یک مبدل فلای‌بک کلیدزنی نرم درهم تنیده جدید با سلف‌های تزویج شده موازی و بازیابی انرژی سلف نشتی

محورهای موضوعی : انرژی های تجدیدپذیر

زهرا پیروان ¹ , مجید دلشاد ² , محمدرضا امینی ³

1 - دانشکده فنی مهندسی- واحد خوراسگان، دانشگاه آزاد اسلامی، خوراسگان، اصفهان، ایران
2 - دانشکده فنی مهندسی- واحد خوراسگان، دانشگاه آزاد اسلامی، خوراسگان، اصفهان، ایران
3 - دانشکده فنی مهندسی- واحد خوراسگان، دانشگاه آزاد اسلامی، خوراسگان، اصفهان، ایران

تاریخ دریافت : 1400/02/23 تاریخ پذیرش : 1400/06/02 تاریخ انتشار : 1400/06/01

کلید واژه: کلیدزنی نرم, کلیدزنی در ولتاژ صفر, درهم تنیده, مبدل فلای بک,

چکیده مقاله :

در این مقاله یک مبدل فلای بک درهم تنیده با کلیدزنی در ولتاژ صفر با دو ترانسفورمر ارائه گردیده است که متشکل از دو مبدل فلای بک اکتیو کلمپ است و سوئیچ اصلی یک مبدل به عنوان سوئیچ کمکی مبدل دیگر عمل می کند. این مبدل در مقایسه با مبدل های فلای بک در هم تنیده کلیدزنی نرم مشابه دارای المان های کمکی کمتر و استرس ولتاژ و جریان کمتر است. ارائه مدار کمکی جدید برای اعمال کلیدزنی نرم، علاوه بر افزایش راندمان، تعداد نیمه هادی اضافه شده را به حداقل می رساند. همچنین از دیگر مزایای این ساختار می توان به قابل اعمال بودن مدار کمکی ارائه شده به سایر مبدل های ایزوله اشاره کرد. ایجاد شرایط کلیدزنی نرم در این مبدل توسط مدار کمکی به گونه ای است که سوئیچ های مبدل تحت شرایط ZVS روشن و خاموش می گردند و دیود های مبدل تحت شرایط ZCS روشن و خاموش می گردند. راندمان مبدل فلای بک در هم تنیده پیشنهادی با کلیدزنی در ولتاژ صفر در بار کامل نیز به میزان 5 درصد افزایش می یابد. از مزایای دیگر مبدل پیشنهادی این است که سوئیچ Q2علاوه بر آنکه شرایط کلیدزنی در ولتاژ صفر را برای سوئیچ Q1فراهم می کند، خود نیز انرژی را منتقل می کند و باعث افزایش چگالی توان مبدل و کاهش استرس جریان می گردد. مبدل به طور کامل تجزیه و تحلیل گردیده و برای تایید درستی عملکرد آن یک نمونه آزمایشگاهی 300 وات ساخته شده است و نتایج عملی ارائه می گردد.

چکیده انگلیسی:

In this paper, a ZVS interleaved flyback converter with two transformers is presented, which consists of two active clamp flyback converters and the main switch of one converter acts as an auxiliary switch of another converter. This converter has less auxiliary elements and less voltage and current stress compared to similar soft switching interleaved flyback converters. The introduction of a new auxiliary circuit for soft switching, in addition to increasing efficiency, minimizes the number of added semiconductors. Also, another advantage of this structure is the applicability of the provided auxiliary circuit to other isolated converters. The soft switching conditions in this converter are created by the auxiliary circuit in such a way that the converter switches turn on and off under ZVS conditions and the converter diodes turn on and off under ZCS conditions. The efficiency of the proposed ZVS interleaved flyback converter at full load is increased by 5%. Another advantage of the proposed converter is that the Q2 switch, in addition to providing zero voltage switching conditions for the Q1 switch, it also transmits energy and increases the density of the converter power and reduces the current stress. The converter is thoroughly analyzed and a 300W laboratory prototype is made to confirm its correct operation and practical results are presented. 

منابع و مأخذ:

[1] M. Delshad, N. Asadi-Madiseh, M.R. Amini, "Implementation of soft-switching bidirectional flyback converter without auxiliary switch", IET Power Electronics, vol. 6, no. 9, pp. 1884-1891, Nov. 2013 (doi: 10.1049/iet-pel.2012.0472).

