A New Soft Switching Two Input Converter for Hybrid Green Energy Systems

Subject Areas : Electronic Engineering

Ahmed Abdulkadhim Issa ¹ , Mohammad Hosein Ershadi ²

1 - 1Department of Electrical Engineering, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Khorasgan, Isfahan, Iran
2 - Department of Electrical Engineering, Khomeinishahr Branch, Islamic Azad University, khomeinishahr, Iran

Received: 2023-11-21 Accepted : 2024-02-24 Published : 2024-09-20

Keywords: Two-input boost converter, Coupling inductors, Zero voltage switching, Auxiliary circuit,

Abstract :

In this paper, a new two-input converter with zero voltage switching for green energy hybrid systems is presented. In the proposed converter, a new auxiliary circuit is used to create zero voltage switching with the least number of auxiliary elements. The auxiliary circuit not only provides zero voltageswitching conditions, but also absorbs the energy of the leakage inductance and prevents voltage spikesacross the main switches. On the other hand, the use of coupled-inductors also increases the gain of the converter and greatly reduces the voltage stress on the switches. The proposed converter has been designed with a 120 watts power and simulated in PSICE software, and also a prototype has been made to prove the theoretical analysis of the circuit.

References:

[1] A. Iranpour Mobarakeh, R. Sadeghi, H. Saghafiesfahani and M. Delshad, 'Techno-economic energy management of micro-grid in the presence of distributed generation sources based on demand response programs" ,International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 141, no. 2, pp. 128-134, May 2022, doi:10.1016/j.ijepes.2022.108169.
[2] P. C. Heris, Z. Saadatizadeh and E. Babaei, "A New Two Input-Single Output High Voltage Gain Converter With Ripple-Free Input Currents and Reduced Voltage on Semiconductors," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 8, pp. 7693-7702, Aug. 2019, doi: 10.1109/TPEL.2018.2880493.
[3] N. Zanatta, T. Caldognetto, D. Biadene, G. Spiazzi and P. Mattavelli, "A Two-Stage DC-DC Isolated Converter for Battery-Charging Applications," in IEEE Open Journal of Power Electronics, vol. 4, pp. 343-356, 2023, doi: 10.1109/OJPEL.2023.3271227.
[4] D. Liu and H. Li, "A ZVS Bi-Directional DC- DC Converter for Multiple Energy Storage Elements," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 21, pp. 1513-1517, 2006, doi: 10.1109/TPEL.2006.882450.
[5] D. Liu and H. Li, "A novel multiple-input ZVS bidirectional DC-DC converter,"in Industrial Electronics Society, 2005, pp. 134-140, doi: 10.1109/IECON.2005.1568969 .
[6] R. Wai, C. Lin, J. Liaw, and Y. Chang, "Newly designed ZVS multi input converter," Industrial Electronics,IEEE Transactionson, vol.58, pp. 555566, 2011, doi: 10.1109/TIE.2010.2047834.
[7] Y. Liu and Y. Chen, "A systematic approach to synthesizing multii nput DC–DC converters," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 1, pp. 116-127, 2009, doi: 10.1109/TPEL.2008.2009170.
[8] A. Lavanya, J. D. Navamani, K. Vijayakumar, and R. Rakesh, "Multiinput DC-DC converter topologies-a review," in 2016 International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques (ICEEOT), 2016, pp. 2230-2233, doi: 10.1109/ICEEOT.2016.7755089.
[9] K. P. Yalamanchili, M. Ferdowsi, and K. Corzine, "New double input dcdc converters for automotive applications," in 2006 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2006, pp. 106. 114 , doi: 10.1109/VPPC.2006.364366.
[10] Y. Chen, Y. Liu, and S. Lin, "Double-input PWM DC/DC converter for high-/low-voltage sources," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, no. 5, pp. 1538-1545, 2006, doi: 10.1109/TIE.2006.882001.
[11] A. IranpourMobarakeh, R. Sadeghi, H. SaghafiEsfahani and M. Delshad," Optimal planning and operation of energy hub by considering demand response algorithms and uncertainties based on problem-solving approach in discrete and continuous space", Electric Power Systems Research, vol. 214, Part A,2023,108859,doi:10.1016/j.epsr.2022.108859.
[12] A. T. Harchegani and M. Mahdavi, "A New Soft Switching Dual Input Converter for Renewable Energy Systems," Journal of Power Electronics, vol. 17, no. 5, pp. 1127-1136, 2017, doi: 10.6113/JPE.2017.17.5.1127.
[13] K. Gummi and M. Ferdowsi, "Double-input dc–dc power electronic converters for electric-drive vehicles—Topology exploration and synthesis using a single-pole triple-throw switch," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 2, pp. 617-623, 2010, doi: 10.1109/TIE.2009.2032762.
[14] 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.
[15] 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.
[16] 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.
[17] M. Delshad and H. Farzanehfard, "A new isolated bidirectional buck-boost PWM converter," 1st Power Electronic & Drive Systems & Technologies Conference (PEDSTC), Tehran, Iran, 2010, pp. 41-45, doi: 10.1109/PEDSTC.2010.5471860.
[18] 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.
[19] 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.
[20] H. S. Chung, "Design and analysis of a switched-capacitor-based stepup 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.
[21] F. Ghasemi, M. R. Yazdani and M. Delshad, "Step-Up DC-DC Switching Converter With Single Switch and Multi-Outputs Based on Luo Topology," in IEEE Access, vol. 10, pp. 16871-16882, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3150316.
[22] F. L. Luo, "Luo-converters, voltage lift technique," in PESC 98 Record. 29th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference (Cat. No. 98CH36196), 1998, vol. 2: IEEE, pp. 1783-1789.
[23] F. L. Luo, "Luo-converters, a series of new DC-DC step-up (boost) conversion circuits," in Proceedings of Second International Conference on Power Electronics and Drive Systems, 1997, vol. 2: IEEE, pp. 882- 888, doi: 10.1109/PEDS.1997.627511.
[24] F. L. Luo, "Six self-lift DC-DC converters, voltage lift technique," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 48, no. 6, pp. 1268-1272, 2001, doi: 10.1109/41.969408.
[25] M. Zhu and F. Luo, "Series SEPIC implementing voltage-lift technique for DC–DC power conversion," IET Power Electronics, vol. 1, no. 1, pp. 109-121, 2008, doi: 10.1049/iet-pel:20060494.
[26] Y. Jiao, F. Luo, and M. Zhu, "Voltage-lift-type switched-inductor cells for enhancing DC–DC boost ability: principles and integrations in Luo converter," IET Power electronics, vol. 4, no. 1, pp. 131-142, 2011, doi: 10.1049/iet-pel.2010.0021.
[27] Y. Tang, T. Wang, and D. Fu, "Multicell switched-inductor/switched capacitor combined active-network converters," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 4, pp. 2063-2072, 2014, doi: 10.1109/TPEL.2014.2325052.
[28] M. Delshad and E. Shahri, "A new soft switching interleaved boost converter with high voltage gain," The 8th Electrical Engineering/ Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI) Association of Thailand - Conference, 2011, pp. 744-747, doi: 10.1109/ECTICON.2011.5947947
[29] M. K. Kazimierczuk, Pulse-width modulated DC-DC power converters. John Wiley & Sons, 2015.
[30] M. Delshad, A. T. Harchegani, M. Karimi and M. Mahdavi, "A new ZVT Multi Input Converter for hybrid sources systems," 2016 International Conference on Applied Electronics (AE), Pilsen, Czech Republic, 2016, pp. 61-64, doi: 10.1109/AE.2016.7577242
[31] 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.
[32] D. A. Grant, Y. Darroman, and J. Suter, "Synthesis of tapped-inductor switched-mode converters," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 5, pp. 1964-1969, 2007, doi: 10.1109/TPEL.2007.904215.
[33] M. Vesali, H. Ranjbar and A. Motamedi-Nasab ," A Two Input High Step Converter with Zero Current Switching Condition for Switches Turn-On Instances', Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System, vol. 1, no. 2, pp. 63-76, 2022; doi: 10.30486/teeges.2022.1960073.1017

