ساختار جدید کلیدزنی نرم در مبدل DC/DC با ضریب بهره ولتاژ بالا و راندمان مناسب در توان انتقالی بالا
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوترامید شریفیانا 1 , مجید دهقانی 2 , غضنفر شاهقلیان 3 * , سید محمد مهدی میرطلایی 4 , مسعود جباری 5
1 - دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد
2 - دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد
3 - دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد
4 - دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد
5 - دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد
کلید واژه: منابع انرژی نو, مبدل افزاینده, تشدید سری, ضریب بهره ولتاژ, کلیدزنی نرم,
چکیده مقاله :
از محدودیت‌های اصلی استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر برای تولید برق می‌توان به کم‌بودن ولتاژ خروجی نیروگاه‌های تولید برق با انرژی‌های نو اشاره کرد. بنابراین جهت بهره‌گیری کارآمدتر از انرژی‌های تجدیدپذیر طراحی یک مبدل با ضریب بهره بالاتر و راندمان بیشتر از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این مقاله یک ساختار جدید ارائه شده که هم‌زمان با داشتن یک مبدل افزاینده، تلفات ناشی از کلیدزنی نرم نسبت به روش‌های مرسوم به حداقل رسانده می‌شود. همچنین بر اساس روش ارائه‌شده تنش ولتاژ روی دیودها و کلیدها در حد قابل قبول محدود می‌شود. یک مبدل افزاینده ساده می‌تواند به کمک اضافه‌کردن یک شاخه موازی با ایجاد تشدید سری تا حد قابل ملاحظه‌ای ولتاژ خروجی را افزایش دهد و هم‌زمان کلیدزنی در ولتاژ صفر را ممکن سازد. مبدل پیشنهادی بدون اضافه‌کردن قطعه فعال به مبدل و با ساختار ساده غیر ایزوله در توان 500 وات و ولتاژ 385 ولت دارای ضریب بهره ولتاژ حدود 8/10 و راندمان بیشتر از 93% است. نتایج شبیه‌سازی عملکرد مبدل پیشنهادی را برای حالت‌های عملکردی مختلف نشان می‌دهد.
One of the main limitations of using renewable energies for electricity generation is the low output voltage of power plants with renewable energies. Therefore, the design of a converter with higher gain voltage and higher efficiency is important in the use of renewable energies. In this paper, a new topology that simultaneously has the structure of a boost converter can minimize switching losses by conventional soft switching methods and is also able to reduce voltage stress on diodes and switches Keep to an acceptable level. A simple boost converter can Increase the output voltage significantly by adding a parallel branch by generating a series resonance and enables zero voltage switching at the same time. Suggested converter without adding active element to converter with simple non-isolated structure at 500 watts and 385 volts it has a voltage gain factor of about 10.8 and efficiency of over 93%. The results show the performance simulation of the proposed converter for different performance modes.
[1] G. Haghshenas, S. M. M. Mirtalaei, H. Mordmand, and G. Shahgholian, "High step-up boost-fly back converter with soft switching for photovoltaic applications," J. of Circuits, Systems, and Computers, vol. 28, no. 1, pp. 1-16, Jan. 2019.
[2] ا. بابائی، ا. عباس‌نژاد، س. علیلو و م. صباحی، "تحلیل، طراحی و شبیه‌سازی یک مبدل dc/dc کاهنده با کلیدزنی تحت ولتاژ و جریان صفر،" نشریه کیفیت و بهره‌وری صنعت برق ایران، سال 4، شماره 2، صص. 62- 49، پاييز و زمستان 1394.
[3] S. H. Mozafarpoor-Khoshrodi and G. Shahgholian, " Improvement of perturb and observe method for maximum power point tracking in wind energy conversion system using fuzzy controller," Energy Equipment and Systems, vol. 4, no. 2, pp. 111-122, Autumn 2016.
[4] K. Khani and G. Shahgholian, "Analysis and optimization of frequency control in isolated microgrid with double-fed induction-generators based wind turbine," J. of International Council on Electrical Engineering, vol. 9, no. 1, pp. 24-37, Feb. 2019.
[5] م. ر. بنائي و ح. اژدرفائقي بناب، "آنالیز عملکرد مبدل dc-dc کاهنده- افزاینده جدید با ضریب افزایندگی بالا برای کاربرد در سیستم خورشیدی،" نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- نشریه مهندسی برق، سال 15، شماره 3، صص. 184- 175، پاییز 1396.
[6] ر. علی‌اکبری و م. دلشاد، "یک مبدل بسیار افزاینده کلیدزنی در جریان صفر جدید با المان کمکی کم،" روش‌های هوشمند در صنعت برق، سال 8، شماره 32، صص. 28- 21، زمستان 1396.
[7] س. م. م. میرطلائی و ر. امانی نافچی، "مبدل DC-DC بسیار افزاینده بوست با سلف تزویج‌شده و تکنیک دیود- خازن،" نشریه روش‌های هوشمند در صنعت برق، سال 10، شماره 39، صص. 12- 3، پاییز 1398.
[8] B. P. R. Baddipadiga, V. A. K. Prabhala, and M. Ferdowsi, "A family of high-voltage-gain DC-DC converters based on a generalized structure," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 33, no. 10, pp. 8399-8411, Oct. 2018.
