COMPARISON OF SINUSOIDAL PWM ZERO CURRENT TRANSITION INVERTER WITH RESONANT LINK INVERTER

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye SİNÜSOİDAL DGM SIFIR AKIM GEÇİŞLİ EVİRİCİ İLE REZONANS HATLI EVİRİCİNİN KARŞILAŞTIRILMASI COMPARISON OF SINUSOIDAL PWM ZERO CURRENT TRANSITION INVERTER WITH RESONANT LINK INVERTER Güngör BAL a * ve Nihat ÖZTÜRK a a Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye E-posta: gunbal@gazi.edu.tr, ozturk@gazi.edu.tr Özet Bu çalışmada, yüksek güç yoğunluğu, hızlı geçiş cevabı ve kontrol kolaylığı nedeniyle yaygın olarak kullanılan Darbe Genişlik Modülasyonlu (DGM) DA-AA eviricilerde meydan gelen anahtarlama kayıplarını azaltmak için kullanılan iki yöntemin benzetimi yapılmış ve kayıpları karşılaştırılmıştır. Yöntemlerden ilki, uygulanması kolay olan rezonans hatlı evirici, diğeri ise sıfır akım geçişli eviricidir. Her iki evirici aynı koşullarda çalıştırılmıştır ve anahtarlama kayıpları incelenmiştir. Çalışmada sürme sinyali olarak sinüsoidal DGM kullanılmıştır. Anahtarlama sinyalleri, taşıyıcı ile referans sinyallerin karşılaştırılması sonucu üretilmiştir. İki yöntemde de orijinal anahtarlama sinyallerinde herhangi bir modifikasyon yapılmamıştır. Benzetim çalışmalarında ORCAD programı kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar, sıfır akım geçiş yöntemi ile eviricinin harmonik bozunumunun daha küçük, veriminin ise daha yüksek olduğunu göstermiştir. Anahtar kelimeler: Sıfır akım geçiş, rezonans hatlı evirici, Sinusoidal DGM. Abstract In this study, simulations of two methods used for minimizing the switching losses occur in DC/AC inverters with PWM that is used extensively because of its high power density, fast response and control facility have been simulated and the losses have been compared. The first method is the resonant link inverter that is easily applicable, the other is the zero current transition inverter. Both inverters have been operated under the same conditions and the switching losses have been analyzed. In the study, sinusoidal PWM is used for gate signal. Switching signals have been produced in consequence of comparing the carrier and reference signals. No modification has been made in original switching signals in both methods. ORCAD has been used in simulations. The results obtained show that total harmonic distortion is lower of the inverter with zero current transition method have increased considerably.. elemanları vasıtasıyla kesilmesi, bu elemanlar üzerinde hem anahtarların, hem de devre elemanlarının yapılarından dolayı kayıp bir enerji açığa çıkartır. Bu kayıp, anahtarlama frekansıyla doğrusal olarak değişir [1]. Eviricilerde, yüksek performans ve yüksek güç yoğunluğu için yüksek anahtarlama frekansı arzu edilir, böylece üretilen sinyallerdeki dalgalanma ve pasif elemanların boyutlarında küçülme sağlanabilir. Bununla beraber yüksek anahtarlama frekansı, anahtarlama elemanlarındaki güç kayıplarını, anahtar üzerindeki gerilim/akım baskılarını, ısınma sınırlarını, di/dt ve dv/dt den dolayı elektro manyetik etkileşimini arttırmaktadır. Bu kayıp ve gürültülerin azaltılması ve frekansın yükseltilebilmesi, ancak sert anahtarlama yerine yumuşak anahtarlama (YA) tekniklerinin kullanılmasıyla sağlanabilmektedir. YA lı eviricinin anahtarlama frekansı artarken anahtarlama kayıplarında ve anahtar baskılarında (stres) azalma olmaktadır [2-6]. Geleneksel bastırma devreleri sistemlerin kayıplarını etkili bir şekilde azaltamaz [5-8]. Bastırma devreleri, anahtarlama esnasında oluşan enerjiyi kondansatör veya endüktans elemanlarına aktarır [8]. YA tekniklerinin bir çoğu DA/DA çeviriciler için önerilmektedir [9-12]. Bu çeviriciler genellikle sabit bir yükü kontrol etmektedirler. Ancak aynı prensibin AA güç kaynaklarına uygulanması daha karmaşık bir işlemdir. DA giriş ve AA çıkış arasında ileri ve geri güç akışı gerektirir. DA-AA çeviricilerin sistematik sınıflandırması Şekil 1 de verilmektedir [7-13]. Keywords: Zero current transition, resonant link inverter, sinusoidal PWM. 1. Giriş Anahtarlamalı modda çalışan evirici/çeviriciler güç aktarımını, sabit genlikteki gerilim/akımı yarı iletken anahtarlama elemanları vasıtasıyla belli aralıkta ani olarak keserek gerçekleştirirler. Güç akışının anahtarlama Şekil 1. DA/AA çevirici/eviricilerin sınıflandırılması. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 YA da özellikle anahtarlama kayıplarının ve elektromanyetik girişimin (EMI) çok düşük olması bu teknolojiyi cazip kılmaktadır. Anahtarlama kayıplarının çok az olması, IGBT ve bipolar transistorlerin daha yüksek frekansta kullanılabilmesine imkân tanımaktadır. Frekansın yükselmesi, aynı gücün daha küçük malzemelerle (kondansatör, sargılar, transformatörler gibi) aktarılabilmesini sağlar. Boyutların küçülmesi çok daha kolay taşınabilir cihazların yapılmasına olanak sağlar. Bu eviricilerde anahtarlar daha az stres altında çalışarak etrafa daha az elektromanyetik dalga yaydıkları için çevreyi daha az kirleten veya nerdeyse kirletmeyen cihazlar yapılmasına imkân vermektedir. Anahtarlarda, anahtarlama kayıplarının az olması, rezonans çeviri teknolojisi ile daha verimli cihazlar yapılabileceğini göstermektedir [5-7]. YA çeviriciler yardımcı devreler ile gerçekleştirilir ve bu yardımcı devrelere rezonansı gerçekleştirmelerinden dolayı rezonans kol da denmektedir. Rezonans kolun amacı; minimum anahtarlama kaybı için anahtarlar üzerindeki dalga şeklini düzenlemektir. Bu düzenlemeyi enerji depo eden elemanlar, üzerindeki enerjinin kayıpsız bir şekilde veya en az bir kayıpla kaynağa, yüke veya diğer enerji depo eden elemanlara aktararak gerçekleştirirler. Yardımcı devreler, sadece pasif L ve C elemanlarından oluşabileceği gibi bu elemanları tetiklemek için kullanılan yardımcı anahtarlar da içerebilir. Kullanılacak rezonans elemanlarının yeri büyük önem taşımaktadır [7-14]. Bu çalışmada, rezonans geçişli ve rezonans hatlı sinüsoidal darbe genişlik modülasyonlu eviricilerin performansı incelenmektedir. İki yönteminin karşılaştırılması için aynı işletim şartlarında, ORCAD programında, benzetim çalışmaları yapılmıştır. Rezonans hatlı eviricide DA hattına yüksek frekanslı, rezonans kol ilave edilmiştir. Yüksek frekansta salınan giriş geriliminin sıfır geçişlerinde anahtarlama yapılması amaçlanmıştır. Geliştirilen sıfır akım geçişli YA evirici için, rezonans kol ana güç iletimi yolundan kaldırılmış ve sadece anahtar geçişlerinde aktif edilecek hale getirilmiştir. İki eviricinin karşılaştırılması sonucu rezonans geçişli devrenin veriminin daha büyük ve harmoniklerinin daha küçük olduğu görülmektedir. 