Full-Text:



احمد عبدالکاظم عیسی، محمد حسین ارشادی

 

 

Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System

Research Article                                                                         (2024) 3(2):48-61

 

A New Soft Switching Two Input Converter for Hybrid Green Energy Systems

Ahmed Abdulkadhim Issa Albehadili1, M.Sc, Mohammad Hosein Ershadi2, Assistant Professor

 

1Department of Electrical Engineering, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Khorasgan, Isfahan, Iran

2 Department of Electrical Engineering, Khomeinishahr Branch, Islamic Azad University, khomeinishahr, Iran

 

Abstract:

In this paper, a new two-input converter with zero voltage switching for green energy hybrid systems is presented. In the proposed converter, a new auxiliary circuit is used to create zero voltage switching with the least number of auxiliary elements. The auxiliary circuit not only provides zero voltage switching conditions, but also absorbs the energy of the leakage inductance and prevents voltage spikesacross the main switches. On the other hand, the use of coupled-inductors also increases the gain of the converter and greatly reduces the voltage stress on the switches. The proposed converter has been designed with a 120 watts power and simulated in PSICE software, and also a prototype has been made to prove the theoretical analysis of the circuit.

Keywords: Two-input boost converter, Coupling inductors, Zero voltage switching, Auxiliary circuit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Received: 21 November 2023

Revised: 28 January 2024

Accepted: 24 February 2024

Corresponding Author: Dr. Mohammad Hosein Ershadi, [e-mail]

DOI: http://dx.doi.org/10.30486/TEEGES.2024.904782

 

 

فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز

         ..مقاله پژوهشی...       

