رویکرد تجربی در طراحی مدار سوئیچینگ برای مبدل‌های باک سنکرون توان بالا

مزدک عبادی ¹ ( دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه اراک، اراک، ایران )
محمدامین بهرامیان ² ( دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه اراک، اراک، ایران )
علی اصغر قدیمی ³ ( دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه اراک، اراک، ایران )

تاريخ الإرسال : 18 الإثنين , شوال, 1444 تاريخ التأكيد : 03 السبت , صفر, 1445

الکلمات المفتاحية: مبدل باک, کنترل زمان مرده, راه اندازی نرم, توان بالا,

ملخص المقالة :

مبدل‌های باک غیرایزوله از راه حل‌های شناخته شده برای تولید ولتاژ DC قابل کنترل در سطوح توان متوسط و بالا هستند. در این بین مبدل‌های سنکرون به دلیل عدم وابستگی نسبت تبدیل ولتاژ به بار و پیوستگی جریان سلف، مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. اما کلیدزنی این مبدل‌ها در سطوح توانی بالاتر، در فرکانس‌های پایین‌تری صورت می‌گیرد. به همین دلیل مدار سوئیچینگ باید با زمان مرده بالاتری کار کند در این مقاله یک طرح مدار کاربردی آنالوگ و بدون استفاده از میکروکنترلر برای کلیدزنی مبدل باک سنکرون ارائه شده است که ضمن تضمین عدم ارسال همزمان پالس به کلیدها، مقدار زمان مرده قابل تنظیمی ارائه می‌دهد که با توجه به سطح ولتاژ و جریان کاری مدار قابل تغییر خواهد بود. پس از تحلیل شرایط لحظه روشن و خاموش شدن مدار، مشخص شد که در لحظه خاموشی جریان گذرای مخربی یه کلیدها اعمال می‌شود که این مقاله برای راه حل این موضوع استفاده از دو رله حالت جامد (SSR) سریع در مسیر سیگنال ورودی به ماژول گیت درایور پیشنهاد می‌دهد که بر روی نمونه اولیه دستگاه تست شده است. این مقاله همچنین با تحلیل شرایط لحظه روشن و خاموش شدن مدار، الزامات مورد نیاز مدار سوئیچینگ را برای اینکه جریان گذرای آسیب زننده‌ای از ترانزیستور دو قطبی با گِیت عایق شده (IGBT) عبور نکند ذکر می‌کند. نتایج آزمایش‌های تجربی روی یک مبدل DC/DC باک سنکرون 15 کیلووات با خروجی 300 ولت 50 آمپر نشان می‌دهد مدار سوئیچینگ طراحی شده به خوبی زمان مرده قابل تنظیم تا 6 میکروثانیه را در کلیدزنی این مبدل ایجاد کرده و شرایط پیوستگی جریان سلف را هم در بی باری و هم تحت بار فراهم کرده است. همچنین روش پیشنهادی به خوبی گذراهای لحظه روشن و خاموش شدن مدار را حذف کرده است.

المصادر:

[1] K. Yari, S.H. Shahalami, H. Mojallali, "High step-up isolated dc–dc converter with single input and double output and soft‐switching performance for renewable energy applications", IET Power Electronics, vol. 12, no. 11, pp. 2942-2952, Sept. 2019 (doi: 10.1049/iet-pel.2019.0450).

[2] L. Mei, D. Williams, W. Eberle, "A synchronous buck converter using a new predictive analog dead-time control circuit to improve efficiency", Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 36, no. 4, pp. 181-187, Fall 2013 (doi: 10.1109/CJECE.2014.2303521).

[3] C.J. Chen, P.Y. Wang, S.T. Li, Y.M. Chen, Y.C. Chang, "An integrated driver with bang-bang dead-time control and charge sharing bootstrap circuit for gan synchronous buck converter", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 37, no. 8, pp. 9503-9514, Mar. 2022 (doi: 10.1109/TPEL.2022.3159717).