2. YA Eviricilerin Tasarımı ve Çalışması YA teknikleri; yük rezonanslı, rezonans geçişli ve rezonans hatlı olmak üzere üç ana başlık altında incelenebilir [8]. Geliştirilen bir fazlı tam köprü sinüsoidal DGM lu rezonans hatlı evirici Şekil 2 de, rezonans sıfır akım geçişli evirici Şekil 3 te gösterilmektedir. Rezonans hatlı eviricinin DA hattına yüksek frekanslı rezonans kol ilave edilmiştir. Böylelikle giriş gerilimi rezonans frekansta salınım yapacaktır. Burada amaç, daha düşük anahtarlama frekansındaki eviricinin giriş geriliminin sıfır geçiş anlarında anahtarlama yapılmasının sağlanmasıdır. Rezonans giriş geriliminde veya anahtarlama sinyallerinde modifikasyon yapılmadan eviricideki anahtarlamaların, sıfır geçişte yapılması imkânsızdır. Bu çalışmada böyle bir düzenleme yapılmamıştır. Rezonans kol tüm çalışma boyunca aktiftir. Rezonans hatlı eviricinin en büyük avantajı gerçekleştirilmesinin kolay olmasıdır. Rezonans elemanların devreye alınması için herhangi bir yardımcı anahtar kullanılmamaktadır. Ana güç yoluna bağlı rezonans kolun sürekli devrede kalması, ek kayıplar ve baskıların oluşmasına neden olmaktadır. Bu sakıncanın giderilmesi için Şekil 3 te verilen rezonans geçişli evirici yapısı kullanılmıştır. Eviricinin çalışması ana anahtarların iletim ve kesim geçişleri haricinde normal DGM ile çalışan evirici ile aynıdır. İletim ve kesim geçişlerinden hemen önce yardımcı devre yardımcı anahtarlar ile aktif edilerek, ana anahtardan geçen yük akımının, geçiş anında yardımcı devreden karşılanmasını sağlanır. Böylece anahtarlar için sıfır akım civarında iletim/kesim mümkün olmaktadır. Her iki tür evirici için anahtarlama sürme sinyalleri, anahtarlama frekanslı bir üçgen dalga ile referans sinüs sinyalinin karşılaştırılması sonucu elde edilmektedir. Şekil 2. Rezonans hatlı evirici devresi. Şekil 3. Sıfır Akım Geçişli evirici devresi. Her iki YA yönteminin karşılaştırılması için genel amaçlı devre tabanlı benzetim programı olan ORCAD 9.1 den yararlanılmıştır. Bu paket program, hazır yarıiletken anahtar modelleri sayesinde, ayrıntılı analizlerin gerektiği durumlarda tercih edilmektedir [13,14]. Rezonans hatlı eviricinin, devre elemanlarının değeri L r = 30.9µH ve C r = 82nF olarak seçilmiştir. Sıfır akım geçişli eviricide ise rezonans kol elemanlarının değeri; L r = 5.2µH ve C r = 80nF olarak seçilmiştir. Her iki eviricide anahtarlama frekansı 20kHz alınmıştır. V dc bara gerilimi sabit 200 volttur. Yük devresinin değeri de L yuk = 15mH ve R yuk = 20Ω olarak alınmıştır. Rezonans hatlı eviricide, devrenin çalışmasının, geleneksel sert anahtarlamalı eviriciden tek farkı, girişi rezonans frekansta salınan bir gerilim olmasıdır. Bu nedenle analizinin yapılmasına gerek duyulmamıştır. Sıfır akım geçişli eviricide ise, analiz, I yuk<0 durumu, I yuk>0 durumunun eşleniği olduğundan, sadece I yuk>0 şartları için zamanlama Şekil 4 te verilmektedir. Burada en önemli husus yardımcı anahtarların devreye alınma zamanlamasıdır.