 

یک مبدل دو ورودی جدید با کلیدزنی نرم برای سیستم­های هیبرید انرژی سبز

احمد عبدالکاظم عیسی1،کارشناسی ارشد، محمد حسین ارشادی2،استادیار

1-       دانشکده مهندسي برق،واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، خوراسگان، اصفهان، ایران

2-       دانشکده مهندسي برق،واحد خمینی­شهر، دانشگاه آزاد اسلامی،خمینی­شهر، ایران

 

چكيده:در این مقاله یک مبدل دو ورودی جدید با کلیدزنی در ولتاژ صفر برای سیستم­های هیبرید انرژی سبز ارایه شده است. در مبدل پيشنهادي از يك مدار کمکی جديد براي ايجاد شرايط كليدزني در ولتاژ صفر با كمترين تعداد المان كمكي استفاده شده است. مدار كمكي نه تنها شرايط كليدزني در ولتاژ صفر را فراهم مي­كند بلكه انرژي سلف نشتي را نيز در خود جذب كرده و مانع جهش­هاي ولتاژ دو سر سوييچ­های اصلی مدار مي­شود. از طرفي استفاده از سلف­هاي تزويج شده نيز بهره مبدل را افزايش داده و استرس ولتاژ روي سوييچ­ها را به شدت كاهش مي­دهد. مبدل پیشنهادی در توان 120 وات طراحی و در نرم افزار PSpice شبیه سازی شده استو همچنین برای اثبات تحليل­هاي تئوري مدار یک نمونه آزمایشگاهی از آن ساخته شده است.

 

واژه­هاي كليدي: مبدل دو ورودی، کلیدزنی نرم، بهره ولتاژ بالا، کلیدزنی در ولتاژ صفر

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تاریخ ارسال مقاله: ۳۰/0۸/140۲

تاریخ بازنگری مقاله: 0۸/۱۱/140۲

تاریخ پذیرش مقاله: 0۵/۱۲/140۲

نویسنده­ی مسئول: دکترمحمد حسین ارشادی، [e-mail]

DOI: http://dx.doi.org/10.30486/TEEGES.2024.904782

 

 

1-       مقدمه

در حال حاضر با توجه به کاهش سوخت­های فسیلی و آلودگی این نوع انرژی­ها، انرژی خورشیدی، انرژی باد و... مصرف انرژی­های تجدیدپذیر روز به روز در حال افزایش است[1-3]. با این حال، در بیشتر موارد، این انرژی­ها به تنهایی نمی­توانند انرژی لازم را تامین کنند[4]. به عنوان مثال، هنگامی که از انرژی خورشیدی استفاده می­شود، به یک منبع ثانویه برای تامین برق در تاریکی نیاز است، یا برای مثال در یک خودروی برقی کم مصرف، حتی اگر نیروی مورد نیاز از نور خورشید در طول روز تامین شود. هنگامی که خودرو در حال شتاب­گیری است، به منبع ثانویه نیاز دارد تا نیروی مورد نیاز برای شتاب­گیری خودرو را تامین کند[5-7]. امروزه تعداد برنامه­هایی که به بیش از یک منبع تغذیه نیاز دارند در حال افزایش است. بنابراین باید روش­هایی برای استفاده از منابع مختلف ارائه شود.می­توان منابع را به­طور جداگانه توسط مبدل مناسب با تزریق به خط ولتاژ استفاده کرد، اما روشمذکوربا استفاده از مبدل جداگانه برای هر منبع، که تا حد زیادی هزینه مورد نیاز را افزایش می­دهد[8،9]. بسته به تعداد موارد درگیر متفاوت است. به همین دلیل تحقیقاتی برای به­دست آوردن مبدل­هایی انجام شده است که بتوانند روی منابع مختلف کار کنند و توان خروجی را تامین کنند و مبدل­های چند ورودی با هدف کاهش هزینه­ها و افزایش راندمان معرفی شده­اند. در این رویکرد، یک مبدل چند ورودی قدرت الزامات لازم را فراهم می­کند[10]. از مزایای این روش می­توان به بهینه سازی، کاهش اندازه مدار و تعداد قطعات و در نتیجه کاهش هزینه­ها اشاره کرد[11-15].

مبدل­های چند ورودی را می­توان به دو دسته مبدل­های متصل¹ مغناطیسی و مبدل­های متصل الکتریکی، بسته به نحوه انتقال توان به خروجی تقسیم کرد. [16-20]در ترانسفورماتورهای متصل مغناطیسی، توان مورد نیاز از طریق ایجاد جریان در هسته ترانسفورماتور و انتقال آن به خروجی [21-23] تامین می­شود، اما در ترانسفورماتورهای متصل گالوانیکی، توان مورد نیاز از طریق اتصال صحیح اولیه ترانسفورماتور به ترانسفورماتور تامین می­شود[24،25].

مبدل‌های دو ورودی به خاطر امکان استفاده از دو منبع جداگانه و مجتمع سازی دو مبدل در یک مبدل بسیار در سیستم‌های انرژی سبز متداول گشته‌اند[26]. این مبدل‌ها بایستی دارای بهره ولتاژ بالا باشندتا هم بتوانند ولتاژ پایین سلول‌های خورشیدی و پیل‌های سوختی و غیره را افزایش دهند و هم از استرس ولتاژ روی سوئیچ‌ها بکاهند تا امکان استفاده از سوئیچ‌های ارزان‌تر با مقاومت درین-سورس پایین‌تر فراهم شده و تلفات هدایتی نیز کاهش یابد[27-29]. همچنین استفاده از تکنیک‌های کلیدزنی نرم² امکان افزایش فرکانس کلیدزنی³ و افزایش چگالی توان⁴ مبدل را فراهم می‌سازد[30-32].