[9] N. Vazquez, L. Estrada, C. Hernandez, and E. Rodriguez, "The tapped-inductor boost converter," in Proc. of the Int. Symp. on Industrial Electronics, . pp. 538-543, Vigo, Spain, 4-7 Jun. 2007.
[10] J. Yao, K. Li, K. Zheng, and A. Abramovitz, "On the equivalence of the switched inductor and the tapped inductor converters and its application to small signal modelling," Energies, vol. 12, Article No.: 4906, 19 pp., 2019.
[11] Q. Zhao and F. C. Lee, "High performance coupled-inductor dc-dc converter," in Proc. of 18th Annual IEEE Applied Power Electronics Conf. and Exposition, pp. 109-113, Miami Beach, FL, USA, 9-13 Feb. 2003.
[12] T. V. Nguyen, et al., "Self-powered high efficiency coupled inductor boost converter for photovoltaic energy conversion," Energy Procedia, vol. 36, pp. 650-656, 2013.
[13] Q. Zhao and F. C. Lee, "High-efficiency, high step-up dc-dc converters," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 18, no. 1, pp. 65-73, Jan. 2003.
[14] T. Wu, Y. Lai, J. Hung, and Y. 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.
[15] D. M. Van de Sype, K. De Gusseme, W. R. Ryckaert, A. P. Van de Bossche, and J. A. Melkebeek, "A single switch buck-boost converter with a high conversion ratio," in Proc. European Conference on Power Electronics and Applications, pp. 1-10, Dresden, Germany, Sept. 2005.
[16] W. Li and X. He, "Review of non-isolated high-step-up dc/dc converters in photovoltaic grid-connected applications," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 58, no. 4, pp. 1239-1250, Apr. 2011.
[17] H. Liu, H. Hu, H. Wu, Y. Xing, and I. Batarseh, "Overview of high-step-up coupled-inductor boost converters," IEEE J. of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 4, no. 2, pp. 689-704, Jun. 2016.
[18] Y. Zhao, W. Li, and X. He, "Single-phase improved active clamp coupled-inductor-based converter with extended voltage doubler cell," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 27, no. 6, pp. 2869-2878, Jun. 2012.
[19] B. Gu, J. Dominic, J. S. Lai, Z. Zhao, and C. Liu, "High boost ratio hybrid transformer DC-DC converter for photovoltaic module applications," in Proc. . of 18th Annual IEEE Applied Power Electronics Conf. and Exposition, pp. 598-606, Orlando, FL, USA, 5-9 Feb. 2012.
[20] T. Liang, S. Chen, L. Yang, J. Chen, and A. Ioinovici, "Ultra-large gain step-up switched-capacitor dc-dc converter with coupled inductor for alternative sources of energy," IEEE Trans. on Circuits and Systems, vol. 59, no. 4, pp. 864-874, Apr. 2012.
[21] R. Wai, C. Lin, R. Duan, and Y. 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.
[22] K. Tseng, J. Lin, and C. Huang, "High step-up converter with three-winding coupled inductor for fuel cell energy source applications," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 30, no. 2, pp. 574-581, Feb. 2015.
[23] J. W. Baek, M. H. Ryoo, T. J. Kim, D. W. Yoo, and J. S. Kim, "High boost converter using voltage multiplier," in Proc. 31st Annual Conf. of IEEE Industrial Electronics Society, 6 pp., Raleigh, NC, USA, 6-10 Nov. 2005.
[24] T. J. Liang, S. M. Chen, L. S. Yang, J. F. Chen, and A. Ioinovici, "Ultra large gain step-up switched-capacitor DC-DC converter with coupled inductor for alternative sources of energy," IEEE Trans. on Circuit and System, vol. 59, no. 4, pp. 864-874, Apr. 2012.
[25] D. R. Garth, W. J. Muldoon, G. C. Benson, and E. N. Costague, "Multi-phase, 2-kilowatt, high-voltage, regulated power supply," in Proc. of EEE Power Electronics Specialists Conf., pp. 110-116, Pasadena, CA, USA, 19-20 Apr. 1971.
[26] M. T. Zhang, Y. Jiang, F. C. Lee, and M. M. Jovanovic, "Single-phase three-level boost power factor correction converter," in Proc. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition , vol. 1, pp. 434-439, Dallas, TX, USA, 5-9 Mar. 2002.
[27] K. I. Hwu and Y. T. Yau, "An interleaved ac-dc converter based on current tracking," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 56, no. 5, pp. 1456-1463, May 2009.
[28] G. Franceschini, E. Lorenzani, M. Cavatorta, and A. Bellini, "3boost: a high-power three-phase step-up full-bridge converter for automotive applications," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 55, no. 1, pp. 173-183, Jan. 2008.
[29] P. W. Lee, Y. S. Lee, D. K. W. Cheng, and X. C. Liu, "Steady-state analysis of an interleaved boost converter with coupled inductors," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 47, no. 4, pp. 787-795, Aug. 2000.
[30] X. Huang, X. Wang, T. Nergaard, J. S. Lai, X. Zhu, and L. Xu, "Parasitic ringing and design issues of digitally controlled high-power interleaved boost converters," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 19, no. 5, pp. 1341-1352, Sep. 2004.
