UPORABA TEHNIKE MEHKEGA PREKLAPLJANJA ZA IZBOLJŠANJE UČINKOVTOSTI IN POVEČANJE GOSTOTE MOČI ENOFAZNEGA PRETVORNIKA S KOREKCIJO FAKTORJA MOČI

Autor: Konjedic, Tine
Přispěvatelé: Milanovič, Miro
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2015
Předmět:
Zdroj: Maribor
Popis: This thesis investigates the possibilities for increasing the power conversion efficiency and power density of a single-phase single-stage AC-DC converter with power factor correction capability. Initially, the limitations are investigated for simultaneous increase of power density and efficiency in hard switched bidirectional converters. The switching frequency dependent turn-on losses of the transistors have been identified as the main limiting factor. In order to avoid the increase in total power losses with increasing the switching frequency, a control approach is proposed for achieving zero voltage switching transitions within the entire operating range of a bidirectional converter that utilizes power transistors in a bridge structure. This approach is based on operation in the discontinuous conduction mode with a variable switching frequency. Operation in the discontinuous conduction mode ensures the necessary reversed current that naturally discharges the parasitic output capacitance of the transistor and thus allows this transistor to be turned on at zero voltage. On the other hand, the varying switching frequency ensures that the converter operates close to the zero voltage switching boundary, which is defined as the minimum required current ripple at which zero voltage switching can be maintained. Operation with the minimum required current ripple is desirable as it generates the lowest magnetic core losses and conduction losses within the power circuit. The performance and effectiveness of the investigated approach were initially verified in a bidirectional DC-DC converter. A reliable zero voltage switching was confirmed over the entire operating range of a bidirectional DC-DC converter, as well as the absence of the reverse recovery effect and the unwanted turn-on of the synchronous transistor. In order to justify its usage and demonstrate its superior performance, the proposed zero voltage switching technique was compared with a conventional continuous conduction mode operation which is characterized by hard switching commutations. After successful verification and implementation in a bidirectional DC-DC converter, the investigated zero voltage switching approach was adapted for usage in an interleaved DC-AC converter with power factor correction capability. Comprehensive analysis of the converter's operation in discontinuous conduction mode with a variable switching frequency was performed in order to derive its power loss model. The latter facilitated the design process of the converter's power circuit. A systematic approach for selecting the converter's power components has been used while targeting for an extremely high power conversion efficiency over a wide operating range and a low volume design of the converter. The final result of the investigations performed within the scope of this thesis is the interleaved AC-DC converter with power factor correction capability. Utilization of interleaving allows for increasing the converter's power processing capability, reduces the conducted differential mode noise and shrinks the range within which the switching frequency has to vary. The proposed zero voltage switching control approach was entirely implemented within a digital signal controller and does not require any additional components within the converter's circuit. The experimental results have confirmed highly efficient operation over a wide range of operating powers. A peak efficiency of 98.4 % has been achieved at the output power of 1100 W, while the efficiency is maintained above 97 % over the entire range of output powers between 200 W and 3050 W. Doktorska disertacija raziskuje možnosti za povečanje izkoristka močnostne pretvorbe in gostote moči enofaznega enostopenjskega mostičnega usmernika s korekcijo faktorja moči. Najprej smo preučili omejitve, ki preprečujejo hkratno povečanje gostote moči in izkoristka dvosmernih trdo-preklapljanih mostičnih pretvornikov. Izgube pri vklopu močnostih tranzistorjev, ki so odvisne tudi od stikalne frekvence, prispevajo največji delež k celotnim izgubam mostičnih pretvornikov in posledično predstavljajo največjo oviro za hkratno povečanje gostote moči in izkoristka. Z namenom preprečitve povečevanja izgub pri močnostni pretvorbi z višanjem stikalne frekvence smo predlagali napreden način vodenja pretvornika, s katerim se doseže mehko preklapljanje tranzistorjev pri ničelni napetosti v celotnem območju delovanja enofaznega mostičnega pretvornika. Predlagani način vodenja temelji na obratovanju v nezveznem režimu delovanja in sprotnem prilagajanju stikalne frekvence. Z ustreznim obratovanjem v nezveznem režimu tako zagotovimo povratni tok, ki je potreben za praznjenje izhodnega parazitnega kondenzatorja močnostnega tranzistorja pred njegovim vklopom. Po izpraznitvi parazitnega izhodnega kondenzatorja je možen vklop tranzistorja pri ničelni napetosti. S časovno in bremensko-odvisnim spreminjanjem stikalne frekvence zagotovimo obratovanje na meji preklapljanja pri ničelni napetosti. Slednja predstavlja stikalno frekvenco, pri kateri dosežemo minimalni potrebni povratni tok, pri katerem je mogoče vzdrževati preklapljanje pri ničelni napetosti. Delovanje z minimalnim povratnim tokom je zaželeno z vidika minimizacije izgub v magnetnih jedrih in prevodnih izgub v močnostnem tokokrogu. Podali smo tudi navodila za načrtovanje takšnega načina vodenja, ki bo zagotovil zanesljivo preklapljanje tranzistorjev v mostični strukturi pri ničelni napetosti znotraj celotnega območja delovanja pretvornika. Delovanje in učinkovitost predlaganega načina vodenja je bilo prvotno preverjeno na dvosmernem DC-DC pretvorniku. Potrjeni so bili tako zanesljivi preklopi pri ničelni napetosti kot tudi odsotnost okrevanja notranje diode tranzistorjev in neželenega vklopa. Izvedli smo tudi primerjavo predlaganega načina vodenja v nezveznem režimu z najpogosteje uporabljanim delovanjem v zveznem režimu. Pri slednjem se preklopi tranzistorjev izvedejo pri polni zaporni napetosti. Rezultati primerjave so pokazali, da z uporabo predlaganega načina vodenja s preklapljanjem pri ničelni napetosti dosežemo višji izkoristek močnostne pretvorbe in ugodnejšo ter bolj enakomerno porazdelitev izgub v pretvorniku. Izrazito manjši je predvsem delež stikalnih izgub, ki dovoljuje uporabo manjših komponent za hlajenje in posledično omogoča povečanje gostote moči pretvornika. Izpostaviti je treba tudi dejstvo, da je za delovanje v nezveznem režimu zahtevana manjša induktivnost močnostne dušilke. Takšno induktivnost lahko dosežemo z uporabo manjšega magnetnega jedra, kar nudi možnost za dodatno zmanjšanje dimenzij pretvornika. Po uspešnem testiranju na dvosmernem DC-DC pretvorniku smo predlagali še način vodenja v nezveznem režimu s konstantno amplitudo povratnega toka in spremenljivo stikalno frekvenco, prilagojen za uporabo v AC-DC pretvorniku s korekcijo faktorja moči. V doktorski disertaciji je podrobno predstavljeno načrtovanje obravnavanega močnostnega stikalnega pretvornika, ki je bil tudi izdelan in eksperimentalno preizkušen. Proces načrtovanja je bil usmerjen v doseganje čim višjega izkoristka močnostne pretvorbe s pretvornikom čim manjših dimenzij. Eksperimentalni rezultati potrjujejo izredno visoko učinkovitost delovanja, saj znaša maksimalni izkoristek močnostne pretvorbe 98.4 %. Slednji je dosežen pri izhodni moči 1100 W. Ob visokem maksimalnem izkoristku pa pretvornik odlikuje tudi visok izkoristek v širšem območju delovanja, ki presega 97 % v celotnem območju izhodnih moči med 200 W in 3050 W.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: