YUMUŞAK ANAHTARLAMALI DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLERİN İNCELENMESİ

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YUMUŞAK ANAHTARLAMALI DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLERİN İNCELENMESİ Elektik Mühendisi Nihan ALTINTAŞ FBE Elektik Mühendisliği Anabilim Dalı Elektik Makinalaı ve Güç Elektoniği Pogamında Hazılanan YÜKSEK LİSANS TEZİ Tez Danışmanı: Yd. Doç. D. A. Fauk BAKAN İSTANBUL, 2007

İÇİNDEKİLER ii Sayfa SİMGE LİSTESİ...iv KISALTMA LİSTESİ... v ŞEKİL LİSTESİ...vi ÇİZELGE LİSTESİ...viii ÖNSÖZ...ix ÖZET... x ABSTRACT...xi 1. GİRİŞ... 1 2. DC DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER VE KONTROL TEKNİKLERİ... 3 2.1 Anahtalamalı DC DC Dönüştüücüle... 3 2.1.1 Anahtalamalı DC DC Dönüştüücülein Sınıflandıılması... 4 2.1.1.1 İzolasyonsuz Temel DC DC Dönüştüücüle... 4 2.1.1.2 İzolasyonlu DC DC dönüştüücüle... 4 2.1.2 Dabe Genişlik Modülasyonu (PWM) Tekniği... 5 2.1.3 Anahtalamalı Temel DC DC Dönüştüücüle... 6 2.2 Rezonanslı DC DC Dönüştüücüle... 7 2.2.1 Rezonans Kontol Tekniği... 7 2.3 Anahtalamalı ve Rezonanslı DC DC Dönüştüücülein Kaşılaştıılması... 8 3. YUMUŞAK ANAHTARLAMA TEKNİKLERİ... 9 3.1 Yumuşak Anahtalama ve Bastıma Hücesi Kavamı... 9 3.2 Yumuşak Anahtalama Tekniklei... 11 3.2.1 Sıfı Akımda Anahtalama (ZCS)... 12 3.2.2 Sıfı Geilimde Anahtalama (ZVS)... 12 3.2.3 Sıfı Akımda Geçiş (ZCT)... 12 3.2.4 Sıfı Geilimde Geçiş (ZVT)... 12 4. SIFIR GERİLİMDE ANAHTARLAMALI DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER... 14 4.1 DÖNÜŞTÜRÜCÜ-1... 14 4.1.1 Çalışma Aalıklaı... 15 4.1.2 Tasaım Kitelei... 22 4.1.3 Tasaım Öneği... 27 4.1.4 Simülasyon Sonuçlaı... 28 4.1.5 Sonuçla... 30 4.2 DÖNÜŞTÜRÜCÜ-2... 30

4.2.1 Devenin Çalışma Aalıklaı... 31 4.2.2 Dönüştüücünün Temel Özelliklei... 38 4.2.3 Aktif Bastıma Hücesinin Tasaımı... 39 4.2.3.1 Rezonans Endüktansının Belilenmesi... 39 4.2.3.2 Bastıma Kondansatöünün Belilenmesi... 40 4.2.3.3 Rezonans Kondansatöünün Belilenmesi... 40 4.2.3.4 Yadımcı Anahta ve Diyodun Geilim Stesi... 40 4.2.4 Simülasyon Çalışmalaı... 40 4.2.5 Sonuçla... 45 5. ZVT-ZCT YÜKSELTİCİ DÖNÜŞTÜRÜCÜ... 46 5.1 Çalışma Pensibi ve Analizi... 46 5.1.1 Çalışma Aalıklaı... 47 5.2 Deneysel Sonuçla... 58 6. SONUÇLAR... 61 KAYNAKLAR... 62 iii

SİMGE LİSTESİ C S Bastıma devesi kondansatöü C F Çıkış kondansatöü C Rezonans kondansatöü D F Ana diyot D 1 Ana tansistöün dahili diyodu D 2 Yadımcı tansistöün dahili diyodu I o Çıkış akımı I Ana diyot tes topalanma akımı i T Ana tansistö akımı i DF Ana diyot akımı i LS Bastıma devesi endüktans akımı I i Giiş akımı L S Bastıma devesi endüktansı L F Ana endüktans R L Yük dienci T 1 Ana tansistö T 1 Ana tansistöün iletim süesi T 2 Yadımcı tansistö T p Anahtalama peiyodu v CS Bastıma devesi kondansatö geilimi v CB Rezonans kondansatöü geilimi v T Ana tansistö geilimi v DF Ana diyot geilimi V i Giiş geilimi V o Çıkış geilimi ω Rezonans açısal fekansı ω s Bastıma açısal fekansı λ Bağıl iletim süesi iv

