İki yönlü üç seviyeli T-tipi LLC rezonans izole DA-DA dönüştürücünün tasarımı ve analizi

Yenilenebilir enerji kaynakları, batarya depolama sistemleri, doğru akım (DA) şebekeleri ve elektrikli araçların hızla gelişmesi, iki yönlü DA-DA dönüştürücülere olan ilgiyi artırmaktadır. Bu dönüştürücüler, genellikle yenilenebilir enerji kaynakları tarafından beslenen yüksek gerilimli bir DA bara ile enerji depolama cihazlarının bağlandığı düşük gerilimli bir DA bara arasında güç transferini sağlayan bir ara yüz olarak işlev görmektedir. Bu uygulamaların çoğunda, iki DA barası arasında iki yönlü güç akışı, geniş bir gerilim çevrim oranında ve hafif yüklerde yüksek verimliliği gerektirir ki bu da hâlâ iki yönlü DA-DA dönüştürücülerin tasarımı ve modülasyonunu zorlayan bir durumdur. İki yönlü DA-DA dönüştürücüler alanında, üç seviyeli topolojilerin kullanımı giderek artmaktadır. Bu topolojiler, iki seviyeli topolojilere kıyasla anahtarlama elemanları üzerindeki gerilim stresini daha düşük seviyede tutarak, anahtarlama sırasında kayıpları azaltmaktadır. Üç seviyeli topolojiler, I-tipi ve T-tipi olmak üzere iki ana kategoriye ayrılmaktadır. T-tipi topolojisinin anahtar kombinasyonu, I-tipi topolojisine göre daha yüksek güvenilirlik sunmaktadır. Bunun temel nedeni, I-tipi topolojisinde yer alan ancak T-tipi topolojisinde bulunmayan iki fazladan diyotun, T-tipindeki akım yolunu kısaltarak iletkenlik kayıplarını azaltmasıdır. Ayrıca, T-tipi topolojisi, I-tipi topolojisine kıyasla daha az anahtarlama elemanı gerektirdiğinden maliyet açısından da avantajlıdır. Bu çalışmada, iki seviyeli topolojilere ve üç seviyeli I-tipi topolojisine göre daha düşük maliyetli, daha yüksek güvenilirlik sunan ve daha az kayıp ile çalışan üç seviyeli T-tipi topolojisi kullanılmıştır. İki yönlü izole LLC rezonans DA-DA dönüştürücüler, özellikle alçaltıcı ve yükseltici çalışma kapasitesi, dar anahtarlama frekansı değişim aralığı ve geniş sıfır gerilim anahtarlama (ZVS) çalışma aralığı açısından, seri rezonans dönüştürücülere kıyasla üstün performans göstermektedirler. Bununla birlikte, bu topoloji ters güç akışı yönünde çalıştığında, hala geleneksel bir seri rezonans dönüştürücü olarak işlev görmekte ve simetrik çalışma özelliğine sahip değildir. Bu simetrik çalışma eksikliğini gidermek için, iki yönlü CLLC rezonans dönüştürücüsü önerilmektedir. Ancak, eklenen rezonans tankı, dönüştürücünün maliyetini ve hacmini artırmakta, ayrıca geleneksel LLC rezonans dönüştürücüye kıyasla gerilim çevrim oranı aralığını düşürmektedir. Bu çalışmada, topolojinin hem geniş ZVS çalışma aralığında ve yüksek gerilim çevrim oranında çalışması arzu edildiğinden hem de sağlayacağı düşük maliyet ve düşük hacim avantajları da göz önünde bulundurularak, LLC rezonans dönüştürücü topolojisi tercih edilmiştir. Bu tezde, iki yönlü güç akışı için faz kaydırmalı modülasyon (PSM), geniş bir gerilim çevrim oranı aralığında ve hafif yüklerde yumuşak anahtarlamayı gerçekleştirmek için değişken frekans modülasyonu (VFM) ve reaktif sirkülasyon akımını azaltmak için darbe genişlik modülasyonu (PWM) kullanılarak iki yönlü üç seviyeli T-tipi LLC rezonans DA-DA dönüştürücü tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Üç modülasyon yönteminin birleşimi olan bu çalışmada, dikey kollarındaki anahtarların çalışma oranı, primer ve sekonder anahtarlar arasındaki faz kaydırma oranı ve anahtarlama frekansı; gerilim çevrim oranına ve yüke bağlı olarak değiştirilir. Kontrol edilen parametrelerin sayıca artması literatürde serbestlik derecesinin (DOF) sayıca