Reliability Analysis of Buck Converter Considering Failure of Composed Components

Subject Areas :

Amir Ghaedi ¹

1 - Department of Electrical Engineering, Dariun Branch, Islamic Azad University, Dariun, Iran

Received: 2024-04-14 Accepted : 2024-05-18 Published : 2024-06-17

Keywords: buck converter, reliability, failure rate, temperature variation, semiconductors ,

Abstract :

Development in manufacturing of power electronic devices including power diodes, tyristors, switches and transistors such as IGBTs, makes these devices are frequently used in power system. These converters are categorized in four groups including inverters (DC-AC), rectifiers (AC-DC), choppers (DC-DC) and AC-AC converters. The most well-known DC-DC converters are buck, boost, buck-boost and Cuk. Reliability, the ability of a device for performing itself function, is an important topic of power system. In the reliability analysis of a device, different failure modes are taken into account to calculate the failure rate of different components of them for determining its availability. In this paper, reliability of buck converter as a step-down converter is studied. This converter includes inductor, capacitor, diode and transistor. Thus, for evaluating reliability performance of buck converter, the impact of components failure on overall failure of converter is considered. Due to the sensitivity of electronic devices on temperature variation, the impact of temperature variation on the components failure is studied

References:

[1] S. Palanidoss and T. V. S. Vishnu, “Experimental analysis of conventional buck and boost converter with integrated dual output converter,” International Conference on Electrical, Electronics, Communication, Computer, and Optimization Techniques (ICEECCOT), 2017.
[2] P. V. Anushka, N. Mani, and K. Issac, “Switched-inductor semi-quadratic buck converter,” International Conference on Technological Advancements in Power and Energy ( TAP Energy), Dec. 2017.
[3] S. B. Myneni and S. Samanta, “Time Domain Analysis of Isolated Buck (F1y-Buck) Converter,” IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES), 2018.
[4] K. Eduardo et al., “Interval Robust Controller to Minimize Oscillations Effects Caused by Constant Power Load in a DC Multi-Converter Buck-Buck System,” vol. 7, pp. 26324–26342, Feb. 2019.
[5] C. Deekshitha and K. Latha Shenoy, “Design and simulation of synchronous buck converter for LED application,” 2nd IEEE International Conference on Recent Trends in Electronics, Information & Communication Technology (RTEICT), 2017.
[6] A. Reatti, F. Corti, A. Tesi, A. Torlai, and M. K. Kazimierczuk, “Effect of Parasitic Components on Dynamic Performance of Power Stages of DC-DC PWM Buck and Boost Converters in CCM,” IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019.
[7] A. Sadeghfam, S. Tohidi, and M. Abapour, “Reliability comparison of different power electronic converters for grid-connected PMSG wind turbines,” International Transactions on Electrical Energy Systems, vol. 27, no. 9, p. e2359, Mar. 2017.
[8] B. Abdi, S. M. M. Mirtalaei, and R. Ghasemi, “Reliability of MPPT Converter in Different Operating Modes,” International Journal of Machine Learning and Computing, pp. 274–278, 2013.
[9] M. K. Alam and F. H. Khan, “Reliability Analysis and Performance Degradation of a Boost Converter,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, no. 6, pp. 3986–3994, 2014.
[10] H. Tarzamni, F. Tahami, M. Fotuhi-Firuzabad, and F. Panahandeh Esmaeelnia, “Reliability Analysis of Buck-Boost Converter Considering the Effects of Operational Factors,” 10th International Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC), 2019.
[11] S. Peyghami, P. Palensky, and F. Blaabjerg, “An Overview on the Reliability of Modern Power Electronic Based Power Systems,” IEEE Open Journal of Power Electronics, vol. 1, pp. 34–50, 2020.
[12] Y. A. Mahmood, A. H. S. Garmabaki, Alireza. Ahmadi, and A. K. Verma, “Reliability model for frequency converter in electrified railway,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 94, pp. 385–392, Jan. 2018.
[13] M. Liu, W. Li, C. Wang, R. Billinton, and J. Yu, “Reliability Evaluation of a Tidal Power Generation System Considering Tidal Current Speeds,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 31, no. 4, pp. 3179–3188, Jul. 2016.
[14] M. LIU, W. LI, J. YU, Z. REN, and R. XU, “Reliability evaluation of tidal and wind power generation system with battery energy storage,” Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, vol. 4, no. 4, pp. 636–647, Sep. 2016.
[15] S. Bala, None Jiuping Pan, G. Barlow, G. Brown, and S. Ebner, “Power conversion systems for tidal power arrays,” 5th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG) (pp. 1-7). 2014.
[16] . Zhou, L. Wang, Y. Gan, H. Luo, Y.-F. Liu, and P. C. Sen, “Accurate Analysis and Design of the Circuit Parameters of LLC DC–DC Converter With Synchronous Rectification,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 37, no. 12, pp. 15051–15065, Dec. 2022.
[17] P. Alavi, E. Babaei, P. Mohseni, and V. Marzang, “Study and analysis of a DC–DC soft‐switched buck converter,” IET Power Electronics, vol. 13, no. 7, pp. 1456–1465, May 2020.
[18] J.-P. Lee, H. Cha, D. Shin, K.-J. Lee, D.-W. Yoo, and J.-Y. Yoo, “Analysis and Design of Coupled Inductors for Two-Phase Interleaved DC-DC Converters,” Journal of Power Electronics, vol. 13, no. 3, pp. 339–348, May 2013.
[19] R. W. Erickson and D. Maksimović, Fundamentals of Power Electronics. Cham: Springer International Publishing, 2020.
[20] R. Billinton, R. N. Allan, “Reliability Evaluation of Power Systems,” Plenum Press, Newyork and London, 2nd Edition, 1994.
[21] J. W. Harms, “Revision of MIL-HDBK-217, Reliability Prediction of Electronic Equipment,” Proceedings-Annual Reliability and Maintainability Symposium (RAMS), 2010.
[22] H. Tarzamni et al., “Thermal analysis of non‐isolated conventional PWM‐based DC–DC converters with reliability consideration,” IET Power Electronics, vol. 14, no. 2, pp. 337–351, Dec. 2020.