KISALTMA LİSTESİ EMI Elektomanyetik Giişimi FM Fekans Modülasyonu HS Set Anahtalama PWM Dabe Genişlik Modülasyonu RFI Radyo Fekans Giişimi SS Yumuşak Anahtalama ZCS Sıfı Akımda Anahtalama ZCT Sıfı Akımda Geçiş ZVS Sıfı Geilimde Anahtalama ZVT Sıfı Geilimde Geçiş v

ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 2.1 Pensip olaak PWM tekniği.... 5 Şekil 3.1 (a) Bi anahtalama güç elemanın kontol sinyali ile (b) HS (c) ZCS ile ZVS ve (d) ZCT ile ZVT çalışmalaıyla ilgili temel dalga şekillei.... 11 Şekil 4.1 ZVS PWM yükseltici dönüştüücünün deve şeması... 14 Şekil 4.2 Dönüştüücüye ait temel dalga şekillei... 15 Şekil 4.3 Aalık 0 a ait eşdeğe deve şeması... 16 Şekil 4.4 Aalık 1 e ait eşdeğe deve şeması... 16 Şekil 4.5 Aalık 2 ye ait eşdeğe deve şeması... 17 Şekil 4.6 Aalık 3 e ait eşdeğe deve şeması... 19 Şekil 4.7 Aalık 4 e ait eşdeğe deve şeması... 20 Şekil 4.8 Aalık 5 e ait eşdeğe deve şeması... 20 Şekil 4.9 Aalık 6 ya ait eşdeğe deve şeması... 21 Şekil 4.10 Aalık 7 ye ait eşdeğe deve şeması... 22 Şekil 4.11 (b) V S2 Z kaakteistiği.... 24 Şekil 4.12 ZVS aalığı Z kaakteistiği... 24 Şekil 4.13 (a) t A Z kaakteistiği... 25 Şekil 4.13 (b) t B Z kaakteistiği... 25 Şekil 4.13 (c) t ZVT - Z kaakteistiği... 25 Şekil 4.14 V S2, V C, I S1p, t A, t B I in kaakteistiği... 26 Şekil 4.15 V S2, V C, I S1, t A, t B R kaakteistiği... 26 Şekil 4.16 Ana anahtaın iletime gimesi esnasında uçlaındaki geilim ve akım değişimlei.28 Şekil 4.17 Yadımcı anahtaın geilim ve akım değişimlei... 29 Şekil 4.18 Rezonans endüktans akımı ve ezonans kondansatö geilimi... 29 Şekil 4.19 Aktif bastımalı ZVT-PWM yükseltici dönüştüücü... 31 Şekil 4.20 Aalık 1 e ait eşdeğe deve şeması... 32 Şekil 4.21 Aalık 2 ye ait eşdeğe deve şeması... 33 Şekil 4.22 Aalık 3 e ait eşdeğe deve şeması... 34 Şekil 4.23 Aalık 4 e ait eşdeğe deve şeması... 35 Şekil 4.24 Aalık 5 e ait eşdeğe deve şeması... 35 Şekil 4.25 Aalık 6 ya ait eşdeğe deve şeması... 36 Şekil 4.26 Aalık 7 ye ait eşdeğe deve şeması... 36 Şekil 4.27 Aalık 8 e ait eşdeğe deve şeması... 37 Şekil 4.28 ZVT-PWM yükseltici dönüştüücünün temel dalga şekillei.... 38 Şekil 4.29 (a) Rezonans endüktans akımı ve bastıma kondansatöü geilimi... 41 Şekil 4.29 (b) Rezonans endüktans akımı ve ezonans kondansatöü geilimi.... 41 Şekil 4.30 (a) Ana anahtaın geilim ve akım değişimlei... 42 Şekil 4.30 (b) Yadımcı anahtaın geilim ve akım değişimlei... 42 Şekil 4.31 (a) Ana diyodun geilim ve akım değişimlei.... 43 Şekil 4.31 (b) D 2 diyodunun geilim ve akım değişimlei... 43 Şekil 4.32 (a) Set anahtalamada ana anahta geilimi ve akımı... 44 Şekil 4.32 (b) Set anahtalamada ana diyot geilim ve akımı.... 44 Şekil 4.33 V S2, V C, I S1peak, t A, t B - I in kaakteistiği... 45 Şekil 5.1 Yeni ZVT-ZCT-PWM yükseltici dönüştüücünün deve şeması... 46 Şekil 5.2 Aalık 1 e ait eşdeğe deve şeması... 47 Şekil 5.3 Aalık 2 ye ait eşdeğe deve şeması... 48 Şekil 5.4 Aalık 3 e ait eşdeğe deve şeması... 48 Şekil 5.5 Aalık 4 e ait eşdeğe deve şeması... 49 Şekil 5.6 Aalık 5 e ait eşdeğe deve şeması... 50 vi

