یک مبدل جدید درجه دو DC/DC با بهره ولتاژ بسیار بالا و استرس جریان کم

الموضوعات :

سید جمال الدین حسینی ¹ , سارا حسن پور ² , غضنفر شاهقلیان ³ , مجید معظمی ⁴ , امیر بکتاش ⁵

1 - دانشکده مهندسی برق، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران
2 - دانشکده مهندسي برق، واحد رامسر، دانشگاه آزاد اسلامی، رامسر، ایران
3 - دانشکده مهندسی برق، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران
4 - دانشکده مهندسی برق، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران
5 - دانشکده مهندسی برق، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

تاريخ الإرسال : 19 الجمعة , صفر, 1446 تاريخ التأكيد : 02 الإثنين , جمادى الأولى, 1446 تاريخ الإصدار : 01 الجمعة , شوال, 1447

الکلمات المفتاحية: مبدل جریان مستقیم بهره‌بالا, مبدل درجه دوم, تقسیم جریان, سلف تزویج‌شده, جریان ورودی پیوسته,

ملخص المقالة :

این مقاله یک مبدل درجه دوم دوسوئیچه جریان مستقیم جدید با نرخ بهره ولتاژ بسیار بالا، تنش جریان کم و ریپل جریان ورودی کم برای کاربردهای انرژی‌های تجدیدپذیر معرفی می‌کند. این توپولوژی پیشنهادی از یک سلف تزویج‌شده و سلول‌های ضرب‌کننده ولتاژ برای دستیابی به نسبت تبدیل ولتاژ فوق‌العاده بالا استفاده می‌کند. مزایای اصلی ساختار پیشنهادی شامل نسبت تبدیل ولتاژ فوق‌العاده بالا آن، تنش‌های ولتاژ و جریان کم، زمین مشترک بین طرفهای ورودی و خروجی و همچنین جریان ورودی پیوسته با ریپل کم است. همچنین، در مبدل پیشنهادی، تقسیم جریان بین اجزای مغناطیسی شامل سلف تزویج‌شده و سلف ورودی منجر به کاهش سطح جریان عبوری آنها می‌شود که تلفات توان کلی اجزای مغناطیسی و سوئیچ‌های قدرت را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، تنش‌های ولتاژ روی سوئیچ‌های اکتیو مبدل پیشنهادی با استفاده از مدارهای کلمپ پسیو قابل بازیافت محدود می‌شود. اصول عملکرد، تجزیه و تحلیل حالت پایدار، مطالعه مقایسه‌ای، برآورد راندمان و همچنین ملاحظات طراحی مدار معرفی‌شده به تفصیل ارائه شده است. در نهایت، برای صحت‌سنجی عملکرد مبدل ارائه شده، یک نمونه اولیه (200 وات، 25 ولت - 400 ولت) پیاده‌سازی شده است. با توجه به نتایج تجربی، توپولوژی پیشنهادی می‌تواند ولتاژ خروجی جریان مستقیم 400 ولت را با بازده حدود 96.2 درصد ارائه دهد. علاوه بر این، تنش ولتاژ روی سوئیچ قدرت مبدل به حدود 15 درصد ولتاژ جریان مستقیم خروجی محدود می‌شود.

المصادر:


[1] J. M. Carrasco et al., "Power-electronic systems for the grid integration of renewable energy sources: A survey," IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 53, no. 4, pp. 1002-1016, 2006, doi: 10.1109/TIE.2006.878356.
[2] Q. Li and P. Wolfs, "A review of the single phase photovoltaic module integrated converter topologies with three different DC link configurations," IEEE Transactions on power electronics, vol. 23, no. 3, pp. 1320-1333, 2008, doi: 10.1109/TPEL.2008.920883.
[3] J. T. Bialasiewicz, "Renewable energy systems with photovoltaic power generators: Operation and modeling," IEEE Transactions on industrial Electronics, vol. 55, no. 7, pp. 2752-2758, 2008. doi:10.1109/TIE.2008.920583.
[4] K.-C. Tseng, C.-C. Huang, and W.-Y. Shih, "A high step-up converter with a voltage multiplier module for a photovoltaic system," IEEE transactions on power electronics, vol. 28, no. 6, pp. 3047-3057, 2012, doi: 10.1109/TPEL.2012.2217157.
[5] V. V. Scarpa, S. Buso, and G. Spiazzi, "Low-complexity MPPT technique exploiting the PV module MPP locus characterization," IEEE transactions on industrial electronics, vol. 56, no. 5, pp. 1531-1538, 2008, doi: 10.1109/TIE.2008.2009618.
[6] W. Li, L. Fan, Y. Zhao, X. He, D. Xu, and B. Wu, "High-step-up and high-efficiency fuel-cell power-generation system with active-clamp flyback–forward converter," IEEE transactions on Industrial Electronics, vol. 59, no. 1, pp. 599-610, 2011, doi: 10.1109/TIE.2011.2130499.
[7] Y. Zheng, B. Brown, W. Xie, S. Li, and K. Smedley, "High step-up DC–DC converter with zero voltage switching and low input current ripple," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 9, pp. 9416-9429, 2020, doi: 10.1109/TPEL.2020.2968613.
[8] Q. Zhao and F. C. Lee, "High-efficiency, high step-up DC-DC converters," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 18, no. 1, pp. 65-73, 2003, doi: 10.1109/TPEL.2002.807188.
[9] W. Li and X. He, "Review of nonisolated high-step-up DC/DC converters in photovoltaic grid-connected applications," IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 58, no. 4, pp. 1239-1250, 2010, doi: 10.1109/TIE.2010.2049715.
[10] C.-T. Pan, C.-F. Chuang, and C.-C. Chu, "A novel transformer-less adaptable voltage quadrupler DC converter with low switch voltage stress," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 9, pp. 4787-4796, 2013, doi: 10.1109/TPEL.2013.2287020.
[11] S. Chakraborty, M. G. Simões, and W. E. Kramer, "Power electronics for renewable and distributed energy systems," A Sourcebook of Topologies, Control and Integration, vol. 99, p. 100, 2013.
[12] L. Huber and M. M. Jovanovic, "A design approach for server power supplies for networking applications," in APEC 2000. Fifteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (Cat. No. 00CH37058), 2000, vol. 2: IEEE, pp. 1163-1169, doi: 10.1109/APEC.2000.822834.
[13] T.-F. Wu and T.-H. Yu, "Unified approach to developing single-stage power converters," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 34, no. 1, pp. 211-223, 1998, doi: 10.1109/7.640279.
[14] B.-R. Lin, H.-H. Lu, and Y.-L. Hou, "Single-phase power factor correction circuit with three-level boost converter," in ISIE'99. Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics (Cat. No. 99TH8465), 1999, vol. 2: IEEE, pp. 445-450, doi: 10.1109/ISIE.1999.798653.
[15] T.-J. Liang and K. Tseng, "Analysis of integrated boost-flyback step-up converter," IEE Proceedings-Electric Power Applications, vol. 152, no. 2, pp. 217-225, 2005.
[16] D. Vinnikov and I. Roasto, "Quasi-Z-source-based isolated DC/DC converters for distributed power generation," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 1, pp. 192-201, 2010, doi: 10.1109/TIE.2009.2039460.
[17] M. Nymand and M. A. Andersen, "High-efficiency isolated boost DC–DC converter for high-power low-voltage fuel-cell applications," IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 57, no. 2, pp. 505-514, 2009, doi: 10.1109/TIE.2009.2036024.
[18] G. Wu, X. Ruan, and Z. Ye, "Nonisolated high step-up DC–DC converters adopting switched-capacitor cell," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 1, pp. 383-393, 2014, doi: 10.1109/TIE.2014.2327000.
[19] W. Li and X. He, "Review of nonisolated high-step-up DC/DC converters in photovoltaic grid-connected applications," IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 58, no. 4, pp. 1239-1250, 2010, doi: 10.1109/TIE.2010.2049715.
[20] Q. Zhao and F. C. Lee, "High performance coupled-inductor DC-DC converters," in Proc. IEEE APEC, 2003, vol. 3, pp. 109-113, doi: 10.1109/APEC.2003.1179184.
[21] E. Adib and H. Farzanehfard, "Zero-voltage transition current-fed full-bridge PWM converter," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 4, pp. 1041-1047, 2009, doi: 10.1109/TPEL.2008.2011553.
[22] Y. Zheng, B. Brown, W. Xie, S. Li, and K. Smedley, "High step-up DC–DC converter with zero voltage switching and low input current ripple," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 9, pp. 9416-9429, 2020, doi: 10.1109/TPEL.2020.2968613.
[23] M. Forouzesh, Y. P. Siwakoti, S. A. Gorji, F. Blaabjerg, and B. Lehman, "Step-up DC–DC converters: a comprehensive review of voltage-boosting techniques, topologies, and applications," IEEE transactions on power electronics, vol. 32, no. 12, pp. 9143-9178, 2017, doi: 10.1109/TPEL.2017.2652318.
[24] G. Palumbo and D. Pappalardo, "Charge pump circuits: An overview on design strategies and topologies," IEEE Circuits and Systems Magazine, vol. 10, no. 1, pp. 31-45, 2010, doi: 10.1109/MCAS.2009.935695.
[25] J. A. Starzyk, Y.-W. Jan, and F. Qiu, "A DC-DC charge pump design based on voltage doublers," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 48, no. 3, pp. 350-359, 2001, doi: 10.1109/81.915390.
[26] M. D. Seeman and S. R. Sanders, "Analysis and optimization of switched-capacitor DC–DC converters," IEEE transactions on power electronics, vol. 23, no. 2, pp. 841-851, 2008. doi:10.1109/TPEL.2007.915182
[27] M. S. Makowski, "Realizability conditions and bounds on synthesis of switched-capacitor DC-DC voltage multiplier circuits," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 44, no. 8, pp. 684-691, 1997, doi: 10.1109/81.611263.
[28] Y. Lei and R. C. N. Pilawa-Podgurski, "A general method for analyzing resonant and soft-charging operation of switched-capacitor converters," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 10, pp. 5650-5664, 2014, doi: 10.1109/TPEL.2014.2377738.
[29] H. S.-H. Chung, "Design and analysis of a switched-capacitor-based step-up DC/DC converter with continuous input current," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 46, no. 6, pp. 722-730, 1999, doi: 10.1109/81.768828.
[30] B. W. Williams, "Unified synthesis of tapped-inductor DC-to-DC converters," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 10, pp. 5370-5383, 2013, doi: 10.1109/TPEL.2013.2291561.
[31] T.-F. Wu, Y.-S. Lai, J.-C. Hung, and Y.-M. Chen, "Boost converter with coupled inductors and buck–boost type of active clamp," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 1, pp. 154-162, 2008, doi: 10.1109/TIE.2007.903925.
[32] S. Shabani, M. Delshad, R. Sadeghi, and H. H. Alhelou, "A high step-up PWM non-isolated DC-DC converter with soft switching operation," IEEE Access, vol. 10, pp. 37761-37773, 2022. doi: 10.1109/ACCESS.2022.3163146.