[31] L. Huber and M. M. Jovanovic, "A design approach for server power supplies for networking applications," in Proc. of 15th Annual IEEE Applied Power Electronics Conf. and Expo., vol. 2, pp. 1163-1169, New Orleans, LA, USA, 6-10 Feb. 2000.
[32] X. Feng, J. Liu, and F. C. Lee, "Impedance specifications for stable dc distributed power systems," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 17, no. 2, pp. 157-162, Mar. 2002.
[33] T. F. Wu and T. H. Yu, "Unified approach to developing single-stage power converters," IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems, vol. 34, no. 1, pp. 211-223, Jan. 1998.
[34] B. R. Lin and J. J. Chen, "Analysis and implementation of a soft switching converter with high-voltage conversion ratio," IET-Power Electron, vol. 1, no. 3, pp. 386-394, Oct. 2008.
[35] R. Suriyakulnaayudhya, "A high gain step-up fly boost converter for high voltage high power applications," in Proc. of the IEEE/EEEIC, vol. ???, pp. 1268-1272, Rome, Italy, Jun. 2015.
[36] S. L. Brockveld and G. Waltrich, "Boost-flyback converter with interleaved input current and output voltage series connection," IET Power Electronics, vol. 11, no. 8, pp. 1463-1471, May 2018.
[37] A. B. Shitole, S. Sathyan, H. Suryawanshi, M. G. G. Talapur, and P. Chaturvedi, "Soft-switched high voltage gain boost-integrated flyback converter interfaced single-phase grid-tied inverter for SPV integration," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 54, no. 1, pp. 482-493, Jan./Feb. 2018.
[38] A. E. L. Costa and R. L. Andersen, "High-gain boost-boost-flyback converter for renewable energy sources applications," in Proc. of the IEEE 13th Brazilian Power Electronics Conf. and 1st Southern Power Electronics Conf., 6 pp., Fortaleza, Brazil, 29 Nov.-2 Dec. 2015.
[39] س. م. م. میرطلائی و ر. جابری، "بررسی مبدل بوست- فلای‌بک بهره بالا در کاربرد سیستم‌های خورشیدی،" روش‌های هوشمند در صنعت برق، سال 9، شماره 34، صص. 28- 19، تابستان 1397.
[40] V. T. Liu and L. J. Zhang, "Design of high efficiency boost-forward-flyback converters with high voltage gain," in Proc. of the IEEE Int. Conf. on Control & Automation, pp. 1061-1066, Taichung, Taiwan, 18-20 Jun. 2014.
[41] A. M. S. S. Andrade, E. Mattos, and M. L. S. Martins, "High-efficiency boost-flyback converter with voltage multiplier cells for high voltage gain application," Electric Power Components and Systems, vol. 46, no. 1, pp. 104-111, 2018.
[42] A. Affam, Y. Buswig, A. H. Othman, N. B. Julai, and O. Qays, "A review of multiple input dc-dc converter topologies linked with hybrid electric vehicles and renewable energy systems," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 135, Article No.: 110186, 23 pp., Jan. 2021.
[43] M. Jabbari and M. S. Dorcheh, "Resonant multi-input/multi-output/bidirectional ZCS step-down dc-dc converter with systematic synthesis for point-to-point power routing," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 33, no. 7, pp. 6024-6032, Jul. 2018.
[44] M. Veerachary and P. Kumar, "Analysis and design of quasi-z-source equivalent dc-dc boost converters," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 56, no. 6, pp. 6642-6656, Nov./Dec. 2020.
[45] S. Hasanpour, Y. Siwakoti, and F. Blaabjerg, "Hybrid cascaded high step-up dc/dc converter with continuous input current for renewable energy applications," IET Power Electronics, vol. 13, no. 15, pp. 3487-3495, Nov. 2020.
[46] A. Alzahrani, P. Shamsi, and M. Ferdowsi, "A novel non-isolated high-gain dc-dc boost converter," in Proc. of North American Power Symp., 6 pp., Morgantown, WV, USA, 17-19 Sept. 2017.
[47] M. Premkumar, et al., "A novel non-isolated high step-up DC-DC boost converter using single switch for renewable energy systems," Electrical Engineering, vol. 102, no. ???, pp. 811-829, Jun. 2020.
[48] N. H. Pour and K. Varesi, "A new non-isolated high gain DC-DC converter suitable for renewable energies," in Proc. of the 10th Int. Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conf., pp. 747-751, Shiraz, Iran, 12-14 Feb. 2019.
[49] M. Hanifehpour, et al., "No-isolated high gain dc/dc converter with low input current ripple suitable for renewable applications," Electric Power Components and Systems, vol. 48, no. 11, pp. 1171-1184, 2020.
[50] M. Eydi, S. H. Hosseini, and R. Ghazi, "A new high gain DC-DC boost converter with continuous input and output currents," in Proc. of the the 10th Int. Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conf.,, pp. 224-229, Shiraz, Iran, 12-14 Feb. 2019.
[51] J. Loranca-Coutino, et al., "High gain boost converter with reduced voltage in capacitors for fuel-cells energy generation systems," Electronics, vol. 9, no. 11, Article Number: 1480, 20 pp., Nov. 2020.
[52] F. L. Tofoli, D. C. Pereira, W. J. Paula, and D. S. O. Junior, "Survey on non-isolated high-voltage step-up dc-dc topologies based on the boost converter," IET Power Electronics, vol. 8, no. 10, pp. 2044-2057, Oct. 2015.