در این مقاله یک مبدل دو ورودی تک خروجی جدید با بهره ولتاژ بالا و راندمان بالا ارائه شده است. از طرفی کلیدزنی در ولتاژ صفر⁵ برای همه سوئیچ‌های مبدل از جمله سوئیچ‌های کمکی فراهم شده است. از ویژگی‌های دیگر مبدل ریپل جریان پایین ورودی و تعداد المان پایین مدار کمکی می‌باشد.در واقع نوآوری مبدل استفاده از خازن­های کلمپ برای جذب انرژی سلف نشتی⁶ برای جلوگیری از جهش­های ناخواسته⁷ دوسر سوییچ و همزمان ایجاد شرایط کلیدزنی در ولتاژ صفر برای سوییچ­های اصلی و کمکی است. همچنین سوییچ­های کمکی بصورت مکمل⁸ با سوییچ­های اصلی روشن می­شوند لذا تولید پالس­های کنترل آن پیچیده نیست و با یک گیت نقیض⁹ امکان پذیر است.

در این مقاله ابتدا مبدل پیشنهادی معرفی و شرح عملکرد آن ارائه می‌شود سپس در بخش 3 مبدل به صورت کامل تحلیل شده و نتایج شبیه سازی و عملی آن در بخش 4 آورده شده است. نهایتاً مبدل پیشنهادی با مبدل‌های مشابه مقایسه می‌گردد.

2-       مبدل دو ورودی-تک خروجی پیشنهادی

مبدل دو ورودی-تک خروجی پیشنهادی در شکل 1 آورده شده است. این مبدل دارای دو قسمت عمده می‌باشد. قسمت اول برای افزایش بهره است که داراییک هسته با سه سلفL3-L4-L5، دو سلف ورودی L1 و L2، دو سوئیچ اصلی S1 و S2، دو خازن سری C1 و C2 و دو دیودD1 و D2، دو دیود خروجی Do1 و Do2 و یک خازن خروجی Co می‌باشد. قسمت دوم مدار کمکی شامل سوئیچ‌های کمکی Sa1 و Sa2، خازن‌های CC1 و CC2 و خازن‌های اسنابرCS1 و CS2 می‌باشد که سوئیچ‌های آن به صورت مکمل با سوئیچ‌های اصلی روشن و خاموش می‌شوندو شرایط کلیدزنی در ولتاژ صفر را برای سوئیچ‌ها فراهم می‌کند.

 

شکل (۱): نمای شماتیک مبدل دو ورودی پیشنهادی

2-1-        عملکرد مبدل پیشنهادی

مبدل پیشنهادی دارای ۶ وضعیت عملکرد است. شکل 2 شکل موج‌های کلیدی مبدل را نشان می‌دهد. برای سادگی تحلیل فرضیات زیر در نظر گرفته شده است.

·       خازن‌های C1 و C2 و Co به اندازه کافی بزرگ هستند و در تحلیل، ولتاژ آنها ثابت فرض می‌شود.

·        سلف‌های L1 و L2 به اندازه کافی بزرگ هستند و جریان آنها ثابت فرض می‌شود.

·       المان‌های نیمه هادی ایده آل فرض می‌شوند.

مدارهایمعادلهروضعیت در شکل‌ 3 نشان داده شده است. سوئیچ‌های اصلی با اختلاف فاز ۱۸۰ درجه کلید­زنی می‌شوند. قبل از وضعیت اول سوئیچ‌های S2 و Sa1 روشن وS1 و Sa2 خاموشند. همچنین دیودDo1 روشن وDo2 خاموش است.

 

شکل (2): شکل موج­های کلیدی مبدل دو ورودی پیشنهادی

وضعیت اول: در این وضعیت سوئیچS2 خاموش می‌شود. سلف نشتی،ترانسفورمر سه سیم پیچ خازن ضربه گیر¹⁰Sa2 را به صورت رزونانسی دشارژ می‌کند و موجب می‌گردد تا دیود بدنه آن روشن شود. از طرفی خازنS2 توسطL2 خطی شارژ می‌شود. دیودD2 نیز به صورتZC روشن می‌شود. این وضعیت با شارژ کاملCS2 تا مقدار به پایان می‌رسد.

وضعیت دوم: با شارژ کاملCS2، دیودDo2 روشن می‌شود و سلفL2 شروع به تخلیه در بار می‌کند. از طرفی D2 روشن است و خازنC1 از مسیر آن شارژ می‌شودو خازنC2 از طریقDo درباردشارژ می‌شود.

وضعیت سوم: در این وضعیت جریانS1 وSa2 ثابت شده وL1 خطی شارژ می‌شود وL2 خطی دشارژ می‌گردد. این وضعیت با خاموش شدنSa2 تمام می‌شود.