[2] K.R. Kothapalli, M.R. Ramteke, H.M. Suryawanshi, N.K. Reddi, R.B. Kalahasthi, "Soft-switched ultrahigh gain dc–dc converter with voltage multiplier cell for dc microgrid", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 68, no. 11, pp. 11063-11075, Nov. 2021 (doi: 10.1109/TIE.2020.3031453).

[3] Y. Shi, X. Gui, J. Xi, X. Wang, X. Yang, "Large power hybrid soft switching mode pwm full bridge dc–dc converter with minimized turn-on and turn-off switching loss", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 34, no. 12, pp. 11629-11644, Dec. 2019 (doi: 10.1109/TPEL.2019.2904982).

[4] D. Taheri, G. Shahgholian, M M. Mirtalaei, “Design of a non-isolated multi-input converter with soft switching and high step-up voltage gain”, Iranian Electric Industry Journal Quality and Productivity, vol. 10, no. 1, pp. 75-87, Summer 2021 (doi: 20.1001.1.23222344.1400.10.2.55.2) (in Persian).

[5] B.R. Lin, H.K. Chiang, C.Y. Cheng, "Analysis and implementation of an interleaved ZVS bi-flyback converter", IET Power Electronics, vol. 3, no. 2, pp. 259-268, April 2010 (doi: 10.1049/iet-pel.2008.0189).

[6] M. Jabbari, H. Kazemi, N. Hematian, G. Shahgholian, "A novel resonant LLC soft-switching buck converter", Proceeding of the IEEE/ISIE, pp. 370-374, Istanbul, Turkey, June 2014 (doi: 10.1109/ISIE.2014.6864641).

[7] J. Lee, J. Park, J.H. Jeon, "Series-connected forward–flyback converter for high step-up power conversion", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 26, no. 12, pp. 3629-3641, Dec. 2011 (doi: 10.1109/TPEL.2011. 2162747).

[8] M. Mohammadi, E. Adib, M.R. Yazdani, "Family of soft-switching single-switch PWM converters with lossless passive snubber", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 62, no. 6, pp. 3473-3481, June 2015 (doi: 10.1109/TIE.2014.2371436).

[9] H. Seong, H. Kim, K. Park, G. Moon, M. Youn, "High step-up dc-dc converters using zero-voltage switching boost integration technique and light-load frequency modulation control", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 27, no. 3, pp. 1383-1400, March 2012 (doi: 10.1109/TPEL.2011.2162966).

[10] G. Haghshenas, S.M.M. Mirtalaei, H. Mordmand, G. Shahgholian,"High step-up boost-flyback converter with soft switching for photovoltaic applications", Journal of Circuits, Systems, and Computers, Vol. 28, No. 1, pp. 1-16, Jan. 2019  (doi:10.1142/S0218126619500142) (ISSN: 0218-1266).

[11] R. Khorami, M. Delshad, H. Saghafi, "A new step-down dc-dc converter with synchronous rectifier and soft switching conditions", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 12, no. 48, pp. 93-105, Feb. 2022 (in Persian).

[12] G. Haghshenas-Jazi, S.M.M. Mirtalaei, "Design and implementation of a high step-up boost-flyback converter with soft switching", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 7, no. 28, pp. 15-26, Feb. 2017 (in Persian).

[13] W. Chang, K. Lin, C. Lee, L. Lo, J. Lin, T. Yang, "18.5 ZVS flyback-converter ICs optimizing USB power delivery for fast-charging mobile devices to achieve 93.5% efficiency", Proceeding of the IEEE/ISSCC, pp. 294-296, San Francisco, CA, USA, 2020 (doi: 10.1109/ISSCC19947.2020.9062996).

[14] D.M. Bellur, M.K. Kazimierczuk, "Review of zero current switching flyback pwm dc-dc converters", Wiley, 2009.

[15] Y.P.B. Yeung, H.H.C. Iu, K.W.E. Cheng, B. Robert, "A zero-current switching PWM flyback converter with low current stress", Proceeding of the IEEE/IECON, pp. 2324-2328, Paris, France, Nov. 2006 (doi: 10.110­9/IEC­ON.2006.347941).