[53] W. Yu, et al., "High efficiency converter with charge pump and coupled inductor for wide input photovoltaic ac module applications," in Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Expo., pp. 3895-3900, San Jose, CA, USA, 20-24 Sept. 2009.
[54] R. J. Wai and R. Y. Duan, "High step-up converter with coupled-inductor," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 20, no. 5, pp. 1025-1035, Sept. 2005.
نشريه مهندسي برق و مهندسي كامپيوتر ايران، الف- مهندسي برق، سال 19، شماره 2، تابستان1400 77
مقاله پژوهشی
ساختار جدید کلیدزنی نرم در مبدل DC/DC با ضریب
بهره ولتاژ بالا و راندمان مناسب در توان انتقالی بالا
امید شریفیانا، مجید دهقانی، غضنفر شاهقلیان، سید محمدمهدی میرطلایی و مسعود جباری
چكيده: از محدودیت‌های اصلی استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر برای تولید برق می‌توان به کم‌بودن ولتاژ خروجی نیروگاه‌های تولید برق با انرژی‌های نو اشاره کرد. بنابراین جهت بهره‌گیری کارآمدتر از انرژی‌های تجدیدپذیر طراحی یک مبدل با ضریب بهره بالاتر و راندمان بیشتر از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این مقاله یک ساختار جدید ارائه شده که هم‌زمان با داشتن یک مبدل افزاینده، تلفات ناشی از کلیدزنی نرم نسبت به روش‌های مرسوم به حداقل رسانده می‌شود. همچنین بر اساس روش ارائه‌شده تنش ولتاژ روی دیودها و کلیدها در حد قابل قبول محدود می‌شود. یک مبدل افزاینده ساده می‌تواند به کمک اضافه‌کردن یک شاخه موازی با ایجاد تشدید سری تا حد قابل ملاحظه‌ای ولتاژ خروجی را افزایش دهد و هم‌زمان کلیدزنی در ولتاژ صفر را ممکن سازد. مبدل پیشنهادی بدون اضافه‌کردن قطعه فعال به مبدل و با ساختار ساده
غیر ایزوله در توان 500 وات و ولتاژ 385 ولت دارای ضریب بهره ولتاژ حدود 8/10 و راندمان بیشتر از 93% است. نتایج شبیه‌سازی عملکرد مبدل پیشنهادی را برای حالت‌های عملکردی مختلف نشان می‌دهد.
کليدواژه: منابع انرژی نو، مبدل افزاینده، تشدید سری، ضریب بهره ولتاژ، کلیدزنی نرم.
1- مقدمه
تا کنون مطالعات فراوانی برای کنترل و استفاده بهینه از اساسی‌ترین منابع تولید انرژی یعنی انرژی‌های تجدیدپذیر انجام شده ولی همچنان یکی از چالش‌های اصلی پژوهشگران مباحث الکترونیک قدرت است [1] و [2]. یکی از نیازها که نسبت به سایر خواسته‌ها از اهمیت بیشتری برخوردار است، تولید نیروی برق از انرژی‌های نو است زیرا نیروگاه‌ها بر پایه انرژی‌های تجدیدپذیر علاوه بر ارزان و در دسترس بودن، کاملاً با محیط زیست سازگار بوده و علاوه بر این پایان‌ناپذیر هستند [3] و [4]. از معایب اصلی این نیروگاه‌ها می‌توان به پایین‌بودن سطح ولتاژ خروجی تجهیزات تبدیل‌کننده انرژی‌های نو به انرژی الکتریکی اشاره کرد. بهترین روش برای برطرف‌کردن این مشکل استفاده از مبدل‌های افزاینده DC/DC است [5] و [6]. این مبدل‌ها می‌توانند با داشتن ساختاری ساده و در عین حال دارابودن راندمان بالا و بهره‌بردن از یک ضریب بهره ولتاژ مناسب، خروجی قابل قبولی برای یک نیروگاه تولید انرژی الکتریکی بر پایه انرژی‌های نو فراهم کنند. در نیروگاه‌ها بر پایه انرژی‌های نو، یک مبدل DC/DC بعد از ورودی وجود دارد که ولتاژ DC خروجی منبع انرژی (نیروگاه بر پایه انرژی نو) را تا حد مورد نیاز باس DC افزایش می‌دهد. مبدل‌های DC/DC از نظر ایزولاسیون به دو دسته تقسیم می‌شوند. در مبدل‌های غیر ایزوله یا از تزویج مغناطیسی استفاده نمی‌شود و یا به صورت ساختارهایی که ارتباط الکتریکی بین ورودی و خروجی همیشه برقرار است، مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد [7] و [8]. یکی از ساختارهایی که می‌توان آن را به عنوان حالت بهینه در نظر گرفت، ساختار غیر ایزوله با تزویج مغناطیسی است [9] و [10]. ساختار تزویج مغناطیسی سلف اصلی با سلفی دیگر به صورت فلای‌بک نیز از دیگر