Full-Text:



Journal of Systems Smartening and Data Processing

Vol. 2- No. 1 - Spring 2024

 

 

Reliability Analysis of Buck Converter Considering Failure of Composed Components 

 

Amir Ghaedi, Associate Professor

 

Department of Electrical Engineering, Dariun Branch, Islamic Azad University, Dariun, Iran

[e-mail]

 

 

Received: 14 April 2024

Revised: 05 May 2024

Accepted: 18 May 2024

 

 

Abstract: 

Development in manufacturing of power electronic devices including power diodes, tyristors, switches and transistors such as IGBTs, makes these devices are frequently used in power system. These converters are categorized in four groups including inverters (DC-AC), rectifiers (AC-DC), choppers (DC-DC) and AC-AC converters. The most well-known DC-DC converters are buck, boost, buck-boost and Cuk. Reliability, the ability of a device for performing itself function, is an important topic of power system. In the reliability analysis of a device, different failure modes are taken into account to calculate the failure rate of different components of them for determining its availability. In this paper, reliability of buck converter as a step-down converter is studied. This converter includes inductor, capacitor, diode and transistor. Thus, for evaluating reliability performance of buck converter, the impact of components failure on overall failure of converter is considered. Due to the sensitivity of electronic devices on temperature variation, the impact of temperature variation on the components failure is studied.

 

Keywords: buck converter, reliability, failure rate, temperature variation, semiconductors 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Corresponding Author: Dr. Amir Ghaedi 

Corresponding Author Address: Department of Electrical Engineering- Dariun Branch -Islamic Azad University- Dariun, Iran 

 

 

ارزیابی قابلیت اطمینان مبدل باک با در نظر گرفتن خرابی اجزای تشکیل دهنده

 

امیر قائدی، دانشیار

 

دانشکده مهندسي برق- واحد داریون، دانشگاه آزاد اسلامی، داریون، ايران

[e-mail]

 

 

تاریخ ارسال مقاله: 26/01/1403

تاریخ بازنگری مقاله: 16/02/1403

تاریخ پذیرش مقاله: 29/02/1403

 

چكيده: پیشرفت تکنولوژی ساخت تجهیزات الکترونیک قدرت شامل دیودهای قدرت، تریستورها، کلیدها و ترانزیستورهای قدرت نظیر IGBT سبب شده است این تجهیزات کاربرد زیادی در سیستم قدرت داشته باشند. این مبدل­ها در چهار دسته اینورترها (DC-AC)، یکسوسازها (AC-DC)، چاپرها (DC-DC) و مبدل­های AC-AC قرار می­گیرند. مهم­ترین مبدل­های DC-DC، باک، بوست، باک-بوست و چوک می­باشد. قابلیت اطمینان به معنای توانایی یک سیستم در تداوم کار محول شده به آن می­باشد و در سال­های اخیر اهمیت زیادی به ویژه در سیستم قدرت پیدا کرده است. در بررسی قابلیت اطمینان یک تجهیز، مودهای مختلف خرابی آن مورد توجه قرار گرفته و نرخ خرابی اجزای تشکیل دهنده آن تجهیز به منظور تعیین دسترس­پذیری آن محاسبه می­گردد. در این مقاله ارزیابی قابلیت اطمینان مبدل­های باک صورت می­گیرد. مبدل باک یک مبدل کاهنده می­باشد که ولتاژ DC را کاهش می­دهد. در ساختار این مبدل از سلف، خازن، دیود و ترانزیستور استفاده می­شود. بنابراین به منظور تعیین مدل قابلیت اطمینان این مبدل بایستی تاثیر خراب شدن هر کدام از این اجزا بر خرابی کل مبدل مورد مطالعه قرار بگیرد. به علاوه با توجه به اینکه المان­های الکترونیکی نسبت به تغییرات دما حساس هستند بایستی تاثیر تغییرات دما بر نرخ خرابی این تجهیزات مورد بررسی قرار بگیرد.

 

کلمات کلیدی: مبدل باک، قابلیت اطمینان، نرخ خرابی، تغییرات دما، نیمه هادی­ها

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نام نویسنده­ی مسئول: دکتر امیر قائدی

نشانی نویسنده­ی مسئول: داریون- دانشگاه آزاد اسلامی واحد داریون- دانشکده مهندسی برق

1- مقدمه

در سال­های اخیر با پیشرفت تکنولوژی ساخت نیمه­هادی­ها و تجهیزات الکترونیک قدرت، قیمت تمام شده این تجهیزات کاهش یافته و بنابراین کاربرد آن­ها در شبکه قدرت افزایش یافته است. مبدل­های الکترونیک قدرت به منظور تبدیل ولتاژ از حالت AC به DC، DC به AC، DC به DC و AC به AC مورد استفاده قرار می­گیرند. در این تبدیل ولتاژ­ها معمولا دامنه ولتاژ نیز تغییر می­کند. با توجه به اینکه در شبکه قدرت تجهیزات مختلفی وجود دارند که برخی از آن­ها از برق DC استفاده می­کنند و برخی دیگر از برق AC، بنابراین هر دو حالت برق بایستی در شبکه قدرت موجود باشد. بر همین اساس یکسوسازها به منظور تبدیل ولتاژ از حالت AC به DC و اینورترها به منظور تبدیل ولتاژ از حالت DC به AC مورد استفاده قرار می­گیرند. علاوه بر این دو مبدل مهم، مبدل­های الکترونیک قدرت که به چاپرها معروفند به منظور تبدیل سطح ولتاژ از حالت DC به DC مورد استفاده قرار می­گیرند. با توجه به اینکه تجهیزات مختلفی در شبکه برق وجود دارند که با برق DC کار می­کنند و دامنه ولتاژ نامی این تجهیزات نیز مختلف می­باشد، مبدل­های DC به DC به منظور تولید ولتاژ DC در سطوح مختلف کاربرد زیادی در شبکه قدرت داشته و لذا مطالعه آن­ها از اهمیت زیادی برخوردار است.