artışı olarak adlandırılmaktadır. Bu artış dönüştürücünün performansını önemli ölçüde iyileştirmekte; Karekök ortalama kare (RMS) akım değerini düşürmekte, geri yönlü sirkülasyon akış gücünü azaltmakta ve yumuşak anahtarlama aralığını genişletmektedir. Sonuç olarak, bu iyileştirmeler, dönüştürücünün genel verimliliğini ve güvenilirliğini artırırken, anahtarlama ve iletim kayıplarını azaltmaktadır. Bununla birlikte, DOF sayısındaki artış, kontrol karmaşıklığını ve işlem sayısını da artırmaktadır. Bu çalışmada önerilen topoloji, yarım köprü yapısı nedeniyle en fazla dört DOF modülasyon yöntemi ile kontrol edilebilir. Dört DOF modülasyon yönteminde, transformatörün primer ve sekonder taraflarında yer alan dikey kollardaki anahtarların çalışma oranları farklı olduğundan kompleks hesaplamalar gerekir. Ancak bu çalışmada, pratiklik ve işlem kolaylığı açısından, dikey kollardaki çalışma oranları eşit olarak belirlenmiştir. Klasik 3-DOF kontrol yöntemlerinden farklı olarak, bu çalışmada önerilen 3-DOF modülasyonu; anahtarlama frekansı, faz kaydırma oranı ve dikey kollardaki çalışma oranı gibi parametreler kullanılarak geliştirilmiş ve ilk kez iki yönlü bir DA-DA dönüştürücüde uygulanmıştır. Önerilen modülasyon yöntemi sayesinde, LLC rezonanslı dönüştürücü, klasik sadece faz kaydırmalı (SPS) yönteminin aksine, hafif yük koşulları ve düşük gerilim çevrim oranları altında bile ZVS bölgesinde yüksek verimlilikle çalışabilir duruma getirilmiştir. Bu modülasyon yöntemi, %30 yük ile tam yük arasında yumuşak anahtarlama bölgesinde kalmasını sağlamak amacıyla, yük azaldıkça anahtarlama frekansının artırılması ile gerçekleştirilir. Anahtarlama frekansındaki değişimlere bağlı olarak faz kaydırma oranı ve dikey kollardaki anahtarların çalışma oranları belirlenmiştir. Önerilen LLC rezonans topolojisi; ileri yönlü güç akışında LLC rezonans, geri yönlü güç akışında ise seri rezonanslı devre olarak çalışır. Bu nedenle tez içeriğinde, sürekli akım modunda çalışan dönüştürücünün hem LLC hem de seri rezonans devre hesaplamalarına ilişkin teorik analizler sunulmuştur. Bu çalışmada, seri rezonans tankındaki empedans değerine kıyasla mıknatıslanma endüktansı daha yüksek değerde alınarak, transformatörün primer ve sekonder uçlarındaki devre akımlarının RMS değerlerinin birbirine yakın olması sağlanmıştır. Bu yaklaşım, kontrol parametrelerinin hem ileri yönlü güç akışı hem de geri yönlü güç akışı operasyonlarında birbirine benzer değerler almasına olanak sağlamıştır. Ancak, tasarımcı mıknatıslanma endüktansını düşük bir değerde seçerse, geri yönlü güç akışı için ayrıca teorik hesaplamaların yapılması gerekecektir. Tez içeriğinde, ileri ve geri yön güç akışı için detaylı teorik hesaplamalar ve ZVS analizleri sunulmuştur. İki yönlü izole DA-DA dönüştürücülerin teorik analizleri, zaman domeni analizi (TDA) ve frekans domeni analizi (FDA) yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilir. TDA yönteminde her bir çalışma modunun eşdeğer devre modeli kullanılarak durum denklemleri formüle edilir. Bu yöntem, özellikle serbestlik derecesi (DOF) sayısının yüksek olduğu durumlarda ve anahtarlama elemanlarının jonksiyon kapasitesi ile ölü zaman parametrelerinin dikkate alınması gerektiğinde, FDA'ya kıyasla daha karmaşık hesaplamalar gerektirir. Öte yandan, FDA yöntemi, yüksek frekanslı gerilim ve akımın Fourier dönüşümü kullanılarak yapılır. FDA yönteminin basitleştirilmiş bir formu olan temel harmonik analizi (FHA), sadece birinci harmonik bileşeni hesaba katarak gerçekleştirilir. Ancak, bu yaklaşım, DOF