ساختارهای پیشنهادی برای مبدل‌ها است. محدودیت توان و ضریب بهره ولتاژ باعث گردید تا ساختارهای کامل‌تری مانند استفاده از ساختارهای چند برابر کننده دیود- خازنی مورد توجه قرار گیرد [11] و [12]. در سال‌های اخیر جهت بهبود ساختارهایی با تزویج مغناطیسی بین سلف اصلی مبدل و سلف اضافه‌شده در خروجی مطالعات گسترده‌ای انجام شده است. از جمله این ساختارها می‌توان به ساختارهایی بر همین اساس به همراه مدار کلمپ اشاره کرد. این استراتژی خود شامل ساختارهای متعددی مانند مدار کلمپ، دو سر سلف اصلی بدون قطعه فعال [13]، با اضافه‌کردن کلید برای افزایش ضریب بهره [14] و ساختار مدار کلمپ موازی غیر فعال خروجی [15] می‌شود. این ساختار به اینجا محدود نشده و طرح‌هایی همچون استفاده از مدار کلمپ موازی به همراه ساختار چند برابر کننده دیود- خازنی نیز ارائه گردیده است [16]. حتی با اضافه‌کردن چند طبقه افزاینده ولتاژی غیر فعال [17]، بهره‌بردن از مدار کلمپ فعال موازی و افزاینده ولتاژ دیود- خازنی روی سلف خروجی [18] و افزودن ساختارهای اضافی جهت کلیدزنی نرم [19] و یا قراردادن افزاینده‌های ولتاژ برای هر یک از سلف‌های مبدل نیز نتوانسته به خواسته‌های مورد نظر در تمام زمینه‌ها برسد. در راستای بهبود مبدل‌های با تزویج مغناطیسی غیر ایزوله ساختارهای ترکیبی شامل یک مبدل بوست تزویج‌شده با یک مبدل فلای‌بک ساده جالب به نظر می‌رسد، ولی هنوز انتقال توان محدود و مشکل ناپیوستگی جریان که ذات مبدل‌های بوست و فلای‌بک است، وجود دارد. هرچند این ساختار با افزودن چند برابر کننده‌های ضریب بهره ولتاژی دیود- خازنی مرسوم، به ولتاژهای مورد نظر نزدیک می‌شوند [20] اما سایر خواسته‌ها هنوز قابل دستیابی نیستند.
در ادامه می‌توان طرح‌های کامل‌تری که از ساختار پایه سلف تزویج در
شکل 1: مدار مبدل پیشنهادی.
خروجی، البته به صورت دو طبقه، که هر طبقه نیم موج را تقویت می‌کند [21] به همراه مدارات کلمپ با همین ساختار ولی با بهره‌گیری از یک مبدل فلای‌بک به عنوان یکی از طبقات را مورد توجه قرار داد [22]. با حفظ همین ساختار دستیابی به مبدلی که در ضمن داشتن یک ضریب بهره ولتاژ مناسب، پیوستگی جریان خروجی را نیز تضمین کند دور از انتظار نیست. برای رسیدن به این هدف می‌توان به جای مبدل فلای‌بک یادشده از یک مبدل فلای پیشرو استفاده کرد [23] و حتی این مبدل را با اضافه‌کردن چند برابر کننده‌های ولتاژ مرسوم ارتقا داد [24]. حال که بحث ضریب بهره ولتاژ و پیوستگی جریان به نقطه نسبتاً مناسبی رسید، زمان برطرف‌کردن محدودیت توان انتقالی فرارسیده است. به راحتی می‌توان با موازی‌کردن دو مبدل بوست توان انتقالی را افزایش داد و یا در عین حال با یک تقسیم توان مناسب بین هر مسیر به کمک کلیدزنی تا حد زیادی مشکلات مربوط به جریان هجومی را بهبود بخشید [25] و
یا حتی همین ساختار را به صورت یک مبدل ساده ولی کاربردی مشابه تمام پل [26] ارائه کرد. در این مبدل‌ها به کمک اضافه‌کردن قطعه‌های غیر فعال و فعال می‌توان به سمت کلیدزنی نرم هم حرکت کرد [27] و همین طور با تزویج دو مسیر به ساختارهایی با تزویج مغناطیسی با جریان پیوسته و بهره ولتاژی مناسب و انتقال توان بالا دست یافت [28] و یا پا را فراتر گذاشته و ترکیبی از این مبدل و مبدل‌های موسوم به چندسطحی را پیشنهاد کرد [29] و بعد هم با سری‌کردن چندین مبدل از هر کدام از
این ساختارها [30] و یا ترکیب مبدل چندسطحی با یک مبدل بر پایه شاخه‌های موازی و استفاده از یک مدار کمکی برای کلیدزنی نرم [31] طرح‌های فراوانی ارائه کرد و همواره ساختارهای دو مبدل بوست مجزای سری‌شده [32] یا مبدل بوست سه‌سطحی با ساختار کلید غیر فعال [33] و یا مبدل سری‌شده سه‌سطحی با کلیدزنی در ولتاژ صفر با مدار کمکی فعال را نام برد [34]. اکنون می‌خواهیم به بررسی دقیق‌تر مبدل‌های غیر ایزوله با بهره‌گیری از ساختارهای فلای‌بک و فلای پیشرو و همچنین استفاده از سری‌کردن خازن‌های خروجی چند مبدل یادشده برای رسیدن به ضریب بهره ولتاژ بالا بپردازیم. مبدل بوست ساده‌ای را در نظر بگیرید که سلف اصلی آن به صورت تزویج با یک سلف با جهت پیچش عکس قرار گرفته است. این امر موجب می‌شود که سلف اصلی خازن مبدل اصلی و سلف تزویج خازن مبدل فلای‌بک را شارژ کند، حال سری قرار گرفتن این