Şekil 5.7 Aalık 6 ya ait eşdeğe deve şeması... 50 Şekil 5.8 Aalık 7 ye ait eşdeğe deve şeması... 51 Şekil 5.9 Aalık 8 e ait eşdeğe deve şeması... 51 Şekil 5.10 Aalık 9 a ait eşdeğe deve şeması... 52 Şekil 5.11 Aalık 10 a ait eşdeğe deve şeması... 52 Şekil 5.12 Aalık 11 e ait eşdeğe deve şeması... 53 Şekil 5.13 Öneilen dönüştüücüye ait temel dalga şekillei... 53 Şekil 5.14 (a) I S1p L s kaakteistiği.... 54 Şekil 5.14 (b) V S2 L s kaakteistiği... 55 Şekil 5.14 (c) V C L s kaakteistiği.... 55 Şekil 5.14 (d) t ZVT L s kaakteistiği.... 56 Şekil 5.14 (e) t ZCT L s kaakteistiği... 56 Şekil 5.14 (f) V S2, V C, I S1p, t ZVT, t ZCT I in kaakteistiği.... 57 Şekil 5.14 (g) V S2, V C, I S1p, t ZVT, t ZCT R kaakteistiği.... 57 Şekil 5.15 Anahta geilimi (100V/div), ana anahta akımı(10a/div), ve ana anahtaın kontol sinyali (20V/div)... 59 Şekil 5.16 Yadımcı anahta geilimi (100V/div), bastıma endüktansı akımı (10A/div), ve yadımcı anahtaın kontol sinyali (20V/div)... 59 Şekil 5.17 Ana diyot geilimi (100V/div) ve akımı (10A/div)... 60 Şekil 5.18 Çıkış geilimi (100V/div), bastıma endüktansı akımı (10A/div) ve bastıma kondansatöü geilimi (100V/div)... 60 vii

ÇİZELGE LİSTESİ Sayfa Çizelge 2.1 Anahtalamalı ve ezonanslı DC DC dönüştüücülein kaşılaştıılması.... 8 Çizelge 4.1 Devede kullanılan elemanlaın anahtalama duumlaı ve mauz kaldığı maksimum değele.... 22 Çizelge 4.2 Devede kullanılan elemanlaın anahtalama duumlaı ve mauz kaldığı maksimum değele.... 37 Çizelge 5.1 Devede kullanılan elemanlaın anahtalama duumlaı ve mauz kaldığı maksimum değele.... 54 Çizelge 5.2 Uygulama devesinde kullanılan yaı iletken elemanlaın nominal değelei... 58 viii

ÖNSÖZ Yüksek lisans öğenimimin tez kısmını teşkil eden bu çalışmada Yumuşak Anahtalamalı DC- DC Dönüştüücülei inceledim. Hazıladığım tezin daha sona bu konuda yapılacak çalışmala için iyi bi efeans olmasını umaım. Çalışmalaım sıasında büyük bi anlayış ve sabı gösteen, beni yönlendien ve destekleyen, bilgisi ve kişiliği ile he alanda kendime önek aldığım tez yöneticisi değeli hocam Sayın Yd. Doç. D. A. Fauk BAKAN a, vediği destekle lisansüstü eğitimime devam etmemi ve çalışmayı çok istediğim Güç Elektoniği Laboatuaının bi elemanı olmamı sağlayan, bilgi biikimleini öğencileine büyük bi heyecan ve idealist bi uhla aktaan değeli hocam Pof. D. Hacı BODUR a, he çalışmamda olduğu gibi tez çalışmamda yoğun çalışma temposuna ağmen büyük bi fedekalık gösteeek bana yadımcı olan, güç elektoniği dalını seçmemi sağlayan sevgili hocam Aş. Gö. İsmail AKSOY a en içten şükanlaımı sunaım. Ayıca Güç elektoniği laboatuaında bulunan hocalaıma ve aileme de göstemiş olduklaı ilgiden ve iyi niyetleinden dolayı teşekkü edeim. ix