از طرف دیگر عملکرد بدون خرابی تجهیزات مختلف به منظور تداوم سرویس­دهی در صنعت برق اهمیت پیدا کرده است. این مفهوم در قالب قابلیت اطمینان بیان می­گردد. قابلیت اطمینان یک تجهیز به عملکرد سالم و بدون خرابی تجهیز اشاره دارد و در مطالعات قابلیت اطمینان سعی می­گردد تا جایی که امکان دارد و به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است قابلیت اطمینان یک تجهیز بالا باشد تا احتمال خراب شدن آن کمتر شود. بر همین اساس لازم است قابلیت اطمینان مبدل­های الکترونیک قدرت از جمله مبدل­های  DC به DC مورد بررسی قرار بگیرد. مبدل­های DC به DC نیز انواع مختلفی دارد که یک نمونه از انواع پرکاربرد آن مبدل­های باک می­باشد. مبدل باک یک نمونه مبدل کاهنده ولتاژ است که در این مقاله هدف مطالعه قابلیت اطمینان آن می­باشد. در مبدل­های باک از نیمه­هادی­ها به مانند دیود و ترانزیستور استفاده می­شود که این تجهیزات حساسیت بالایی نسبت به دما دارند. با تغییر دما، نرخ خرابی این نیمه­هادی­ها و در نتیجه نرخ خرابی مبدل باک تغییر می­کند که بایستی مورد بررسی قرار بگیرد. بر همین اساس پژوهشگران زیادی به مطالعه قابلیت اطمینان مبدل­ها پرداخته­اند.

در [1] تحلیل آزمایشگاهی دو مبدل باک و بوست به عنوان دو مبدل مهم DC به DC صورت گرفته است. در [2] یک مبدل باک نیمه درجه دوم که مجهز به سلف کلیدزنی شده می­باشد، بررسی شده است. این ساختار در واقع ساختار اصلاح شده مبدل باک مرتبه پنجم دارای دو کلید نیمه درجه دوم و از خانواده مینیمم فاز می­باشد. در این توپولوژی یک سلف کلیدزنی شده با مبدل باک نیمه درجه دوم ترکیب شده تا بتواند نسبت تبدیل ولتاژ بالاتری را انجام دهد. به این منظور انرژی مغناطیسی کمتری در این سلف ذخیره می­شود. نتایج نشان می­دهد که استرس جریان در المان­های کلیدزنی کمتر می­باشد که سبب ماهش تلفات هدایت در این مبدل­ها می­شود. در [3] تحلیل حوزه زمان برای مبدل باک و همچنین مبدل فلایبک صورت گرفته است. در این مقاله مبدل باک ایزوله که دارای چندین خروجی می­باشد با و بدون در نظر گرفتن اثر پارازیتی در مود هدایت پیوسته مورد مطالعه قرار گرفته است. تحلیل حالت زمان صورت گرفته در این مطالعه به منظور بررسی رفتار حالت­های گذرا و پایدار مبدل در مود سریع­تر و دقیق­تر انجام گرفته است. در [4] کنترل مقاوم معکوس به منظور مینیمم نمودن اثرات نوسانی ایجاد شده توسط بار ثابت در مبدل­های باک مورد استفاده قرار گرفته است. در این مقاله سیستم با چندین مبدل که از مبدل­های سری شده تشکیل شده است مورد بررسی قرار گرفته است. در این سیستم مبدل پایه به منظور ایجاد و تنظیم ولتاژ DC صاف استفاده شده و سایر مبدل­ها که مبدل بار می­باشند جهت تبدیل نمودن ولتاژ باس واسطه به خروجی تنظیم شده به کار می­روند. در [5] شبیه­سازی و طراحی یک مبدل باک سنکرون به منظور استفاده در سیستم LED صورت گرفته است. در [6] تاثیر اجزای پارازیتی بر عملکرد دینامیکی مبدل­های باک و بوست مبتنی بر PWM در مود هدایت پیوسته مورد بررسی قرار گرفته است. در این مقاله یک تکنیک غیرخطی برای مدل نمودن این­گونه مبدل­ها مورد استفاده قرار گرفته است و بر اساس آن مبدل­ها در نرم­افزار متلب و در محیط سیمولینک این نرم­افزار در دو حالت همراه با اجزای پارازیتی (مبدل غیر ایده­آل) و بدون آن (مبدل ایده­آل) شبیه­سازی شده و مورد مطالعه قرار گرفته شده­اند. روش به کار رفته در این مقاله مبتنی بر محاسبه تحلیلی راه­حل­های پریودیک در شرایط کارکرد حالت ماندگار فرکانس بالا بوده که منجر به تحلیل سیستماتیک رفتار دینامیکی القا شده توسط منابع اغتشاش مختلف می­شود. در [7] مبدل­های الکترونیک قدرت مختلفی که در توربین­های بادی مجهز به ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم مورد استفاده قرار می­گیرند در شرایطی که توربین بادی در مود متصل به شبکه کار می­کند به لحاظ قابلیت اطمینان مورد مطالعه قرار گرفته­اند. در [8] قابلیت اطمینان مبدل دنبال کننده توان ماکزیمم که در نیروگاه­های فتوولتاییک به منظور قرار دادن نقطه کار نیروگاه در نقطه توان ماکزیمم به کار می­رود مورد بررسی قرار گرفته است. در [9] قابلیت اطمینان مبدل بوست مورد بررسی قرر گرفته است. در این مقاله فرض شده است مبدل در دوره عمر مفید خود می­باشد و در این دوره نرخ خرابی تجهیزات مبدل ثابت می­باشد. در [10] قابلیت اطمینان مبدل باک بوست مورد بررسی قرار گرفته و اثر تغییرات فاکتورهای بهره­برداری مختلف بر قابلیت اطمینان این مبدل­ها بررسی شده است. در [11] روش کلی مطالعه قابلیت اطمینان مبدل­های الکترونیک قدرت بیان شده است. در این مقاله در دو دوره عمر مفید مبدل و زمان فرسودگی آن، مطالعات قابلیت اطمینان انجام شده است. در [12] مدل قابلیت اطمینان مبدل­های فرکانس که در قطارهای برقی مورد استفاده قرار می­گیرند مورد مطالعه قرار گرفته است. در [13] ارزیابی قابلیت اطمینان یک سیستم تولید توان الکتریکی جزرومدی نوع جریانی با در نظر گرفتن تغییرات سرعت­ جریان­های جزرومدی صورت گرفته است. در [14] ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم­های تولید جزرومدی و بادی با در نظر گرفتن ذخیره­ساز انرژی از نوع باتری صورت گرفته است.  در [15] ساختارهای مختلف الکتریکی با توجه به مبدل­های الکترونیک قدرتی که می­تواند مورد استفاده قرار بگیرد برای مزارع جزرومدی آورده شده است. در [16] مدلسازی ریاضی و شبیه­سازی مبدل باک سنکرون و تحلیل نتایج به دست آمده از شبیه­سازی انجام شده است. در این مقاله مدلسازی ریاضی مبدل بر اساس مدل واقع در سیمولینک نرم­افزار متلب انجام شده است. مقاله [17] مقایسه بین مبدل باک dc به dc و مبدل باک کلیدزنی ولتاژ صفر را انجام داده است. در این مقاله توان ورودی و خروجی این دو مبدل با هم مقایسه شده و مبدل باک حلقه باز با ولتاژ ورودی 20 ولت و ولتاژ خروجی 10 ولت بر اساس دو نوع مبدل گفته شده طراحی شده است. در [18] طراحی و تحلیل مبدل باک اینترلیو دو فاز که برای استفاده در خودروهای الکتریکی مناسب است صورت گرفته است. در این مقاله یک مبدل باک dc به dc با بازده بالا برای خودروهای برقی دو چرخه طراحی شده و عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفته است.