دو خازن طرح جالبی به نظر می‌رسد [35]. همین ساختار را می‌توان با بهره‌بردن از چند سلف اصلی به صورت موازی برای افزایش توان مبدل و هم‌زمان تزویج چند سلف به صورت فلای‌بک و سری‌ساختن تمام خازن‌های خروجی همه مبدل‌ها مورد توجه قرار داد [36]. برای ساختارهای مشابه که از تزویج با یک مبدل فلای‌بک بهره می‌برند، دو برابر کننده ولتاژ غیر فعال در سمت مبدل فلای‌بک جالب به نظر می‌رسد [37]. اگر همچنان به دنبال افزایش ضریب بهره ولتاژ باشیم، می‌توانیم از ساختارهای بوست آبشاری و ترکیبشان با مبدل تزویج‌شده فلای‌بک بهره ببریم [38] و [39]. مبدل بوست با ضریب بهره و راندمان بالا خواسته طرح‌حای است که با ترکیب یک مبدل بوست و استفاده از تزویج و پدیدآوردن یک مبدل فلای پیشرو با یک سلف مجزا و داشتن مدار کلمپ کمکی در ورودی و همچنین داشتن توانایی کلیدزنی نرم با همین سلف اضافه‌شده نیز یکی از کامل‌ترین ساختارهای این دسته از مبدل‌های افزاینده به شمار می‌آید [40] و [41]. مبدل‌های افزاینده‌ای که امروزه در نیروگاه‌های بر پایه انرژی نو مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند، می‌توانند با پوشش‌دادن چند ورودی متفاوت کارایی ساختار را تا حد زیادی بهبود بخشند [42] و [43]. از همین دست مبدل‌ها می‌توان به ساختارهایی با امپدانس ورودی خاص که به ساختارهای Zsource شناخته می‌شوند که امروزه زیاد مورد توجه قرار دارند اشاره کرد [44]. طراحی مبدل‌های آبشاری با حفظ پیوستگی جریان نیز از ساختارهای جذاب و پرکاربرد در این زمینه است [45].
اخیراً به کمک اضافه‌کردن افزاینده‌های غیر فعال (دیود- خازنی) به مبدل افزاینده با ساختار دو سلف موازی در ورودی [46] و [47] و همچنین بررسی مبدل‌هایی با توانایی افزایش ولتاژ به کمک ساختار دو کلید موازی و خازن کلیدشونده [48] و [49] و طرح‌هایی که فقط پیوستگی جریان در آن هدف اصلی بوده [50] و [51] در حال بهینه‌شدن هستند.
در این مقاله با در نظر گرفتن تمام خواسته‌های مبدل افزاینده DC/DC یک ساختار جدید با ضریب بهره ولتاژ بالا هم‌زمان با حفظ بهره‌وری مدار در عین انتقال توان بالا به کمک کلیدزنی نرم با حداقل قطعه ممکن پیشنهاد شده است. در این مبدل نیاز به ساختارهای کمکی نیست و کمترین قطعه فعال یعنی یک کلید به کار برده شده و همچنین از هر گونه پیچیدگی در قسمت‌های قدرت و بخش کنترل پرهیز شده است. طراحی و نتایج شبیه‌سازی برای یک نمونه 500 وات با ولتاژ ورودی 36 ولت و خروجی 380 ولت (ضریب بهره ولتاژ بیش از 10) ارائه شده که بازده آن بیشتر از 93% است. ساختار مقاله به این شرح است: در قسمت دوم مقاله ساختار مبدل پیشنهادی بر پایه مبدل افزاینده غیر ایزوله ارائه شده و در قسمت سوم حالت‌های کاری مبدل در چهار حالت عملکردی همراه با روابط هر حالت بیان گردیده است. در قسمت چهارم بر اساس حالت‌های عملکردی مبدل پیشنهادی، عملکرد پایدار مبدل بررسی شده است. در قسمت پنجم طراحی مبدل و در قسمت ششم نتایج شبیه‌سازی آمده است. در قسمت هفتم نتایج عملی نمونه آزمایشگاهی مبدل ساخته‌شده آمده و نهایتاً در قسمت هشتم نتیجه‌گیری نهایی مقاله بیان شده است.
2- ساختار مبدل پیشنهادی
یک ساختار جدید بر پایه مبدل افزاینده غیر ایزوله با سلف تزویج و کلید سخت برای کلیدزنی در ولتاژ صفر ارائه گردیده که در آن طراحی مناسب و کاربردی برای به حداقل رساندن تلفات کلیدزنی انجام شده است.
مدار مبدل پیشنهادی در شکل 1 نشان داده شده است. در این ساختار یک مبدل غیر ایزوله با تزویج تمام پل دیود- خازنی در خروجی، یک
شکل 2: موج‌های کلی مدار مبدل پیشنهادی.