 

 

 

شکل (3): وضعیت­های عملکرد مبدل در یک سیکل کلیدزنی الف-وضعیت اول ب- وضعیت دوم ج- وضعیت سوم د-وضعیت چهارم ه-وضعیت پنجم و- وضعیت ششم

 

وضعیت چهارم:این وضعیت با خاموش شدنSa2 آغاز و خازنCS2 توسط سلف نشتی به صورت رزونانسی دشارژ و دیود بدنهS2 روشن می‌شود. از این لحظه به بعدS2 می‌تواند تحت شرایطZV روشن شود.اینوضعیت با شارژ کاملCS2 تا سطح تمام می‌شود.

وضعیت پنجم: در این وضعیت دیودهای D1 و Do1 روشن هستند و خازنC2 از طریقD1 شارژ می‌شود و خازنC1 از مسیرDo1 در خروجی تخلیه می‌شود.

وضعیت ششم: در این وضعیت جریان سوئیچ‌های S2 و Sa1 ثابت شده و سلفL2 خطی شارژ می‌شود. این وضعیت با خاموش شدن سوئیچ اصلی S2 پایان می‌پذیرد.

3-       تحلیل مدار پیشنهادی

در این قسمت مبدل پیشنهادی به صورت کامل از نظر استرس ولتاژ المان‌ها، بهره و ... بررسی می‌گردد.

3-1-       بهره مبدل

با نوشتن بالانس ولت ثانیه روی سلف‌های ورودی L1 و L2، ولتاژ خازن‌های CC1 و CC2 به دست می‌آید. همچنین با نوشتن یک رابطهKVL در خروجی بهره به صورت زیر محاسبه می‌گردد.

 

 

شکل4 نمودار بهره را به ازای مقادیر مختلف ضریب وظیفه و نسبت دور را نشان می‌دهد.همان­طور که مشاهده می‌گردد با افزایش نسبت دور بهره افزایش می‌یابد.

 

 

شکل(۴): نمودار بهره را به ازای مقادیر مختلف ضریب وظیفه و نسبت دور

 

3-2-       استرس سوئیچ‌ها و دیودها

برای محاسبه استرس ولتاژ سوئیچ‌ها و دیودها کافیست یک KVLدر حلقه آنها وقتی المان خاموش است نوشت و ماکزیمم ولتاژ استرس را محاسبه نمود.از آنجایی­که سوییچ­های اصلی و کمکی در یک حلقه با خازن کلمپ سری هستند و به­صورت مکل روشن می­شوند لذا با روشن شدن یک سوییچ سوییچ دیگر خاموش بوده و ولتاژ آنها برابر خازن کلمپ میگردد که مطابق با رابطه­های 2 و 4 می­توان مقدار آنهارا مطابق رابطه 6 به­دست آورد.

(۱)
(۲)
(۳)
(۴)
(۵)

 

شکل5 نمودار استرس المان‌های مبدل را بر حسب تغییرات نسبت دور نشان می­دهد.

 

شکل (۵): نمودار استرس المان‌های مبدل را بر حسب تغییرات نسبت دور

3-3-       طراحی سلفL1 و L2

برای طراحی سلف‌های ورودیبایستی از رابطه‌ی پایه استفاده کرد.

(۶)
(۷)
(۸)
(۹)

 

3-4-       طراحی خازن‌های C1 و C2 و CC1 و CC2

با داشتن ریپل مجاز خازن‌های C1 و C2 و CC1 و CC2 و استفاده از رابطه بیس خازن می‌توان اندازه خازن‌ها را محاسبه کرد.

 

(۱۰)

 

4-        نتایج شبیه­سازی مبدل دو ورودی بسیار افزاینده پیشنهادی

مبدل دو ورودی پیشنهادی برای توان 120 وات و ولتاژ خروجي 380 ولت شبیه­سازی شده و تمامی المان­ها و مقدارهای آن­ها در جدول (1) ارائه شده­است. به منظور بررسی صحت عملکرد تحلیل­های صورت گرفته مبدل پیشنهادی در نرم افزار  PSpice شبیه­سازی شده­است.

شماتیک مبدل شبیه­سازی شده در شکل (6) و نتایج شبیه­سازی آن در شکل­های (7) تا (10) نشان داده­شده­است. شکل­های (7) و (8) شکل موج ولتاژ و جریان سوییج­های S1 وSa1 را نشان می­دهند با توجه به این شكل­­ها، جريان سوئيچ در لحظه روشن­شدن سوييچ­ها منفي بوده و ديود بدنه سوئیچ هدايت كرده و شرايط كليدزني ZVS براي سوئيچ­ها برقرار است. بنابراین سوییچ­ها تلفات روشن شدن خازنی ندارند. سوییچ­های S2 وSa2 نیز دقیقا شبیه سوییچ­های مذکور می­باشند.

در شكل (9) شكل موج جريان دیودهای Do1 وDo2  آورده­شده­است كه نشان دهنده ZCS روشن و خاموش شدن آنها است.شكل (10) شكل موج جريان دیودهای D1 وD2 مبدل پیشنهادی نشان داده شده­است. شرایط این دیودها نیز مانند دیودهای خروجی است و بنابراین دیودها مشکل بازیابی معکوس ندارند.