[4] C.-J. Chen, P.-K. Chiu, Y.-M. Chen, P.-Y. Wang, Y.-C. Chang, "An integrated driver with adaptive dead-time control for gan-based synchronous buck converter", IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 69, no. 2, pp. 539-543, Jul. 2021 (doi: 10.1109/TCSII.2021.3098310).

[5] M. Asad, A.K. Singha, and R.M.S. Rao, "Dead time optimization in a GaN-based buck converter", IEEE Trans. Power Electron., vol. 37, no. 3, pp. 2830-2844, Sep. 2021 (doi: 10.1109/TPEL.2021.3116126).

[6] A. N. Hopkins, P. Proynov, N. McNeill, B. H. Stark, P. H. Mellor, "Achieving efficiencies exceeding 99% in a super-junction 5-kW DC-DC converter power stage through the use of an energy recovery snubber and dead-time optimization", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 33, no. 9, pp. 7510-7520, Nov. 2017 (doi: 10.1109/TPEL.2017.2773459).

[7] Z. Peiravan, M. Delshad, M. Amini, "A new soft switching interleaved flyback converter with recovery leakage inductance energy", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 13, no. 50, pp.31-47, Sept. 2022 (dor: 20.1001.1.23223871.1401.13.50.2.3).

[8] M. Mirtalaei, M. Mohtaj, H.R. Karami, "Design and implementation of a high step-up boost-sepic hybrid converter with soft switching", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 6, no. 24, pp. 27-34, Mar. 2016 (dor: 20.1001.1.23223871.1394.6.24.3.3).

[9] S. Shabani, M. Delshad, R. Sadeghi, "A soft switched non-isolated high step-up dc-dc converter with low number of auxiliary elements", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 13, no. 51, pp. 123-136, Oct. 2022 (dor: 20.1001.1.23223871.1401.13.51.8.1).

[10] C. Wu, W.L. Goh, C.L. Kok, L. Siek, Y.H. Lam, X. Zhu, R.P. Singh, "Asymmetrical dead-time control driver for buck regulator", IEEE Trans. on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 24, no. 12, pp. 3543-3547, April 2016 (doi: 10.1109/TVLSI.2016.2551321).

[11] Q. Yan, X. Yuan, "A double-modulation-wave PWM for dead-time-effect elimination and synchronous rectification in SiC-device-based high-switching-frequency converters", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 35, no. 12, pp. 13500-13513, April 2020 (doi: 10.1109/TPEL.2020.2991583).

[12] B. Li, J. Xu, J. Ye, H. Wang, S. Huang, Y. Li, A. Shen, "A New Model-Based Dead-Time Compensation Strategy for Cascaded H-Bridge Converters", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 70, no. 4, pp. 3793-3802, June 2022 (doi: 10.1109/TIE.2022.3177757).

[13] Y. Zhang, C. Chen, Y. Xie, T. Liu, Y. Kang, H. Peng, "A high-efficiency dynamic inverter dead-time adjustment method based on an improved GaN HEMTs switching model", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 37, no. 3, pp. 2667-2683, Sep. 2021 (doi: 10.1109/TPEL.2021.3112694).

[14] N. Narasimman, R. Salahuddin, R.P. Singh, "An 86% efficiency multi-phase buck converter using time-domain compensator and adaptive dead-time control for DVS application", Proceeding of the IEEE/IECON, pp. 2255-2260, Singapore, Oct. 2020 (doi: 10.1109/IECON43393.2020.9255080).

[15] D. Sha, Y. Zhao, D. Zhang, "ZVS-interleaved synchronous buck DC–DC converter with a coupled inductor by varying switching frequency and deadtime", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 37, no. 7, pp. 8190-8198, Jan. 2022 (doi: 10.1109/TPEL.2022.3141253).