3 2.1. Sıfır Akım Geçişli Eviricinin Çalışması Devrenin çalışması şöyle özetlenebilir. I yuk<0 durumunda S2 ve S4 ana anahtarları iletimden çıkmak üzere iken, bu kola paralel bağlı A2 yardımcı anahtarı devreye alınarak, rezonans başlatılır. Rezonans kol akımı, yük akımına eşit olduğu noktadan sonra, S2 ve S4 anahtarlarının ters paralel diyotları iletime girerek bu anahtarların yaklaşık sıfır akım altında kesim yapılması sağlanmaktadır. Rezonans kol akımı yön değiştirdikten sonra, yani A2 anahtarının ters paralel diyotu iletime girdikten sonra, A1 anahtarının sürme sinyali kaldırılabilir. I yuk>0 durumunda ise S1 ve S3 ana anahtarları iletimden çıkmak üzere iken, buna paralel bağlı A1 yardımcı anahtarı devreye alınarak, rezonans koldan geçen akım kısa sürede yük akımı seviyesine çıkartılmaktadır. Rezonans kol akımı, yük akımına eşit olduğu noktadan sonra, S1 ve S3 anahtarlarının ters paralel diyotları iletime gireceğinden, bunların sürme sinyali kesilerek, S1 ve S3 anahtarlarının yaklaşık sıfır akım altında kesim yapılması sağlanmaktadır. Rezonans kol akımı yön değiştirdikten sonra, yani A1 in ters paralel diyotu iletime girdikten sonra, A1 anahtarının sürme sinyali kaldırılabilir. Bu durumda, hem S1 ve S3, hem de A1 anahtarları kayıpsız kesime götürülebilmektedir. Devrenin detaylı çalışması, eşdeğer devreler incelenebilir. Anahtarların devreye alınması ile rezonans elemanlar üzerindeki akım ve gerilim Şekil-4 te verilmektedir. 3. Evirici Harmonikleri ve Verimlerinin Karşılaştırılması Şekil 4.Sıfır akım geçişli evirici sürme sinyalleri, rezonans akım ve gerilimi. Her iki evirici aynı işletme şartlarında çalıştırılarak, yük akımları, giriş çıkış güçleri ölçülmüştür. Yük akımları için Fouirer analiz yapılmıştır. Bilindiği gibi, sinyal işlemede yoğun olarak Fourier analizi kullanılmaktadır. Fourier serileri dalga şekillerinin harmonik analizi için en yaygın olan işaret işleme tekniğidir. Fourier serileri kısaca, zaman uzayında ifade edilmiş periyodik bir dalga şeklinin, frekans uzayına dönüşümünü sağlar. Periyodik bir işaret, çeşitli genlik ve frekanstaki birçok sinüs işaretinin toplamı şeklinde ifade edilebilir. Denklem 1 de verilen bu işlem Fourier serisine açılım olarak bilinmektedir [15,16]. f ( x) a 0 = + ( an cosnx + bn sin nx) (1) 2 n= 1 Burada, en düşük frekanslı sinüzoidal işaret 1.harmonik (temel dalga), diğerleri ise harmonik bileşenler adını almaktadır. Analiz sonunda a0 katsayısı ve an, bn seri katsayıları hesaplanarak harmonik genlikleri bulunmuş olur. a0 sabiti, fonksiyonun ortalama değerine eşittir. n indisi harmonik mertebesini göstermekte olup, an ve bn n.harmoniğin bileşenleridir. Terimlerin analitik çözümleri basit denklemler için bile karmaşık ve zaman alıcıdır. Bu nedenle Orcad gibi genel amaçlı bir benzetim programı ile bu karmaşıklık kolayca giderilebilir. Fourier analizi yapılarak, temel bileşen ve harmonikler elde edilebilir. Aynı zamanda, üretilen sinyalin ideal sinüsten ne kadar sapma gösterdiğini gösteren toplam harmonik bozunumu (THD) kolaylıkla bulunur [15,16]. Yapılan Fourier analizi sonucu, rezonans hatlı eviricinin THDv=%11.7, sıfır akım geçişli eviricinin THDv=%2.2 olarak bulunmuştur. Şekil 5 ve 6 da rezonans hatlı ve sıfır akım geçişli evirici yük akımları ile yük gerilimlerinin Fourier analiz verilmektedir. Bunlara göre geliştirilen sıfır akım geçişli eviricinin yük gerilimi ve akımı ideal sinüs sinyaline daha yakındır. Her iki evirici aynı işletme şartlarında çalıştırılarak, giriş çıkış güçleri ölçülmüştür. Ölçüm sonucu elde edilen eğriler, rezonans hatlı evirici için Şekil 7 de, rezonans geçişli evirici için ise Şekil 8 de verilmektedir. Eğriler üzerinden yapılan ölçümlere göre rezonans hatlı eviricin verimi %80 iken rezonans geçişli eviricinin verimi yaklaşık %92 seviyesine çıkarılmaktadır. Ayrıca rezonans hatlı eviricide elemanlar üzerinde, dalgalanan giriş geriliminden dolayı daha fazla gerilim ve akım baskısı oluşacağı açıktır.

4 Şekil 5. Rezonans hatlı ve sıfır akım geçişli evirici yük akımları. Şekil 6. Rezonans hatlı ve sıfır akım geçişli evirici yük gerilimlerini Fourier analizi Şekil 7. Rezonans hatlı eviricinin, giriş çıkış güçlerinin bulunması.