در این مقاله هدف بررسی قابلیت اطمینان مبدل­های باک و مطالعه اثر تغییرات جریان الکتریکی بر نرخ خرابی مبدل می­باشد؛ لذا ساختار این تحقیق به صورت زیر خواهد بود: در بخش دوم مبدل­های باک، اجزای تشکیل دهنده و روابط مربوطه آورده می­شود. بخش سوم به مطالعه قابلیت اطمینان مبدل­های باک و تعیین روابط نرخ خرابی تجهیزات تشکیل دهنده این مبدل و وابستگی آن­ها به جریان الکتریکی می­پردازد. در این بخش مدل قابلیت اطمینان مبدل باک تعیین می­گردد. نتایج شبیه­سازی نیز در بخش چهارم آورده شده و نتیجه­گیری نیز در بخش پنجم بیان می­گردد.

 

2- مبدل باک

ساختار یک مبدل باک در شکل (1) نشان داده شده است. همانگونه که در این شکل مشخص است اجزای اصلی تشکیل دهنده مبدل باک شامل ترانزیستور یا کلید، دیود، سلف، خازن و سیستم کنترل جهت کنترل لحظه باز و بسته شدن کلید جهت دستیابی به سطح ولتاژ مورد نظر می­باشد. در شکل (2) نیز شکل موج ولتاژ و جریان سلف در مبدل باک برای شرایطی که مبدل در مود پیوسته کار می­کند نشان داده شده است. در صورتی که مبدل در مود پیوسته کار کند نسبت ولتاژ خروجی به ورودی مبدل برابر با D می­باشد که این پارامتر همان دیوتی سایکل است. دیوتی سایکل در واقع درصدی از دوره تناوب کلیدزنی است که ترانزیستور روشن می­باشد. نمودار جریان ورودی مبدل باک که همان جریانی است که مبدل از شبکه یا منبع تغذیه DC می­کشد در شکل (3) آورده شده است [19].

به منظور بیان تفاوت بین مود پیوسته و ناپیوسته شکل موج جریان سلف و دیود در مبدل باک در مودهای پیوسته، مرز بین مود پیوسته و ناپیوسته و مود ناپیوسته رسم شده است. در شکل (4)، شکل موج جریان سلف و جریان دیود برای مود پیوسته رسم شده است. در این مود میزان ریپل جریان سلف کم بوده و بنابراین جریان به صفر نمی­رسد. در شکل (5) شکل موج جریان سلف و دیود در مرز بین مود پیوسته و مود ناپیوسته رسم شده است.

 

شکل (1): ساختار مبدل باک [19]

 

شکل (2): شکل موج ولتاژ و جریان سلف [19]

 

شکل (3): نمودار جریان ورودی مبدل باک [19]

 

شکل (4): شکل موج جریان سلف و جریان دیود [19]

 

شکل (5): جریان سلف و جریان دیود در مرز بین مود پیوسته و ناپیوسته 

همانگونه که در این شکل مشخص است جریان سلف به صفر می­رسد اما در مقدار صفر تداوم ندارد. در این شرایط میزان ریپل جریان سلف با مقدار DC آن برابر می­باشد. بنابراین در تعیین مود پیوسته و مود ناپیوسته مبدل باک بایستی میزان ریپل جریان سلف تعیین گردد. میزان ریپل جریان سلف در مبدل باک عبارت است از [19]:

(1)

در رابطه فوق Vg ولتاژ ورودی، Ts دوره تناوب کلیدزنی و L اندوکتانس سلف مورد استفاده در مبدل می­باشد. شکل موج جریان سلف و جریان دیود در مود ناپیوسته نیز در شکل (6) نشان داده شده است. همانگونه که در این شکل مشخص است ریپل جریان سلف از مقدار DC آن بزرگتر است و لذا جریان سلف و دیود صفر می­شود و می­خواهد تغییر پلاریته دهد و منفی شود. با توجه به اینکه دیود فقط جریان­های مثبت را عبور می­دهد جریان صفر می­ماند و تغییر پلاریته نمی­دهد.

 

شکل (6): جریان سلف و دیود در مود ناپیوسته [19]

در صورتی که مبدل باک بخواهد در مود پیوسته کار کند بایستی رابطه زیر برقرار باشد [19]:

(2)

در رابطه فوق R مقاومت بار می­باشد. با تغییر دیوتی سایکل و مقاومت بار مبدل باک می­تواند در مود پیوسته یا ناپیوسته کار کند. البته بیشترین مقدار Kcrit در مبدل باک 1 است و در صورتی که مقدار K از 1 بیشتر باشد می­توان گفت که مبدل همواره در مود پیوسته کار می­کند زیرا در این صورت به ازای دیوتی سایکل­های مختلف همواره شرایط مود پیوسته برقرار می­باشد. در حالت کارکرد مبدل در مود ناپیوسته، در هر دوره تناوب سه حالت وجود دارد. حالت اول ترانزیستور روشن است و ولتاژ دو سر سلف برابر با اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی است. حالت دوم ترانزیستور خاموش بوده و دیود هدایت می­کند و ولتاژ دو سر سلف منفی ولتاژ خروجی است. در حالت سوم جریان دیود می­خواهد منفی شود که امکان­پذیر نیست لذا هم ترانزیستور و هم دیود خاموش است و ولتاژ دو سر سلف در این حالت صفر خواهد بود. رابطه بین ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی به صورت زیر می­باشد. این رابطه در دو مود پیوسته و ناپیوسته آورده شده است. در شکل زیر نیز نمودار نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی برای مبدل باک در مودهای پیوسته و ناپیوسته به ازای مقادیر مختلف K و D رسم شده است [19].

(3)

 

شکل (7): نمودار نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی برای مبدل باک

 

3-مدل قابلیت اطمینان مبدل باک

قابلیت اطمینان یک سیستم به این معناست که آن سیستم بتواند کارکرد خود را به درستی انجام دهد. بنابراین قابلیت اطمینان مبدل باک نیز به معنای این است که مبدل باک بتواند بدون خراب شدن در انتقال توان الکتریکی سطح ولتاژ را کاهش دهد. مدل مارکوف، حالت­هاي مختلفي را که يک المان در طول عملکرد خود دارا مي­باشد در نظر گرفته و نرخ رفتن اين المان از يک حالت به حالت ديگر را نشان مي­دهد. يک مدل مارکوف دو حالته براي يک المان، دو وضعيت سالم بودن  و خرابي  را در نظر مي­گيرد، المان با نرخ خرابی λ از وضعیت سالم به وضعیت خراب و با نرخ تعمیر µ از وضعیت خراب به وضعیت سالم می­رود [20]. 

تجهیزات اساسی تشکیل دهنده یک مدل باک عبارتند از: ترانزیستور یا کلید، دیود، خازن، سلف و سیستم کنترل. در صورتی که هر کدام از این تجهیزات خراب شوند عملکرد مبدل باک دچار اختلال شده و لذا به لحاظ قابلیت اطمینان تجهیزات تشکیل دنده مبدل باک با هم سری هستند. به این معنا که خرابی هر کدام از این تجهیزات منجر به خرابی کل مبدل می­گردد. بنابراین مدل قابلیت اطمینان مبدل باک به صورت نشان داده شده در شکل (8) خواهد بود.

 

شکل (8): مدل قابلیت اطمینان مبدل باک

نرخ خرابی و نرخ تعمیر مبدل باک در مدل قابلیت اطمینان معادل آن بر اساس مدل قابلیت اطمینان تجهیزات سری محاسبه می­گردد. بنابراین نرخ خرابی و تعمیر معادل مبدل باک به صورت زیر خواهد بود:

(4)

در رابطه فوق λ و µ نرخ خرابی و نرخ تعمیر بوده و اندیس­های eq، t، d، i، c و cs مربوط به معادل مبدل باک، ترانزیستور، دیود، سلف، خازن و سیستم کنترل می­باشند. در این بخش از تحقیق وابستگی نرخ خرابی هر کدام از تجهیزات تشکیل دهنده مبدل باک به جریان تعیین می­گردد و سپس بر اساس رابطه فوق، نرخ خرابی معادل مبدل باک از جمع نمودن نرخ خرابی تجهیزات تشکیل دهنده به دست می­آید. بنابراین می­توان وابستگی نرخ خرابی معادل مبدل باک را نیز به جریان تعیین نمود. در ادامه رابطه بین نرخ خرابی تجهیزات تشکیل دهنده مبدل باک به جریان الکتریکی عبوری از مبدل تعیین می­گردد. کلیدی که در مبدل­های باک مورد استفاده قرار می­گیرد یک ترانزیستور می­باشد. نرخ خرابی این کلیدها بر اساس استاندارد MIL-HDBK-217F به صورت زیر خواهد بود [21]:

(5)

در رابطه فوق λ و π نشان­دهنده نرخ خرابی و فاکتورهای شتاب بوده و اندیس­های S، Sb، T، A، Q و E مربوط به کلید، مقدار پایه کلید، فاکتور دما، فاکتور کاربرد، فاکتور کیفیت و فاکتور محیط می­باشند. فاکتور دما نیز از رابطه زیر محاسبه می­گردد:

(6)

در رابطه فوق Tj دمای پیوند ترانزیستور می­باشد و از رابطه زیر به دست می­آید:

(7)

در این رابطه Tc دمای سینک حرارتی، rjc مقاومت حرارتی ترانزیستور و Ploss نیز تلفات کلید می­باشد. البته این رابطه برای دیود نیز صادق می­باشد. میزان تلفات کلید به جریان عبوری از کلید وابسته است. توان تلف شده در یک نیمه­هادی از رابطه زیر بدست می­آید [22].

 

(8)

که در این رابطه Vav، Iav، t و fs به ترتیب ولتاژ و جریان متوسط بر روی نیمه­هادی، مدت زمان روشن بودن نیمه­هادی و فرکانس کلیدزنی مبدل می­باشد. در مبدل باک کلید به اندازه دیوتی سایکل روشن و سپس بقیه دوره تناوب خاموش می­باشد. دیود نیز در مود پیوسته به اندازه دوره تناوب منهای دیوتی سایکل روشن می­باشد. اما در مود ناپیوسته دیود به اندازه D2 روشن می­باشد که مقدار D2 را می­توان از رابطه زیر تعیین کرد [21]:

(9)

در این رابطه R مقاومت بار خروجی متصل به مبدل می­باشد. با توجه به اینکه جریان سلف به صورت خطی تغییر می­کند مقدار متوسط جریان عبوری از دیود و کلید در مدت زمانی که هدایت می­کنند نصف جریان پیک می­باشد. نرخ خرابی دیود نیز که یک نیمه­هادی می­باشد بر اساس استاندارد MIL-HDBK-217F به صورت زیر خواهد بود [21]:

(10)

در رابطه فوق همه موارد به مانند ترانزیستور می­باشد و تنها فاکتورهای با اندیس C و S به ترتیب فاکتور تماس و فاکتور استرس می­باشند. فاکتور تماس معمولا برابر با 1 در نظر گرفته می­شود و فاکتور استرس دیود نیز از رابطه زیر تعیین می­گردد.

(11)

در این رابطه VS نسبت ولتاژ بهره­برداری به ولتاژ نامی دیود می­باشد. نرخ خرابی سلف نیز به صورت نشان داده شده در رابطه زیر محاسبه می­گردد. با توجه به اینکه نرخ خرابی سلف در مقایسه با نرخ خرابی سایر تجهیزات تشکیل دهنده مبدل بسیار کوچک می­باشد می­توان در محاسبات از آن صرف نظر نمود [22].

(12)

نرخ خرابی خازن نیز از رابطه زیر به دست می­آید. در این رابطه λbC نرخ خرابی پایه خازن در شرایط از پیش تعیین شده مشخص بوده و فاکتورهای π با اندیس­های CV، Q و E مربوط به فاکتورهای خازنی، کیفیت و محیط می­باشند.

(13)

مقدار نرخ خرابی پایه خازن نیز از رابطه زیر به دست می­آید که در این رابطه s نسبت ولتاژ بهره­برداری به ولتاژ نامی و Ta دمای محیط بر حسب درجه سانتیگراد می­باشد.

(14)

فاکتور خازن نیز از رابطه زیر به دست می­آید که در این رابطه C مقدار ظرفیت خازن بر حسب میکروفاراد می­باشد.

(15)

سیستم کنترل دارای دو بخش نرم­افزاری و سخت­افزاری می­باشد و لذا نرخ خرابی این سیستم از مجموع نرخ خرابی مربوط به بخش­های نرم­افزاری و نرخ خرابی مربوط به بخش­های سخت­افزاری تعیین می­گردد. معمولا نرخ خرابی بخش نرم­افزاری در صورتی که در ابتدای طراحی و پیاده­سازی درست کار کند نرخ خرابی آن ناچیز و قابل صرف­نظر می­باشد. اما نرخ خرابی بخش سخت­افزاری که شامل سنسورها، جبرانساز، مدولاسیون پهنای پالس و درایور گیت ترانزیستور می­باشد بایستی در محاسبات وارد شود. نرخ خرابی سیستم کنترل به نرخ خرابی این تجهیزات وابسته بوده و بنابراین به میزان جریان خروجی وابسته نمی­باشد. به منظور تعیین نرخ خرابی کل مبدل بایستی نرخ خرابی سیستم کنترل، ترانزیستور، دیود، سلف و خازن را با هم جمع نمود.

 

4-نتایج شبیه­سازی

مشخصات مبدل باک مورد مطالعه در جدول (1) آورده شده است. در جدول (2) نیز پارامترهای قابلیت اطمینان تجهیزات تشکیل دهنده مبدل شامل کلید یا ترانزیستور، دیود، سلف و خازن آورده شده است.

جدول (1): مشخصات مبدل باک مورد مطالعه [21]

مقدار	پارامترها
12 کیلووات	توان نامی
300 ولت جریان مستقیم	ولتاژ ورودی
125 ولت جریان مستقیم	ولتاژ خروجی نامی
10 کیلوهرتز	فرکانس کلیدزنی
3 میلی هانری	اندوکتانس سلف
1 میکروفاراد	ظرفیت خازن

جدول (2): پارامترهای قابلیت اطمینان تجهیزات [21]

012/0 خرابی در هر میلیون ساعت	نرخ خرابی پایه کلید
064/0 خرابی در هر میلیون ساعت	نرخ خرابی پایه دیود
5/5	فاکتور کیفیت کلید
6	فاکتور محیطی کلید
10	فاکتور کاربرد کلید
1	فاکتور کنتاکت دیود
19/0	فاکتور استرس دیود
6	فاکتور محیطی دیود
5/5	فاکتور کیفیت دیود
34/0	فاکتور خازن
2	فاکتور محیطی خازن
10	فاکتر کیفیت خازن
029/0 خرابی در هر میلیون ساعت	نرخ خرابی پایه خازن
000622/0 خرابی در هر میلیون ساعت	نرخ خرابی پایه سلف
4	فاکتور محیطی سلف
20	فاکتور کیفیت سلف
31/0 درجه سانتیگراد در هر وات	مقاومت حرارتی کلید
6/1 درجه سانتیگراد در هر وات	مقاومت حرارتی دیود
6/0 ولت	افت ولتاژ کلید
7/0 ولت	افت ولتاژ دیود
002/0 خرابی در هر میلیون ساعت	نرخ خرابی سیستم کنترل