sayısının artması durumunda, kontrol parametrelerinin değerlerini gerçek uygulama koşullarında istenilen doğruluk seviyesinde elde etmeyi zorlaştırmaktadır. Bu sebeple, FHA analizi ile elde edilen kontrol parametrelerinin değerleri, pratik uygulamalarda beklenen sonuçlardan önemli ölçüde farklılık gösterebilir. Bu çalışmada, teorik analizin basitliğini ve doğruluğunu dikkate alarak, normalize edilmiş değerler içeren basitleştirilmiş frekans analizi tercih edilmiştir. Tez kapsamındaki teorik hesaplamalarda, iki yönlü dönüştürücülerde, tüm harmonikleri içeren basitleştirilmiş frekans domeni analizi literatürde ilk kez uygulanmış ve belirlenen ZVS bölgesinde önerilen dönüştürücü yüksek verimlilikte çalıştırılmıştır. Frekans domeni analizi ile bulunan eşitliklerden kontrol parametrelerini elde etmek için Newton-Raphson metodu kullanılmıştır. Hesaplamalarda 99. harmonikten sonra kontrol parametrelerinde bir değişim olmadığı için analizde ilk 99 harmonik dikkate alınmıştır. Bu analiz kapsamında, teorik hesaplamalarla elde edilen kontrol parametreleri, deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmada, hata oranının oldukça düşük olduğu tespit edilmiştir. Önerilen tasarıma ilişkin akım, gerilim ve güç formülleri türetilmiş, kontrol parametreleri ve ZVS çalışma bölgesi analizi yapılmıştır. ZVS çalışma bölgesinin çok daha doğru bir şekilde tespit edilebilmesi için MOSFET'in jonksiyon kapasitesi ve ölü zaman parametreleri hesaplamalara dahil edilerek detaylı bir yumuşak anahtarlama analizi gerçekleştirilmiştir. Önerilen 3-DOF kontrol yöntemi ile LLC rezonans dönüştürücü topolojisi; 400 V giriş gerilimi ve 180-400 V aralığında değişken çıkış gerilimine sahip, maksimum 2 kW güç kapasitesine ulaşan bir prototip üzerinde test edilmiş ve doğrulanmıştır. Deneysel çalışmada, ileri ve geri yönlü güç akışı için anahtarlama frekansı ve çalışma oranına ilişkin parametreler, tez çalışmasında yapılan teorik analizde üretilen eşitliklerden elde edilmiştir. Hem teorik hem de deneysel çalışmadan elde edilen faz kaydırma oranının derece cinsinden değeri birbirleri ile karşılaştırılmış ve hata oranı hesaplanmıştır. Deneysel çalışma, sıcaklık ve parazittik devre elemanları gibi çeşitli faktörleri içermesine rağmen, hata oranı % 3,5'in altında gerçekleşmiştir. Dönüştürücünün verim analizinde % 30 yük durumunda, klasik SPS modülasyonuna sahip T-tipi dönüştürücüye kıyasla % 3,87 oranında bir verim artışı sağlanmıştır. Tam yük altında ise bu artış, aynı tür dönüştürücüye göre % 1,1 olarak ölçülmüştür. Elde edilen verim değerleri, literatürde yer alan benzer modülasyon ve yapıya sahip diğer iki yönlü rezonans dönüştürücüler ile karşılaştırılmıştır. Gerilim çevrim oranı M=1 olduğunda tam yükte ve % 40 yük durumlarında karşılaştırılan diğer iki yönlü rezonans dönüştürücülere göre uygulanan topoloji ve kontrol yöntemi sayesinde dönüştürücünün yaklaşık % 2 ile % 4 arasında bir verim artışı sağlandığı görülmektedir. Tez içeriğinde farklı gerilim çevrim oranı ve yük durumları için anahtarlama ve iletim kaybı analizi de yapılmıştır. Ayrıca, düşük gerilim çevrim oranları ve düşük güç seviyelerinde de devrenin performansı test edilmiştir. Önerilen yaklaşımda 3-DOF modülasyon yöntemi ile LLC topolojisinin birlikte kullanılarak, geniş bir gerilim çevrim oranı aralığında yüksek verimlilikle çalışma imkânı sağlanmıştır. Gerilim çevrim oranı 0,45 iken, 405 W çıkış gücü için en düşük verim % 94,15 olarak ölçülmüştür. En yüksek verim ise, geri yönlü güç akışında % 50 yük koşulunda % 97,4 olarak ölçülmüştür.