5 Şekil 8. Sıfır akım geçişli eviricinin giriş ve çıkış güçlerinin bulunması. 4. Sonuç Bu çalışmada rezonans hatlı ve rezonans geçişli sinusoidal darbe genişlik modülasyonlu bir faz tam köprü DA/AA eviricilerin ORCAD programında benzetimi yapılmıştır. Geliştirilen sıfır akım geçişli YA yönteminde; rezonans kol ana güç yolu üzerinden taşınarak, rezonans koldan dolayı oluşan ek kayıplar giderilmiştir. Rezonans kol sadece anahtar iletim ve kesim geçişlerinde devreye alınmaktadır. Sıfır akım geçişli eviricinin en can alıcı noktası, yardımcı devre elemanlarının devreye alınması ve çıkarılması zamanlamasıdır. Her iki evirici devresi de aynı yük ve anahtarlama frekanslarında çalıştırılarak, devrelerin harmonikleri ve verimleri karşılaştırılmıştır. Sıfır akım geçişli eviricinin harmonik bozunumunun daha düşük, veriminin ise rezonans hatlı evirici veriminden yaklaşık %10 daha yüksek olduğu görülmüştür. Kaynaklar [1] Kazimierczuk M.K. and Czarkowski D., Resonant Power Converters, John Wiley&Sons, Inc., New York, 3-7 (1996). [2] Pickert V. and Johnson C.M., Three phase soft switching voltage source converters for motor drives. Part 1:Overview and analysis, IEE Proc. Electr. Power Appl., 146(2): (1999). [3] Hua G., Yang E.X.,Jiang Y. and Lee F.C., Novel zero current transition PWM converters, Power Electronics Specialist Conference, PESC 93 Record 24th Annual IEEE, (1993). [4] Hua G., Leu C.S.,Jiang Y. and Lee F.C., Novel zero voltage transition PWM converters, Power Electronics Specialist Conference, PESC 92 Record 23rd Annual IEEE, (1992). [5] Li Y., Lee F.C. and Boroyevich D., A tree phase soft transition inverter with a novel control strategy for zero current and near zero voltage switching IEEE Transaction on Power Electronics, 16(5): (2001). [6] Sheng K., Finney S.J., Williams B.W., He X.N. and Quian Z.M., IGBT switching losses Proceeding of 2th International Conference on Power Electronics and Motion Control, Chine, 1: (1997). [7] Bellar M.D., Wu T.S., Tchamdjou A., Mahdavi J. and Ehsani M., A review of soft switched DC-AC converters, IEEE Transaction on Industry Applications, 34(4): (1998). [8] Jovanovic M.M., Resonant, quasi-resonant, multiresonant and soft-switching techniques merits and limitations International Journal of Electronics, 77(5): (1994). [9] Bodur H. and Bakan A.F., A new ZVT-ZCT-PWM DC-DC converter, IEEE Transactions on Power Electronics, 19(3): (2004). [10] Lee D.Y., Lee M.K., Hyun D.S. and Choy I., New zero-current-transition PWM DC/DC converters without current stres, IEEE Transaction on Power Electronics, 18(1): (2004). [11] Liu K.W. and Lee F.C., Zero-voltage switching technique in DC/DC converters, IEEE Transactions on Power Electronics, 5(3): (1990). [12] Canesin C.A. and Barbi I., Novel zero-currentswitching PWM converters IEEE Transactions on Industrial Electronics, 44(3): (1997). [13] Öztürk N., Sıfır akım anahtarlamalı bir fazlı evirici benzetimi Politeknik Dergisi, 9(3): (2006). [14] Öztürk N. Yumuşak Anahtarlamalı Asenkron Motorun Dolaylı Vektör Denetiminin Gerçekleştirilmesi, Doktora Tezi, Gazi Ü. Fen Bilimleri Ens. Ankara 2006 [15] Altıntaş A., Tanımlanmış veya ölçülmüş dalga şekilleri için bir harmonik analizörü ici benzetimi SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 10(2): 6-15 (2006). [16] Mohan N., Undeland T.L. ve Robbins W.P., Güç Elektroniği Literartür Yayıncılık, İstanbul, (2003).