 

در این بخش از تحقیق تغییر جریان خروجی که در نتیجه تغییر مقاومت خروجی اتفاق می­افتد بر نرخ خرابی تجهیزات تشکیل دهنده مبدل مورد بررسی قرار می­گیرد. با عنایت به اینکه نرخ خرابی سلف نسبت به نرخ خرابی سایر تجهیزات بسیار کوچک می­باشد، در محاسبات از نرخ خرابی سلف صرف­نظر می­گردد. با توجه به مقادیر پارامترهای قابلیت اطمینان خازن، نرخ خرابی این المان مستقل از جریان عبوری از آن بوده و برابر با 1972/0 خرابی در یک میلیون ساعت تعیین می­گردد. نرخ خرابی کلید و دیود با تغییر جریان عبوری از مبدل تغییر می­کنند؛ چرا که تلفات توان این نیمه­هادی­ها و در نتیجه دمای پیوند آن­ها با تغییر جریان عبوری از آن­ها تغییر خواهد کرد. در این تحقیق فرض می­گردد ولتاژ ورودی و خروجی ثابت بوده و تنها مقاومت بار تغییر می­کند. با تغییر مقاومت بار، جریان خروجی نیز تغییر می­کند و بنابراین در این قسمت تاثیر تغییر جریان خروجی بر نرخ خرابی کلید و دیود و در نتیجه نرخ خرابی کل مبدل بررسی می­گردد. البته با تغییر مقاومت بار، به منظور ثابت ماندن ولتاژ خروجی بایستی مقدار دیوتی سایکل تغییر کند. همچنین با تغییر مقاومت بار، مودهای کارکرد مبدل نیز ممکن است تغییر کند. به این معنا که مبدل ممکن است در مودهای پیوسته یا ناپیوسته کار کند. در شکل (9) نرخ خرابی کلید بر حسب جریان خروجی مبدل رسم شده است. همانگونه که در این شکل مشخص است با زیاد شدن جریان خروجی مبدل نرخ خرابی کلید نیز افزایش می­یابد. این امر به این دلیل است که با زیاد شدن جریان خروجی مبدل، گرمای ایجاد شده در کلید نیز افزایش می­یابد و در نتیجه تلفات حرارتی کلید زیاد می­شود. با زیاد شدن تلفات حرارتی کلید، دمای پیوند آن نیز افزایش یافته و در نتیجه طبق قانون آرسنیوس نرخ خرابی آن زیاد خواهد شد. در شکل (10) نیز نرخ خرابی دیود بر حسب جریان خروجی مبدل نشان داده شده است. همانگونه که در این شکل نیز مشخص است با زیاد شدن جریان عبوری از مبدل، جریان عبوری از دیود و در نتیجه تلفات حرارتی آن افزایش می­یابد. با زیاد شدن تلفات حرارتی دیود، دمای پیوند آن نیز افزایش یافته و در اینجا نیز بر طبق قانون آرسنیوس نرخ خرابی دیود افزایش می­یابد.

 

شکل (9): نرخ خرابی کلید بر حسب جریان خروجی مبدل

 

شکل (10): نرخ خرابی دیود بر حسب جریان خروجی مبدل

نرخ خرابی مبدل از جمع نمودن نرخ خرابی دیود، کلید، سلف و خازن تعیین می­شود. در شکل (11) نرخ خرابی مبدل بر حسب جریان خروجی نشان داده شده است. همانگونه که در این شکل مشخص است با زیاد شدن جریان خروجی مبدل، نرخ خرابی مبدل نیز افزایش می­یابد.

 

شکل (11): نرخ خرابی مبدل باک بر حسب جریان خروجی مبدل

 

5- نتیجه­گیری

این مقاله قابلیت اطمینان مبدل باک که یک مبدل کاهنده ولتاژ می­باشد را مورد مطالعه قرار داده است. به منظور تعیین قابلیت اطمینان این مبدل تجهیزات تشکیل دهنده آن شامل کلید، دیود، سلف، خازن و سیستم کنترل مورد مطالعه قرار گرفته است. در مطالعه قابلیت اطمینان مبدل، مودهای مختلف کارکرد مبدل که شامل مود پیوسته و مود ناپیوسته می­باشند در نظر گرفته شده است. سپس مدل قابلیت اطمینان مبدل باک به دست آورده شده است. با توجه به اینکه خراب شدن تجهیزات تشکیل دهنده مبدل باک منجر به خرابی کل مبدل می­گردد، نرخ خرابی معادل مبدل باک از مجموع نرخ خرابی این تجهیزات به دست می­آید. این امر به خاطر این است که این تجهیزات در مدل قابلیت اطمینان مبدل باک با هم سری می­باشند. در ادامه تاثیر تغییر جریان بر نرخ خرابی تجهیزات تشکیل دهنده مبدل باک تعیین شده است. به منظور انجام این کار نرخ خرابی هر کدام از تجهیزات بر حسب فاکتورهای موثر به دست آمده است. با توجه به اینکه کلید (ترانزیستور) و دیود از جنس نیمه­هادی هستند تغییر دما تاثیر زیادی بر نرخ خرابی آن­ها خواهد داشت. بر همین اساس با توجه به روابط به دست آمده برای مبدل باک، نرخ خرابی این تجهیزات به ازای جریان­های مختلف به دست آورده شده است. در تعیین نرخ خرابی این نیمه­هادی­ها ابتدا میزان تلفات نیمه­هادی به ازای جریان­های مختلف به دست می­آید. سپس بر اساس مدل حرارتی نیمه­هادی­ها دمای پیوند آن­ها محاسبه شده و بر اساس قانون آرسنیوس نرخ خرابی آن­ها محاسبه می­گردد.