 

جدول (1): مشخصات مبدل پیشنهادی و مقادیر المان­های آن

(۱۱)
(۱۲)

نام قطعه/مقدار	المان­ها/ مشخصات
IRF740	Switches
MUR860	All diodes
200µH	L1,L2
200µH	Lm
1nF	Cs1,Cs2
10µF	C1,C2,Cc
47µF	Co
1.4	n
120W	Po
380V	ولتاژ خروجی (Vo)
100kHz	فرکانس کلیدزنی

 

شکل (6): شماتیک مبدل شبیه­سازی شده بسیار افزاینده دو ورودی پیشنهادی در نرم افزار PSpise

 

 

شکل (7): شکل موج ولتاژ (بالا) وجریان (پایین) سوئیچ­S1 مبدل شبیه سازی شده (40V/div, 2A/div,1µs/div)

 

شکل (8): شکل موج ولتاژ (بالا) وجریان (پایین) سوئیچ­Sa1 مبدل شبیه سازی شده

(40V/div, 2A/div, 1µs/div)

 

 

شکل (9): شکل موج وجریان دیود Do1 (پایین) و Do2 (بالا) مبدل شبیه سازی شده (2A/div, 1µs/div)

 

 

شکل (10): شکل موج جریان دیود D2 (بالا) وجریان دیود D1 (پایین) مبدل شبیه سازی شده (2A/div, 1µs/div)

 

5-       نتایج عملی مبدل دو ورودي پیشنهادی

برای بررسی صحت تحلیل­های تئوری، یک نمونه آزمایشگاهی 120 وات از مبدل پیشنهادی پیاده­سازی شده و مورد آزمایش قرار گرفته­است. تصویر نمونه آزمایشگاهی مبدل پیشنهادی در شکل (11) مشاهده می­شود. شکل موج­های عملی مربوط به ولتاژ و جریان سوئیچ­ها و دیودهای مبدل پیشنهادی در شکل (12) نشان داده­شده­است. با توجه به این شکل­ها، همه­ی سوئیچ­ها و دیودهای مبدل پیشنهادی تحت شرایط کلیدزنی نرم عمل می­کنند. شکل­های 12الف و ب شرایط ZVS برای لحظه­های روشن شدن کلیدهای اصلی و کمکی S1, Sa1 مبدل را نشان می­دهد و همان­گونه که مشخص است، بیشینه ولتاژ کلیدهای اصلی مبدل 80 ولت می­باشد؛ بنابراین موجب کاهش تلفات هدایتی مبدل پیشنهادی می­شود. 

 

 

شکل (11): نمونه آزمایشگاهی مبدل پیشنهادی پیاده سازی شده

 

در شکل­های (12) ج و د عملکرد کلیدزنی نرم را به ترتیب برای دیودهای DO2و DO1 و دیودهای D1و D2، را نشان می­دهد که در لحظه­ی روشن و خاموش شدن آن­ها شرایط ZCS برقرار است.

6-       مقایسه مبدل دو ورودی پیشنهادی با مبدل­های دو ورودی پیشین

در اين قسمت مبدل دو ورودي پيشنهادي با مبدل­هاي دو ورودی دیگر از نظر تعداد المان، نوع كليدزني، استرس ولتاژ روي سوييچ­ها و بهره مقايسه مي­شود. همان­طور كه در جدول (2) آورده­ شده ­است،مبدل پیشنهادی از مبدل­های ]31[.و]32[ دارای تعداد المان بالاتری است ولی بهره مبدل پیشنهادی بسیار بالاتر و استرس ولتاژ روی سوییچ­ها بسیار پایین­تر از مبدل­ها می­باشد. در ضمن ریپل مرجع ]31[ بالا است و برای انرژی سبز مناسب نیست. مبدلهای ]30[ و ]33[علاوه بر تعداد المان بالاتر دارای بهره پایینتر و استرس بالاتراز مبدل پیشنهادی هستند.از طرفی سوییچهای مبدل ]33[ دارای تلفات خازنی روشن شدن می باشد.

 

جدول (2 ): مقايسه پارامترهاي مبدل دو ورودي با مبدلهاي ارايه شده پيشين

مبدل پيشنهادي	]33[	]32[	]31[	]30[	مرجع پارامتر
18	20	11	16	20	تعداد المان
4	2	3	3	3	تعداد سوییچ
ZV	ZC	ZV	ZV	ZV	نوع كليدزني
(2n+2)/1-D	(n+1)/1-D	1/1-D	(n+1)/1-D	2/1-D	بهره ولتاژ
Vo/(2n+2)	Vo/(n+1)	Vo	Vo/(n+1)	Vo/2	استرس ولتاژ روي سوييچ
پایین	پایین	پایین	بالا	پایین	ریپل جریان ورودی

 