[16] L. Zhang, L. Ren, S. Bai, S. Sang, J. Huang, X. Zhang, "Self-adaption dead-time setting for the SiC MOSFET boost circuit in the synchronous working mode", IEEE Access, vol. 10, pp. 57718-57735, May 2022 (doi: 10.1109/ACCESS.2022.3179403).

[17] J. Wittmann, A. Barner, T. Rosahl, B. Wicht, "An 18 V input 10 MHz buck converter with 125 ps mixed-signal dead time control", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 51, no. 7, pp. 1705-1715, May 2016 ( doi: 10.1109/JSSC.2016.2550498).

[18] J. Tang, T. Guo, J. S. Kim, J. Roh, "A current-mode four-phase synchronous buck converter with dynamic dead-time control", IEEE Access, vol. 9, pp. 81078-81088, June 2021 (doi: 10.1109/ACCESS.2021.3085826).

[19] D. Luo, Y. Gao, P.K. Mok, "A gan driver for a bi-directional buck/boost converter with three-level v gs protection and optimal-point tracking dead-time control", IEEE Trans. on Circuits and Systems, vol. 69, no. 5, pp. 2212-2224, Feb. 2022 (doi: 10.1109/TCSI.2022.3146190).

[20] Z. Sun, K.W.R. Chew, H. Tang, L. Siek, "Adaptive gate switching control for discontinuous conduction mode DC–DC converter", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 29, no. 3, pp. 1311-1320, May 2013 (doi: 10.1109/TPEL.2013.2263579).

[21] Z. Zhang, H. Lu, D. J. Costinett, F. Wang, L.M. Tolbert, B.J. Blalock, "Model-based dead time optimization for voltage-source converters utilizing silicon carbide semiconductors", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 32, no. 11, pp. 8833-8844, Dec. 2016 (doi: 10.1109/TPEL.2016.2645578 ).

[22] Y. Zhang, W. Xu, Y. Xie, T. Liu, Z. Wu, C. Chen, Y. Kang, H. Peng, "Analysis of dead-time energy loss in GaN-based TCM converters with an improved GaN HEMT model", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 38, no. 2, pp. 1806-1818, Oct. 2022 (doi: 10.1109/TPEL.2022.3217456).

[23] C.H. Tsai, C.H. Yang, J.H. Shiau, B.T. Yeh, "Digitally controlled switching converter with automatic multimode switching", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 29, no. 4, pp. 1830-1839, May 2013 (doi: 10.1109/TPEL.2013.2265297).

[24] L. Wang, Q. Zhu, W. Yu, A.Q. Huang, "A medium-voltage medium-frequency isolated DC–DC converter based on 15-kV SiC MOSFETs", IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 5, no. 1, pp. 100-109, Dec. 2016 (doi: 10.1109/JESTPE.2016.2639381).

[25] Z. Yao S. Lu, "A simple approach to enhance the effectiveness of passive currents balancing in an interleaved multiphase bidirectional DC–DC converter", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 34, no. 8, pp. 7242-7255, Nov. 2018 (doi: 10.1109/TPEL.2018.2881058).

[26] J. Zhang, J.S. Lai, R.Y. Kim, W. Yu, "High-power density design of a soft-switching high-power bidirectional dc–dc converter", IEEE Trans. on power electronics, vol. 22, no. 4, pp. 1145-1153, July 2007 (doi: 10.1109/TPEL.2007.900462).

[27] J. Hu, Z. Yang, S. Cui, R.W. Doncker, "Closed-form asymmetrical duty-cycle control to extend the soft-switching range of three-phase dual-active-bridge converters", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 36, no. 8, pp. 9609-9622, Jan. 2021 (doi: 10.1109/TPEL.2021.3055369).

[28] D. Liu, F. Deng, Z. Chen, "Five-level active-neutral-point-clamped DC/DC converter for medium-voltage DC grids", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 32, no. 5, pp. 3402-3412, June 2016 (doi: 10.110­9/TP­EL.2­016.2585618).