[16] C. Chu, M. Jong, "A zero-voltage-switching PWM flyback converter with an auxiliary resonant circuit", Proceeding of the IEEE/PEDS, pp. 22-27, Taipei, Taiwan, Nov. 2009 (doi: 10.1109/PEDS.2009.5385698).

[17] E. Adib, H. Farzanehfard, "Zero-voltage-transition PWM converters with synchronous rectifier", IEEE Trans. on power electronics,vol. 25, no.1, pp. 105-110, jan. 2010 (doi: 10.1109/tpel.2009.2024153).

[18] M.R. Mohammadi, H. Farzanehfard, "New family of zero-voltage-transition PWM bidirectional converters with coupled inductors", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 59, no. 2, pp. 912-919, Feb. 2012 (doi: 10.1109/TIE.2011.2148681).

[19] C. Wang, "A novel zcs-pwm flyback converter with a simple zcs-pwm commutation cell", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 55, no. 2, pp. 749-757, Feb. 2008 (doi: 10.1109/tie.2007.911917).

[20] E. Adib, H. Farzanehfard, "Analysis and design of a zero-current switching forward converter with simple auxiliary circuit", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 27, no. 1, pp. 144-150, Jan. 2012 (doi: 10.110­9/TPE­L.2010.2096478).

[21] C.M. Wang, C.H. Su, C.H. Yang, "ZVS-PWM flyback converter with a simple auxiliary circuit", IEE Pro­c­e­­eding- Electronic Power Applications, vol. 153, no. 1, pp. 116-122, Feb. 2006 (doi: 10.1049/ip-epa: 200­50­1­23).

[22] B.R. Lin, J.Y. Dong, "Analysis and implementation of an active-clamping zero-voltage turn-on swit­ching/zero-current turn-off switching converter", IET Power Electronics, vol. 3, pp. 429-437, June 2010 (doi: 10.1049/iet-pel.2009.0090).

[23] Y. Hsieh, M. Chen, H. Cheng, "An interleaved flyback converter featured with zero-voltage transition", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 26, no.1, pp. 79-84, jan. 2011 (doi: 10.1109/tpel.2010.205817).

[24] J. Yin, J. Lu, Y. Liu, J. Peng, H. Jiang, "Novel phase-shift method for fast power reversal with transient zero voltage switching in a bidirectional dual active bridge dc–dc converter", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 68, no. 9, pp. 8028-8038, Sept. 2021 (doi: 10.1109/TIE.2020.3013549).

[25] H. Bodur, A.F. Bakan, "An improved ZCT-PWM dc-dc converter for high-power and frequency applic­ations", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 51, no. 1, pp. 89-95, Feb. 2004 (doi: 10.1109/TIE.2003.822091).

[26] S. Xu, S. Xu, Q. Qian, C. Wang, S. Lu, W. Sun, "Sample-data modeling for active clamp flyback converter in critical conduction mode with PCM and ZVS control at variable switching frequency", Proceeding of the IEEE/APEC, pp. 98-102, New Orleans, LA, USA, 2020 (doi: 10.1109/APEC39645.2020.9124268).

[27] M.J. Esfandani, M. Feizi, R. Beiranvand, "CCM operation of a Single-Stage boost-flyback converter with active-clamp for led Driver Applications", Proceeding of the IEEE/PEDSTC, pp. 1-6, Tehran, Iran, 2020 (doi: 10.1109/PEDSTC49159.2020.9088460).

[28] W.H. Chang, Y.M. Chen, C.J. Chen, P.Y. Wang, K.Y. Lin, C.C. Lee, L.D. Lo, J.Y.G. Lin, T.Y. Yang, "Highly integrated ZVS flyback converter ICs with pulse transformer to optimize USB power delivery for fast-charging mobile devices", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 55, no. 12, pp. 3189-3199, Dec. 2020 (doi: 10.1109/JSSC.2020.3021509).

[29] C.C. Kuo, J.J. Lee, Y.H. He, J.Y. Wu, K.H. Chen, Y.H. Lin, S.R. Lin, T.Y. Tsay, "A dynamic resonant period control technique for fast and zero voltage switching in gan-based active clamp flyback converters", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 36, no. 3, pp. 3323-3334, March. 2021 (doi: 10.1109/TPEL.2020.3­0­16­324).

[30] R. Aliakbari, M. Delshad, "A new ZCS high step-up converter with low auxiliary elements", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 8, no. 32, pp. 21-28, Feb 2018 (in Persian).