شکل (۱۲) شکل موج­های عملی مبدل دو ورودی پیشنهادی الف- شکل موج ولتاژ (بالا) و جریان (پایین) سوییچ S1 ب- شکل موج ولتاژ (بالا) و جریان (پایین) سوییچ Sa1 ج- شکل موج جریان دیودهای D1 (بالا) وD2(بالا) د- شکل موج جریان دیودهای Do1 (بالا) وDo2(بالا)

 

در شکل (13) نمودار راندمان مبدل بسیار افزاینده دو ورودی پیشنهادی نسبت به مبدل بسیار افزاینده دو ورودی سوئیچینگ سخت (بدون مدار كمكي) نشان داده­شده­است. به خاطر وجود سلف تزويج­ شده در مدار لازم است كه حتما براي مبدل سوئيچينگ سخت از مدار كلمپ براي سوييچ­ها استفاده شود كه به خاطر وجود مقاومت در اين مدار تلفات مدار افزايش يافته و موجب کاهش راندمان شده است. همان­طور که در شکل (18) نیز مشخص است راندمان مبدل در شرایط سوئیچینگ نرم نسبت به مبدل در شرایط سوئیچینگ سخت افزایش یافته­است.علت کاهش محسوس راندمان در بار سبک از بین رفتن کلیدزنی نرم در بار سبک می­باشد. با توجه به شکل (13)، راندمان مبدل پیشنهادی در توان نامی 120 وات 96% بوده که نسبت به نمونه سوئیچینگ سخت حدود 6% افزایش یافته است.

 

 

شکل (13): نمودار بازده مبدل پیشنهادی نسبت به مبدل بسیار افزاینده دو ورودی سخت

7-       نتيجه‏گیری

در اين مقاله، یک مبدل دو ورودی با توپولوژی جدید ارایه گردید تا بتواند در کاربردهای انرژی سبز که منابع فوتوولتاییک و پیل سوختی به­صورت هیبرید استفاده می­شوند به کار رود. مبدل پیشنهادی دارای ریپل جریان ورودی پایین است تا امکان استحصال ماکزیمم توان فراهم باشد. از طرفی تعداد المان مدار کمکی در آن پایین است تا مدار کمکی تلفات محسوسی به مبدل تحمیل نکند و عملکرد آن را پیچیده نسازد. نتایج عملی نشان می­دهد که سوییچ­ها به خاطر کلیدزنی در ولتاژ صفر فاقد تلفات روشن شدن خازنی هستند و دیودها نیز به خاطر خاموش شدن تحت جریان صفر مشکل بازیابی معکوس ندارند. لذا راندمان مبدل بالا است و در بار کامل به 96 درصد می­رسد. همچنین از آنجایی­که سوییچ­های کمکی بصورت مکمل با سوییچ­های اصلی عمل می­کنند پیاده سازی مدار کنترل ساده است.

مراجع

 

[1]       A. Iranpour Mobarakeh, R. Sadeghi,  H. Saghafiesfahani and M. Delshad, 'Techno-economic energy management of micro-grid in the presence of distributed generation sources based on demand response programs" ,International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol.  141,  no. 2, pp. 128-134, May 2022, doi:10.1016/j.ijepes.2022.108169.

[2]       P. C. Heris, Z. Saadatizadeh and E. Babaei, "A New Two Input-Single Output High Voltage Gain Converter With Ripple-Free Input Currents and Reduced Voltage on Semiconductors," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 8, pp. 7693-7702, Aug. 2019, doi: 10.1109/TPEL.2018.2880493.

[3]       N. Zanatta, T. Caldognetto, D. Biadene, G. Spiazzi and P. Mattavelli, "A Two-Stage DC-DC Isolated Converter for Battery-Charging Applications," in IEEE Open Journal of Power Electronics, vol. 4, pp. 343-356, 2023, doi: 10.1109/OJPEL.2023.3271227.

[4]          D. Liu and H. Li, "A ZVS Bi-Directional DC- DC Converter for Multiple Energy Storage Elements," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 21, pp. 1513-1517, 2006, doi: 10.1109/TPEL.2006.882450.

[5]          D. Liu and H. Li, "A novel multiple-input ZVS bidirectional DC-DC converter,"in Industrial Electronics Society, 2005, pp. 134-140, doi: 10.1109/IECON.2005.1568969 .

[6]          R. Wai, C. Lin, J. Liaw, and Y. Chang, "Newly designed ZVS multi input converter," Industrial Electronics,IEEE Transactionson, vol.58, pp. 555566, 2011, doi: 10.1109/TIE.2010.2047834.

[7]          Y. Liu and Y. Chen, "A systematic approach to synthesizing multii nput DC–DC converters," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 1, pp. 116-127, 2009, doi: 10.1109/TPEL.2008.2009170.

[8]          A. Lavanya, J. D. Navamani, K. Vijayakumar, and R. Rakesh, "Multiinput DC-DC converter topologies-a review," in 2016 International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques (ICEEOT), 2016, pp. 2230-2233, doi: 10.1109/ICEEOT.2016.7755089.

[9]          K. P. Yalamanchili, M. Ferdowsi, and K. Corzine, "New double input dcdc converters for automotive applications," in 2006 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2006, pp. 106. 114 , doi: 10.1109/VPPC.2006.364366.

[10]          Y. Chen, Y. Liu, and S. Lin, "Double-input PWM DC/DC converter for high-/low-voltage sources," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, no. 5, pp. 1538-1545, 2006, doi: 10.1109/TIE.2006.882001.

[11]       A.  IranpourMobarakeh, R. Sadeghi, H. SaghafiEsfahani and M. Delshad," Optimal planning and operation of energy hub by considering demand response algorithms and uncertainties based on problem-solving approach in discrete and continuous space", Electric Power Systems Research, vol. 214, Part A,2023,108859,doi:10.1016/j.epsr.2022.108859.

[12]          A. T. Harchegani and M. Mahdavi, "A New Soft Switching Dual Input Converter for Renewable Energy Systems," Journal of Power Electronics, vol. 17, no. 5, pp. 1127-1136, 2017, doi: 10.6113/JPE.2017.17.5.1127.

[13]          K. Gummi and M. Ferdowsi, "Double-input dc–dc power electronic converters for electric-drive vehicles—Topology exploration and synthesis using a single-pole triple-throw switch," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 2, pp. 617-623, 2010, doi: 10.1109/TIE.2009.2032762.

[14]          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.

[15]          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.

[16]          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.

[17]       M. Delshad and H. Farzanehfard, "A new isolated bidirectional buck-boost PWM converter," 1st Power Electronic & Drive Systems & Technologies Conference (PEDSTC), Tehran, Iran, 2010, pp. 41-45, doi: 10.1109/PEDSTC.2010.5471860.

[18]         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.

[19]         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.

[20]         H. S. Chung, "Design and analysis of a switched-capacitor-based stepup 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.

[21]         F. Ghasemi, M. R. Yazdani and M. Delshad, "Step-Up DC-DC Switching Converter With Single Switch and Multi-Outputs Based on Luo Topology," in IEEE Access, vol. 10, pp. 16871-16882, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3150316.

[22]         F. L. Luo, "Luo-converters, voltage lift technique," in PESC 98 Record. 29th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference (Cat. No. 98CH36196), 1998, vol. 2: IEEE, pp. 1783-1789.

[23]         F. L. Luo, "Luo-converters, a series of new DC-DC step-up (boost) conversion circuits," in Proceedings of Second International Conference on Power Electronics and Drive Systems, 1997, vol. 2: IEEE, pp. 882- 888, doi: 10.1109/PEDS.1997.627511.

[24]         F. L. Luo, "Six self-lift DC-DC converters, voltage lift technique," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 48, no. 6, pp. 1268-1272, 2001, doi: 10.1109/41.969408.

[25]         M. Zhu and F. Luo, "Series SEPIC implementing voltage-lift technique for DC–DC power conversion," IET Power Electronics, vol. 1, no. 1, pp. 109-121, 2008, doi: 10.1049/iet-pel:20060494. 

[26]         Y. Jiao, F. Luo, and M. Zhu, "Voltage-lift-type switched-inductor cells for enhancing DC–DC boost ability: principles and integrations in Luo converter," IET Power electronics, vol. 4, no. 1, pp. 131-142, 2011, doi: 10.1049/iet-pel.2010.0021.

[27]         Y. Tang, T. Wang, and D. Fu, "Multicell switched-inductor/switched capacitor combined active-network converters," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 4, pp. 2063-2072, 2014, doi: 10.1109/TPEL.2014.2325052. 

[28]       M. Delshad and E. Shahri, "A new soft switching interleaved boost converter with high voltage gain," The 8th Electrical Engineering/ Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI) Association of Thailand - Conference, 2011, pp. 744-747, doi: 10.1109/ECTICON.2011.5947947

[29]         M. K. Kazimierczuk, Pulse-width modulated DC-DC power converters. John Wiley & Sons, 2015.

[30]       M. Delshad, A. T. Harchegani, M. Karimi and M. Mahdavi, "A new ZVT Multi Input Converter for hybrid sources systems," 2016 International Conference on Applied Electronics (AE), Pilsen, Czech Republic, 2016, pp. 61-64, doi: 10.1109/AE.2016.7577242

[31]          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.

[32]          D. A. Grant, Y. Darroman, and J. Suter, "Synthesis of tapped-inductor switched-mode converters," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 5, pp. 1964-1969, 2007, doi: 10.1109/TPEL.2007.904215.

[33]         M. Vesali, H.  Ranjbar and A. Motamedi-Nasab ," A Two Input High Step Converter with Zero Current Switching Condition for Switches Turn-On Instances', Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System, vol. 1, no. 2, pp. 63-76, 2022; doi: 10.30486/teeges.2022.1960073.1017

 

زیرنویس‏ها

 فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز، سال سوم، شماره ۲، تابستان ۱۴۰۳                                        15

---

[1]  Coupled

[2]  Soft switching

[3]  Switching frequency

[4]  Power density

[5]  Zero voltage switching

[6]  Leakage inductance

[7]  Spike

[8]  Complement

[9]  Not

[10]  Snubber

---