ضریب بهره ولتاژی مناسب با یک نسبت تبدیل کم بین دو سلف تزویج و دوره کاری محدود کلید، ساختار قابل قبولی از نظر ضریب بهره ولتاژ را ارائه کرده است. در ادامه چون ساختار تزویج غیر ایزوله توان انتقالی تا حدی با محدودیت مواجه است، به کمک اضافه‌کردن شاخه‌ای موازی به این ساختار بدون اضافه‌کردن کلید فعال مشکل تأمین توان و تقسیم جریان بین دو سلف تا حد زیادی برطرف شده است. ولی چون جریان عبوری هر دو شاخه موازی به طور هم‌زمان از کلید در لحظه روشن‌شدن عبور می‌کند، به یک ساختار کلیدزنی نرم نیاز است. نکته مهم در لحظه روشن‌شدن کلید است که دیود سری‌شده با کلید خاموش است و اجازه برقرارشدن جریان در شاخه تشدیدی را در لحظه اول که تنش ولتاژی روشن‌شدن روی کلید زیاد است نمی‌دهد و تا حد زیادی از عبور هم‌زمان جریان دو شاخه از کلید جلوگیری می‌کند و در حقیقت به نوعی جریان هجومی سلف‌ها را تعدیل می‌کند.
از نوآوری‌های این ساختار می‌توان به اجرایی‌بودن کلیدزنی نرم با استفاده از یک ساختار تشدیدی بسیار ساده ولی در عین حال کاربردی بین سلف غیر تزویج و یک خازن که با آن به صورت سری قرار گرفته اشاره کرد. ساختار پیشنهادی بدون اضافه‌کردن کلید قدرت توانسته در ساختار رزونانسی را ممکن سازد و آن هم با استفاده از سلف ساختار اصلی و با خازن به نسبت کوچک و به کمک دیود سری با کلید از عبور جریان هم‌زمان دو سلف از کلید در لحظه روشن‌شدنش جلوگیری کرده که در افزایش توان انتقالی مبدل نقش بسزایی ایفا کرده است.
در زمان روشن‌بودن کلید با ایجاد ولتاژ صفر کلید سخت مناسبی ایجاد می‌کند. از طرفی چون در مدت زمان روشن‌بودن کلید دو سر خازن تشدید اتصال کوتاه است، این خازن به صورت کامل دشارژ شده و ولتاژ آن برابر صفر گردیده است. با توجه به این که ولتاژ خازن پرش ندارد، در لحظه خاموش‌شدن کلید نیز می‌توان از خاصیت ولتاژ صفر برای به حداقل رساندن تلفات کلیدزنی ناشی از ولتاژ دو سر کلید در لحظه خاموشی استفاده کرد و یکی از بهترین کلیدزنی‌های نرم انجام شود. از مزایای دیگر این مبدل می‌توان به کم‌بودن تنش ولتاژ روی دیودها و کلید اشاره کرد و می‌توان بیان کرد که نسبت به طرح‌های غیر ایزوله، یکی از ساختارهای عالی غیر ایزوله از نظر کم‌بودن تنش ولتاژ روی کلید در ساختار تک‌کلیده است. در شکل 2 نمونه‌ای کلی از شکل موج‌های ولتاژ و جریان‌های اصلی مبدل در حالت‌های مختلف عملکرد کلید مورد به صورت پیش‌بینی قرار گرفته است.
شکل 3: مدار مبدل پیشنهادی در بازه زمانی 
الی 
.
3- حالت‌های کاری مبدل
مدار مبدل پیشنهادی بر اساس روشن و خاموش‌شدن کلید و دیودها دارای چند حالت عملکردی است که در این قسمت به آنها اشاره می‌شود. در حالت‌های مختلف 
دوره کاری کلید و 
نسبت تبدیل دو سلف تزویج‌شده در نظر گرفته می‌شود.
3-1 حالت اول در محدوده زمانی 
حالت اول مطابق شکل 3 در محدوده زمانی 
الی 
کار می‌کند. در این حالت کلید و دیود 
روشن و دیودهای 
، 
، 
و 
خاموش هستند. در بازه زمانی در این حالت سلف 
و 
در حال شارژ هستند. سلف 
که در این زمان به همراه دیود به صورت پیشرو هستند و به کمک خازن‌های 
و 
انرژی لازم بار را تأمین می‌کنند. در این بازه زمانی خازن 
و سلف در تشدید سری هستند.
اگر سلف ورودی شاخه تزویج، سلف ورودی شاخه تشدیدی، خازن تشدید و سلف ثانویه تزویج باشند با فرض این که ولتاژ ورودی 
است، روابط زیر در این حالت برقرار است
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
شکل 4: مدار مبدل پیشنهادی در بازه زمانی الی 
.
(9)
(10)
(11)
(12)
3-2 حالت دوم در محدوده زمانی 
در حالت دوم کلید و دیودهای و روشن و دیودهای ، و خاموش هستند. همان طور که در شکل 4 نشان داده شده است در این حالت سلف و در حال شارژ هستند. همچنین سلف در این زمان به همراه دیود به صورت پیشرو بایاس شده و به همراه خازن‌های و انرژی لازم بار را تأمین می‌کنند. با توجه
به ساختار مدار و نحوه بایاس قطعه‌ها و با توجه به حالت 1 روابط زیر برقرار است
(13)
(14)
(15)
(16)
در زمان روشن‌شدن کلید چون خازن به طور موازی دو سر کلید قرار گرفته و ولتاژ دو سر آن برابر صفر شده و این ولتاژ نمی‌تواند پرش داشته باشد، پس اجازه افزایش ناگهانی به ولتاژ دو سر کلید را نمی‌دهد. همین امر به کلیدزنی نرم و کاهش تلفات کلیدزنی در لحظه خاموش‌شدن با کلیدزنی در ولتاژ صفر کمک شایانی می‌کند. در این حالت ولتاژ معکوس دو سر دیودهای خاموش همان طور که از مدار مربوط به این حالت مشخص است، دقیقاً برابر حالت 1 خواهد بود.