در این مقاله در محیط نرم­افزار متلب یک شبیه­سازی انجام شده و تاثیر تغییر جریان خروجی بر نرخ خرابی اجزای تشکیل دهنده آن به دست آمده است. همانگونه که از نتایج شبیه­سازی مشخص است با زیاد شدن جریان خروجی نرخ خرابی نیمه­هادی­ها که شامل ترانزیستور و دیود می­باشد نیز افزایش می­یابد اما نرخ خرابی خازن، سلف و سیستم کنترل تقریبا وابسته از جریان بار خواهد بود. به همین صورت نرخ خرابی مبدل باک که مجموع نرخ خرابی تجهیزات تشکیل دهنده آن می­باشد نیز با زیاد شدن جریان بار افزایش می­یابد.

 

 

References

مراجع

[1]       S. Palanidoss and T. V. S. Vishnu, “Experimental analysis of conventional buck and boost converter with integrated dual output converter,” International Conference on Electrical, Electronics, Communication, Computer, and Optimization Techniques (ICEECCOT), 2017.

[2]       P. V. Anushka, N. Mani, and K. Issac, “Switched-inductor semi-quadratic buck converter,” International Conference on Technological Advancements in Power and Energy ( TAP Energy), Dec. 2017.

[3]       S. B. Myneni and S. Samanta, “Time Domain Analysis of Isolated Buck (F1y-Buck) Converter,” IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES), 2018.

[4]       K. Eduardo et al., “Interval Robust Controller to Minimize Oscillations Effects Caused by Constant Power Load in a DC Multi-Converter Buck-Buck System,” vol. 7, pp. 26324–26342, Feb. 2019.

[5]       C. Deekshitha and K. Latha Shenoy, “Design and simulation of synchronous buck converter for LED application,” 2nd IEEE International Conference on Recent Trends in Electronics, Information & Communication Technology (RTEICT), 2017.

[6]       A. Reatti, F. Corti, A. Tesi, A. Torlai, and M. K. Kazimierczuk, “Effect of Parasitic Components on Dynamic Performance of Power Stages of DC-DC PWM Buck and Boost Converters in CCM,” IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019.

[7]       A. Sadeghfam, S. Tohidi, and M. Abapour, “Reliability comparison of different power electronic converters for grid-connected PMSG wind turbines,” International Transactions on Electrical Energy Systems, vol. 27, no. 9, p. e2359, Mar. 2017.

[8]       B. Abdi, S. M. M. Mirtalaei, and R. Ghasemi, “Reliability of MPPT Converter in Different Operating Modes,” International Journal of Machine Learning and Computing, pp. 274–278, 2013.

[9]       M. K. Alam and F. H. Khan, “Reliability Analysis and Performance Degradation of a Boost Converter,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 50, no. 6, pp. 3986–3994, 2014.

[10]       H. Tarzamni, F. Tahami, M. Fotuhi-Firuzabad, and F. Panahandeh Esmaeelnia, “Reliability Analysis of Buck-Boost Converter Considering the Effects of Operational Factors,” 10th International Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC), 2019.

[11]       S. Peyghami, P. Palensky, and F. Blaabjerg, “An Overview on the Reliability of Modern Power Electronic Based Power Systems,” IEEE Open Journal of Power Electronics, vol. 1, pp. 34–50, 2020.

[12]       Y. A. Mahmood, A. H. S. Garmabaki, Alireza. Ahmadi, and A. K. Verma, “Reliability model for frequency converter in electrified railway,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 94, pp. 385–392, Jan. 2018.

[13]       M. Liu, W. Li, C. Wang, R. Billinton, and J. Yu, “Reliability Evaluation of a Tidal Power Generation System Considering Tidal Current Speeds,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 31, no. 4, pp. 3179–3188, Jul. 2016.

[14]       M. LIU, W. LI, J. YU, Z. REN, and R. XU, “Reliability evaluation of tidal and wind power generation system with battery energy storage,” Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, vol. 4, no. 4, pp. 636–647, Sep. 2016.

[15]       S. Bala, None Jiuping Pan, G. Barlow, G. Brown, and S. Ebner, “Power conversion systems for tidal power arrays,” 5th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG) (pp. 1-7). 2014.

[16]       . Zhou, L. Wang, Y. Gan, H. Luo, Y.-F. Liu, and P. C. Sen, “Accurate Analysis and Design of the Circuit Parameters of LLC DC–DC Converter With Synchronous Rectification,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 37, no. 12, pp. 15051–15065, Dec. 2022.

[17]       P. Alavi, E. Babaei, P. Mohseni, and V. Marzang, “Study and analysis of a DC–DC soft‐switched buck converter,” IET Power Electronics, vol. 13, no. 7, pp. 1456–1465, May 2020.

[18]       J.-P. Lee, H. Cha, D. Shin, K.-J. Lee, D.-W. Yoo, and J.-Y. Yoo, “Analysis and Design of Coupled Inductors for Two-Phase Interleaved DC-DC Converters,” Journal of Power Electronics, vol. 13, no. 3, pp. 339–348, May 2013.

[19]       R. W. Erickson and D. Maksimović, Fundamentals of Power Electronics. Cham: Springer International Publishing, 2020.

[20]       R. Billinton, R. N. Allan, “Reliability Evaluation of Power Systems,” Plenum Press, Newyork and London, 2nd Edition, 1994.

[21]       J. W. Harms, “Revision of MIL-HDBK-217, Reliability Prediction of Electronic Equipment,” Proceedings-Annual Reliability and Maintainability Symposium (RAMS), 2010.

[22]       H. Tarzamni et al., “Thermal analysis of non‐isolated conventional PWM‐based DC–DC converters with reliability consideration,” IET Power Electronics, vol. 14, no. 2, pp. 337–351, Dec. 2020.