتي به شمار مي رود. از جمله كاربردهاي بسيار مهم اين مبدل ها مي توان به استفاده در مراكز داده اشاره كرد. واحدهاي پردازنده مركزي (CPU)، از جمله قطعاتي هستند كه توان مصرفي بالايي در مراكز داده دارند. به همين دليل، استفاده از مبدل هاي تنظيم كننده ولتاژ (VRM) با بازده و كارايي بالا به عنوان منبع تغذيه براي CPUها امري ضروري است. از ديگر كاربردهاي مهم اين مبدل ها، استفاده در خودروهاي الكتريكي (EV) به منظور تامين توان موتور و تجهيزات جانبي است. يكي از دلايل مورد توجه قرار گرفتن اين نوع خودروها كاهش آلودگي زيست محيطي ناشي از سوخت هاي فسيلي است. با توجه به موارد ذكر شده، استفاده از مبدل هاي بسيار كاهنده با بازده بالا مورد توجه ويژه قرار گرفته است. استفاده از مبدل هاي كاهنده پايه در چنين كاربردهايي، مشكلاتي به همراه دارد. از جمله اين مشكلات مي توان به كليدزني تحت شرايط سخت و نياز به پالس گيت باريك در كاربردهاي بسيار كاهنده اشاره كرد كه سبب افزايش هزينه مدار كنترل، افزايش تنش جريان المان هاي مبدل و در نتيجه كاهش بازده مبدل مي شود. به همين دليل در سال هاي اخير سعي بر آن بوده است كه با استفاده از تكنيك هايي همچون سلف تزويج شده و خازن سري، بر مشكلات ذاتي مبدل هاي كاهنده پايه غلبه گردد. از جمله مزاياي مبدل هاي بسيار كاهنده بهبود يافته مي توان به كليدزني تحت شرايط نرم، گسترش ضريب وظيفه و كاهش تلفات هدايتي اشاره كرد. هدف از اين پژوهش، در ابتدا بررسي مبدل هاي بسيار كاهنده معرفي شده اخير و مشخص نمودن مزايا و معايب هر يك و سپس ارائه مبدلي است كه علاوه بر ايجاد شرايط كليدزني نرم و گسترش ضريب وظيفه، پيوستگي جريان خروجي در آن نيز تامين شده باشد و همچنين تلفات هدايتي را نيز كاهش داده باشد. به همين منظور در فصل دوم تعدادي از مبدل هاي بسيار كاهنده معرفي شده اخير تحليل شده است. سپس در فصل سوم، مبدلي ارائه شده است كه علاوه بر نرخ كاهندگي بالا، انتقال توان به خروجي را از دو مسير انجام مي دهد. همين امر سبب مي شود كه تلفات هدايتي دايودها و سيم پيچ هاي مبدل كاهش چشم گيري داشته باشد. از طرفي جريان خروجي اين مبدل پيوسته بوده و مشكلاتي مانند نويز ولتاژ خروجي و تداخلات الكترومغناطيسي (EMI) در خروجي اين مبدل به حداقل خواهد رسيد. همچنين قابليت استفاده از تكنيك بوت استرپ به منظور درايو گيت ماسف كليدها در اين مبدل وجود دارد و نيازي به استفاده از مدار كنترل با تغذيه ايزوله براي درايو كليدها نيست. با هدف كاهش ريپل جريان خروجي و همچنين كاهش دوچندان تلفات هدايتي در جريان هاي بالا، مبدل پيشنهادي دوم در فصل چهارم ارائه شده است. اين مبدل علاوه بر داشتن مزاياي مبدل پيشنهادي اول، به دليل دو فاز بودن خروجي، تلفات هدايتي كم تري در جريان هاي خروجي بالا خواهد داشت. بنابراين، استفاده از اين مبدل در كاربردهاي توان بالا و با جريان دهي بالا، بازده بالاتري خواهد داشت. اين دو مبدل از نظر تئوري تحليل شده، عملكرد هر يك مورد بررسي قرار گرفته و روابط مربوطه در هر فصل ارائه شده است. همچنين شبيه سازي اين دو مبدل انجام گرديده و سايز المان هاي مغناطيسي و خازن هاي مبدل اول با ساير مبدل ها مقايسه شده است. به منظور تاييد صحت عملكرد مبدل پيشنهادي اول، يك نمونه آزمايشگاهي با ولتاژ ورودي V 400 و ولتاژ خروجي V 24 براي توان خروجي W 200 پياده سازي شده است كه بازده 96/55 درصدي در بار نامي دارد. همچنين به منظور تاييد صحت عملكرد مبدل پيشنهادي دوم، يك نمونه آزمايشگاهي با ولتاژ ورودي V 400 و ولتاژ خروجي V 24 براي توان خروجي W 400 پياده سازي شده است كه بازده 96/6 درصدي در بار نامي دارد.
چكيده انگليسي :
Abstract With the advancement of technology and the ever-increasing expansion of the use of highly step-down DC-DC converters in various industries, the need to use improved structures to increase the efficiency and performance of these converters is considered vital. Among the very important applications of these converters, use in data centers can be mentioned. Central processing units (CPU) are among the parts that have high consumption power in data centers. For this reason, it is essential to use high-efficiency voltage regulator modules (VRM) as power supplies for CPUs. Another important application of these converters is the use in electric vehicles (EV) in order to supply engine power and peripheral equipment. One of the reasons for the attention of these types of vehicles is the reduction of environmental pollution caused by fossil fuels. According to the mentioned cases, the use of high step-down converters with high efficiency has been given special attention. Using step-down converters in such applications brings problems. Among these problems, it can be mentioned hard switching conditions and the need for a narrow gate pulse in high step-down applications, which causes an increase in the cost of the control circuit, an increase in the current stress of the converter elements, and as a result, a decrease in the efficiency of the converter. For this reason, in recent years, it has been tried to overcome the inherent problems of step-down converters by using techniques such as coupled inductor and series capacitor. Among the advantages of improved high step-down converters are soft switching conditions, expansion of duty cycle and reduction of conduction losses. The purpose of this research is to first examine the recently introduced high step-down converters and identify the advantages and disadvantages of each one and then present a converter that, in addition to creating soft switching conditions and expanding the duty cycle, the continuity of the output current is also provided in it and It also reduces conduction losses. For this purpose, in the second chapter, a number of recently introduced high step-down converters have been analyzed. Then, in the third chapter, a new converter is presented that, in addition to the high reduction ratio, transfers power to the output from two paths. This causes the conductive losses of diodes and converter coils to decrease significantly. On the other hand, the output current of this converter is continuous and problems such as output voltage noise and electromagnetic interference (EMI) in the output of this converter will be minimized. It is also possible to use the bootstrap technique to drive the MOSFET gate of the switches in this converter, and there is no need to use a control circuit with isolated power supply to drive the switches. With the aim of reducing the output current ripple and also reducing double conduction losses in high currents, the second proposed converter is presented in the fourth chapter. In addition to having the advantages of the first proposed converter, this converter will have lower conduction losses at high output currents due to the two-phase output. Therefore, the use of this converter in high power and high current applications will have higher efficiency. These two converters are theoretically analyzed, the performance of each is investigated and the relevant equations are presented in each chapter. Also, the simulation of these two converters has been done and the size of magnetic elements and capacitors of the first converter has been compared with other converters. In order to verify the accuracy of the first proposed converter, a laboratory prototype with an input voltage of 400 V and an output voltage of 24 V for the output power of 200 W has been implemented, which has an efficiency of 96.55% at nominal load.