شکل 5: مدار مبدل پیشنهادی در بازه زمانی الی 
.
3-3 حالت سوم در محدوده زمانی 
با رسیدن به لحظه 
کلید خاموش شده و به دنبال آن دیودهای و خاموش و دیودهای ، و روشن می‌شوند و مدار به صورت نشان داده شده در شکل 5 تبدیل می‌شود. در این حالت یعنی در بازه زمانی 
، می‌توان روابط ولتاژ خازن و جریان سلف‌های 
، 
و 
را به صورت زیر تعیین کرد
(17)
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
در این حالت علاوه بر شارژ خازن‌های و که در حال شارژ هستند، بار نیز تأمین می‌شود که این امر بیانگر و تأییدکننده ادعای پیوستگی جریان بار در ساختار پیشنهادی است.
3-4 حالت چهارم در محدوده زمانی 
در این حالت کلید و دیودهای ، و خاموش هستند و اتصال الکتریکی مدار به صورت مدار نشان‌داده در شکل 6 است. همان طور که دیده می‌شود، دیودهای و روشن هستند و بار را تأمین می‌کنند. در این بازه زمانی تشدید بین سلف و خازن شاخه‌ای که به عنوان شاخه تشدید در نظر گرفته شده ایجاد می‌شود و با بهره‌بردن از این خاصیت می‌توان روشن‌شدن کلید در ولتاژ صفر را امکان‌پذیر کرد. ولتاژ سلف به صورت (13) خواهد بود و به خوبی می‌توان دید که مدار برای سایر قطعه‌ها عملکردی دقیقاً شبیه به حالت 1 دارد و به همین دلیل روابط مداری نیز کاملاً مشابه حالت 1 است. بر اساس مطالب بیان‌شده و در نظر گرفتن روابط و تحلیل شکل 1 خواهیم داشت
شکل 6: مدار مبدل پیشنهادی در بازه زمانی الی 
.
(23)
از طرفی با توجه به (1) تا (16) برای خازن‌های خروجی ، 
و می‌توان نوشت
(24)
(25)
(26)
4- بررسی حالت ماندگار
با توجه به بررسی حالت‌های عملکردی مبدل پیشنهادی، ضریب بهره ولتاژ 
برابر است با
(27)
همان طور که در رابطه بالا مشخص است، مبدل پیشنهادی با وجود نسبت تبدیل کم و دوره کاری محدود، ضریب بهره ولتاژ مناسبی دارد. در مبدل‌های غیر ایزوله به علت ارتباط الکتریکی مستقیم با خروجی، معمولاً با افزایش ضریب بهره و بالارفتن ولتاژ خروجی، تنش ولتاژ روی قطعه‌ها، مخصوصاً روی کلید افزایش چشم‌گیری دارد. به همین دلیل در مبدل‌های افزاینده، علاوه بر ضریب بهره ولتاژ، یک پارامتر حیاتی که بسیار مورد توجه است، داشتن کمترین تنش ولتاژ روی قطعه‌های مدار مخصوصاً کلیدها و دیودها در زمان خاموشی این قطعه‌ها است. در صورت عدم توجه به این پارامتر باید از قطعه‌های با ولتاژ شکست معکوس بالا استفاده کرد. استفاده از ادوات با ولتاژ شکست معکوس بالا به شدت در راندمان و بهره‌وری مبدل تأثیر منفی دارد. ولتاژ شکست معکوس کلید و دیودها به صورت زیر قابل محاسبه و پیش‌بینی هستند
(28)
(29)
(30)
(31)
(32)
بر اساس خواسته‌های طراح از نظر توان و خصوصیات مورد انتظار
در حالت بارداری از جمله ریپل ولتاژ خازن خروجی و همچنین ریپل جریان خروجی در زمان بارداری سیستم، سلف‌ها و خازن‌های مبدل طراحی می‌شود
(33)
که در آن نسبت تبدیل، دوره کاری، 
بیشترین جریان ورودی، ولتاژ خروجی، 
فرکانس کلیدزنی و 
تغییرات جریان سلف است. برای محاسبه خازن‌های خروجی نیز داریم
(34)
(35)
که در آن 
ریپل ولتاژ خروجی است. با بررسی روابط بالا دیده می‌شود که در ساختار پیشنهادی تنش جریانی روی دیودها در محدوده قابل قبولی است. همچنین از مزایای این مبدل تنش ولتاژ کم روی کلید است. همچنین رابطه فوق نشان می‌دهد که میزان تنش ولتاژ روی کلید همواره خیلی کمتر از نصف ولتاژ خروجی است و در درصدی از ولتاژ خروجی است. به عبارت بهتر این ولتاژ همیشه کمتر یا برابر