طراحی و آنالیز ساختاری جدید در مبدل های DC-DC افزاینده غیرایزوله

محورهای موضوعی : مبدل های الکترونیک قدرت

مسعود امامداد ¹ , احسان اکبری ² , شیما کرباسی ³ , عباس زارع قلعه سیدی ⁴

1 - گروه مهندسی برق- واحد دزفول، دانشگاه آزاد اسلامی، دزفول، ایران
2 - دانشکده مهندسی برق- دانشگاه علوم و فنون مازندران، بابل، ایران
3 - دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر- دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
4 - بخش مهندسی برق- دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران

تاریخ دریافت : 1400/10/13 تاریخ پذیرش : 1401/02/11 تاریخ انتشار : 1403/06/01

کلید واژه: راندمان, بهره ولتاژ, افزاینده ولتاژ, مبدل غیرایزوله,

چکیده مقاله :

به دنبال کمیاب شدن منابع تجدیدناپذیر مانند نفت، گاز و زغال سنگ، تحقیقات بیشتری بر مسئله مصرف بالای انرژی و وابستگی جامعه به سوخت‌های فسیلی منعطف شده است. استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و توسعه ریزشبکه‌ها می‌تواند امری ضروری جهت کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی باشد. سیستم‌های فتوولتائیک به عنوان منبع تامین انرژی تجدیدپذیر نقش بسیار اساسی در ریز شبکه‌ها را دارند. در این سیستم‌ها، معمولاً ولتاژ خروجی سلول بسیار کمتر از ولتاژ مورد نیاز باس DC بوده و با افزایش جریان خروجی، میزان این ولتاژ به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. از این رو، حضور یک مبدل DC-DC افزاینده با محدوده ولتاژ ورودی گسترده برای اتصال بین منبع سلول ولتاژ پایین و باس DC ولتاژ بالای متصل به اینورتر ضروری به نظر می‌رسد. در این مقاله یک ساختار جدید در مبدل های DC-DC غیرایزوله افزاینده ولتاژ بر مبنای روش افزایش ولتاژ ارائه شده است. مبدل پیشنهادی در مقایسه با مراجع اخیر دارای بهره ولتاژ مناسب در خروجی و استرس ولتاژ قابل قبول روی سوئیچ و دیود است. ساختار مبدل دارای یک سوئیچ است که کنترل آن راحت تر بوده و با توجه به نقطه مشترک منبع ورودی و بار خروجی مبدل قابلیت اطمینان بالایی دارد. تجزیه و تحلیل استرس ولتاژ و انتخاب المان های مناسب به همراه تحلیل مبدل در حالت مد کاری پیوسته انجام شده و با توجه به نتایج آزمایشگاهی ارائه شده صحت محاسبات تایید می شود.

چکیده انگلیسی:

Following the scarcity of non-renewable resources such as oil, gas and coal, more research is focused on the issue of high energy consumption and society's dependence on fossil fuels. The use of renewable energy and the development of microgrids can be necessary to reduce dependence on fossil fuels. Photovoltaic systems play a key role in microgrids as a source of renewable energy supply. In these systems, the output voltage of the cell is usually much lower than the voltage required by the DC bus, and as the output current increases, the amount of this voltage decreases significantly. Therefore, the presence of a step-up DC-DC converter with a wide input voltage range is necessary to connect the low-voltage cell source and the high-voltage DC bus connected to the inverter. In this paper, a new structure is presented for non-insulated DC-DC boost converters based on voltage lift technique. The proposed converter has a proper voltage gain at output and an acceptable voltage stress on switch and diodes in comparison with recent references. The proposed converter has a switch with easier control and high reliability due to the input source common point and the output load of the converter. Analysis of the voltage stress as well as selection of suitable elements along with converter analysis in continuous mode are performed and calculation validity is confirmed by presented laboratory results.

منابع و مأخذ:

[1] D. Maksimovic, A.M. Stankovic, V.J. Thottuvelil, G.C. Verghese, "Modeling and simulation of power electronic converters", Proceedings of the IEEE, vol. 89, no. 6, pp. 898-912, June 2001 (doi: 10.110­9/5.9­314­8­6).

[2] N.P. Papanikolaou, E.C. Tatakis, "Active voltage clamp in flyback converters operating in CCM mode under wide load variation", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 51, no. 3, pp. 632–640, June 2004 (doi: 10.1109/TIE.2004.825342).

[3] J.M. Kwon, B.H. Kwon, "High step-up active-clamp converter with input-current doubler and output-voltage doubler for fuel cell power systems", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 24, no. 1, pp. 108–115, Jan. 2009 (doi: 10.1109/TPEL.2008.2006268).

[4] A.L. Masich, H.V. Blavi, J.M. B. Moncusi, L.M. Salamero, "A high-voltage sic-based boost PFC for LED applications", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 31, no. 2, pp. 1633–1642, Mar. 2016) doi: 10.1109/TPE­L.2­01­5.2418212(.

[5] N. Genc¸ I. Iskender, "Teaching of power quality phenomenon based on modeling and simulation of boost type PFC converters", Computer Applications in Engineering Education, vol. 20, no. 1, pp. 149–160, Mar. 2012 )doi:10.1002/cae.20382(.

[6] S. Dwari, L. Parsa, "A novel high efficiency high power interleaved coupled-inductor boost DC-DC converter for hybrid and fuel cell electric vehicle", Proceeding of the IEEE/VPPC, pp. 399–404, Arlington, TX, USA, Sept. 2007 )doi: 10.1109/V­PPC.2007.4544159(.

[7] K. Patidar, A.C. Umarikar, "A step-up PWM dc-dc converter for renewable energy applications", Inte­rn­ati­on­al Journal of Circuit Theory and Applications., vol. 44, no. 4, pp. 817–832, April 2016 )doi: 10.10­02/­c­ta.2108(.

