یک مبدل دو ورودی جدید با کلیدزنی نرم برای سیستم های هیبرید انرژی سبز
محورهای موضوعی : مهندسی برق الکترونیک
احمد عبدالکاظم عیسی
1
(1- دانشکده مهندسی برق،واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، خوراسگان، اصفهان، ایران)
محمد حسین ارشادی
2
(دانشکده مهندسی برق،واحد خمینی شهر، دانشگاه آزاد اسلامی،خمینی شهر، ایران)
کلید واژه: مبدل دو ورودی, کلیدزنی نرم, بهره ولتاژ بالا, کلیدزنی در ولتاژ صفر.,
چکیده مقاله :
در این مقاله یک مبدل دو ورودی جدید با کلیدزنی در ولتاژ صفر برای سیستمهای هیبرید انرژی سبز ارایه شده است. در مبدل پیشنهادی از یک مدار کمکی جدید برای ایجاد شرایط کلیدزنی در ولتاژ صفر با کمترین تعداد المان کمکی استفاده شده است. مدار کمکی نه تنها شرایط کلیدزنی در ولتاژ صفر را فراهم می کند بلکه انرژی سلف نشتی را نیز در خود جذب کرده و مانع جهشهای ولتاژ دو سر سوییچهای اصلی مدار می شود. از طرفی استفاده از سلفهای تزویج شده نیز بهره مبدل را افزایش داده و استرس ولتاژ روی سوییچها را به شدت کاهش می دهد. مبدل پیشنهادی در توان 120 وات طراحی و در نرم افزار PSpice شبیه سازی شده استو همچنین برای اثبات تحلیلهای تئوری مدار یک نمونه آزمایشگاهی از آن ساخته شده است.
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.
[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
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, MSc., Mohammad HoseinErshadi2, Assistant Professor
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, ershadi@iaukhsh.ac.ir
DOI: http://dx.doi.org/10.30486/teeges.2024.2001875.1115
| 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، ershadi@iaukhsh.ac.ir
DOI: http://dx.doi.org/10.30486/teeges.2024.2001875.1115
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.
(۱) |
| ||||
(۲) |
| ||||
(۳) |
| ||||
(۴) |
| ||||
(۵) |
|
(۶) |
| ||||
(۷) |
| ||||
(۸) |
| ||||
(۹) |
|
(۱۰) |
|
(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
مقالات مرتبط
-
مبدل کلیدزنی نرم بهره ولتاژ بالای با استفاده از خازن سوئیچ‌شونده با ورودی منبع جریان
تاریخ چاپ : 1402/09/01 -
-
-
-
یک مبدل دو ورودی بسیار افزاینده جدید با کلید زنی نرم تحت جریان صفر در زمان روشن شدن سوئیچها
تاریخ چاپ : 1401/06/01 -
طراحی شتاب دهنده ی سخت افزاری بهینه برای پیاده سازی الگوریتم تابع درهم ساز BLAKE2b
تاریخ چاپ : 1401/09/01
حقوق این وب‌سایت متعلق به سامانه مدیریت نشریات دانشگاه آزاد اسلامی است.
حق نشر © 1403-1400