[8] R.J. Wai, C.Y. Lin, R.Y. Duan, Y.R. Chang, "High-efficiency DC– DC converter with high voltage gain and reduced switch stress", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 54, no. 1, pp. 354–364, Feb. 2007 )doi: 10.1109/TIE.2006.888794(.

[9] M.G. Ortiz-Lopez, J. Leyva-Ramos, L.H. Diaz-Saldierna, E.E. Carbajal-Gutierrez, "Multiloop controller for n-stage cascade boost converter", Proceeding of the IEEE/CCA, pp. 587–592, Singapore, Oct. 2007 )doi: 10.1109/CCA.2007.4389295(.

[10] M. Prudente, L.L. Pfitscher, G. Emmendoerfer, R. Gules, "Voltage multiplier cells applied to non-isolated dc-dc converters", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 23, no. 2, pp. 871–887, Mar. 2013 )doi: 10.11­09/T­PE­L.2007.915762(.

[11] F.M. Shahir, E. Babaei, M. Farsadi, "Voltage-Lift technique based nonisolated boost DC–DC converter: Analysis and design", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 33, no. 7, pp. 5917-5926, July 2018 )doi: 10.110­9/TPEL.2017.2740843(.

[12] Y.M. Ye, K.W.E. Cheng, "Quadratic boost converter with low buffer capacitor stress", IET Power Electronics, vol. 7, no. 5, pp. 1162–1170, May 2014 )doi:10.1049/iet-pel.2013.0205(.

[13] B. Wu, S. Li, Y. Liu, K.M. Smedley, "A new hybrid boosting converter for renewable energy applications", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 31, no. 2, pp. 1203-1215, Feb. 2016 )doi: 10.1109/TPEL.2­01­5.2420­994(.

[14] T. Nouri, E. Babaei, S.H. Hosseini, "A generalized ultra step-up dc-dc converter for high voltage application with design considerations", Electric Power Systems Research, vol. 5, pp. 71–84, Aug. 2013 )doi: 10.1016/j.e­psr.2013.07.012(.

[15] Y.T. Chen, W.C. Lin, R.H. Liang, "An interleaved high step-up DC-DC converter with double boost paths", International Journal of Circuit Theory and Applications, vol. 43, no. 8, pp. 976–983, Aug. 2015 )doi: 10.1002/cta.1986(.

[16] S.M. Chen, T.J. Liang, L.S. Yang, J.F. Chen, "A cascaded high step-up dc-dc converter with single switch for micro-source applications", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 26, no. 4, pp. 1146–115, Feb. 2011 )doi: 10.1109/TPEL.2010.2090362(.

[17] S.V. Cheong, S.H. Chung, A. Ioinovici, "Development of power electronics converters based on switched-capacitor circuits", Proceeding of the IEEE/ISCAS, pp. 1907–1910, San Diego, CA, USA, May 1992 (doi: 10.1109/ISCAS.1992.230438).

[18] R. Madeira, N. Paulino, "Analysis and implementation of a power management unit with a multiratio switched capacitor DC–DC converter for a supercapacitor power supply", International Journal of Circuit Theory and Applications, vol. 44, no. 11, pp. 2018–2034, Nov. 2016 )doi: 10.1002/cta.2209(.

[19] L. Zhou, B. Zhu, Q. Lou, S. Chen, "Interleaved non-isolated high stepup dc/dc converter based on the diode-capacitor multiplier", IET Power Electronics, vol. 7, pp. 390–397, Feb. 2014 )doi: 10.1049/iet-pel.20­13.­0­124(.

[20] T. Nouri, S.H. Hosseini, E. Babaei, J. Ebrahimi, "Interleaved high step-up dc-dc converter based on three-winding high-frequency coupled inductor and voltage multiplier cell", IET Power Electronics, vol. 8, no. 2, pp. 175–189, Feb. 2015 )doi: 10.1049/iet-pel.2014.0165(.  

[21] R.J. Wai, R.Y. Duan, "High step-up converter with coupledinductor", IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 20, no. 5, pp. 1025–1035, Sept. 2005 )doi: 10.1109/TPEL.2005.854023(.

[22] T.F. Wu, Y.S. Lai, J.C. Hung, Y.M. Chen, “Boost converter with coupled inductors and buck–boost type of active clamp,” IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 55, no. 1, pp. 154–162, Jan. 2008 )doi: 10.1109/TIE­.20­07.903925(.

[23] Y.P. Hsieh, J.F. Chen, T.J. Liang, L.S. Yang, "Novel high step-up DC–DC converter with coupled-inductor and switched-capacitor techniques", IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 59, no. 2, pp. 998–1007, Feb. 2012 )doi: 10.1109/TIE.2011.2151828(.

[24] F.M. Shahir, E. Babaei, M. Farsadi, "Extended topology for a boost DC-DC converter", IEEE Trans on Power Electronics, vol. 34, no. 3, pp. 2375-2384, March 2019 )doi: 10.1109/TPEL.2018.2840683(.

[25] F.M. Shahir, E. Babaei, M. Farsadi, "Analysis and design of voltage-lift technique-based non-isolated boost dc-dc converter", IET Power Electronics, vol. 11, no. 6, pp. 1083-1091, July 2018 )doi: 10.1049/iet-pel.20­17.0­­25­9(.

[26] A. Rajabi, F.M. Shahir, E. Babaei, "Designing a novel voltage-lift technique based non-isolated boost DC-DC converter with high voltage gain", International Trans. on Electrical Energy Systems, vol. 31, no. 12, Article Number: e13213, 2021 )doi: 10.1002/2050-7038.13213(.