ÖZET Yüksek güç yoğunluğu, hızlı geçiş cevabı ve kontol kolaylığı nedeniyle dabe genişlik modülasyonu (PWM) tekniği endüstide yaygın olaak kullanılmaktadı. Daha yüksek güç yoğunluğu ve daha hızlı geçiş cevabı için çalışma fekansının yükseltilmesi geektiği, fakat bu duumda yaı iletken elemanlaın anahtalama kayıplaı ile elektomanyetik giişim (EMI) ve adyofekans giişimi (RFI) güültüleinin attığı bilinmektedi. Bu kayıp ve güültülein düşüülmesi ve fekansın yükseltilebilmesi, ancak set anahtalama (HS) yeine yumuşak anahtalama (SS) teknikleinin kullanılmasıyla sağlanabilmektedi. Bu konudaki çalışmala son yıllada cazibesini gittikçe atan bi şekilde südümektedi. Bu çalışmada, DC-DC dönüştüücüle ile kontol tekniklei ve yumuşak anahtalama tekniklei incelenmişti. Sıfı geilim geçişli PWM DC-DC dönüştüücüle ayıntılı olaak ele alınmıştı. Yeni bi aktif bastıma hücesi kullanılan yükseltici dönüştüücü ile diğe dönüştüücüle kaşılaştıılmıştı. Öneilen bastıma hücesi ana anahta için sıfı geilimde geçiş (ZVT) ve sıfı akımda geçiş (ZCT) sağla. Dönüştüücüdeki bütün yaı iletken elemanla yumuşak anahtalama altında iletime ve kesime gie. Dönüştüücü basit yapılı olup az sayıda elemana sahipti. Dönüştüücünün kaalı hal analizi sunulmuş ve 1 kw, 100 khz lik yükseltici bi dönüştüücü pototipi ile analiz doğulanmıştı. Anahta Kelimele: DC-DC dönüştüücü, yumuşak anahtalama, sıfı geilimde geçiş, sıfı akımda geçiş. x

ABSTRACT Pulse width modulation (PWM) technique has been widely used in industy due to its high powe density, fast tansient esponse and ease of contol. Opeating fequency should be inceased in ode to obtain highe powe density and faste tansient esponse but in that case electomagnetic intefeence (EMI) and adio fequency intefeence (RFI) noises and switching losses in semi-conducto devices incease as well. In ode to decease these noises and losses, soft switching (SS) techniques should be used instead of had switching (HS) techniques. This appoach has been vey popula in last yeas and continues to be so. In this thesis, DC-DC convetes, contol and soft switching techniques ae investigated. Zeo voltage tansition PWM DC-DC convetes ae analyzed in detail. A new boost convete with an active snubbe cell is poposed and compaed with the othe convetes. The poposed convete povides zeo voltage tansition (ZVT) and zeo cuent tansition (ZCT) fo the main switch. All of the semiconducto devices tun on and off unde soft switching. The convete has a simple stuctue and minimum numbe of components. Steady state analysis of the convete is pesented, and theoetical analysis is veified by a pototype of a 1 kw and 100 khz boost convete. Keywods : DC-DC convete, soft switching, zeo voltage tansition, zeo cuent tansition. xi

1 1. GİRİŞ Yüksek güç yoğunluğu, hızlı geçiş cevabı ve kontol kolaylığı nedeniyle, dabe genişlik modülasyonlu (PWM) DC-DC dönüştüücüle, endüstide yaygın olaak kullanılmaktadı. Daha yüksek güç yoğunluğu ve daha hızlı geçiş cevabı, anahtalama fekansı atıılaak elde edilebili. Ancak, anahtalama fekansı attıkça, anahtalama kayıplaı ve elektomanyetik giişim (EMI) güültüsü de ata. Bu nedenle, bastıma hücelei denilen devele vasıtasıyla anahtalama kayıplaı azaltılaak, anahtalama fekansı yükseltilebili (Hua vd., 1994). Kutuplu/kutupsuz, ezonanslı/ezonanssız ve aktif/pasif hücele gibi, liteatüde sunulan çok sayıda bastıma hücesi vadı (Feao vd., 1982). Komütasyonlaın sıfı geilimde anahtalama (ZVS) veya sıfı akımda anahtalama (ZCS) ile geçekleştiilmesi sayesinde, ezonanslı dönüştüücülede anahtalama kayıplaı önemli ölçüde azalı. Fakat, bu tü dönüştüücülede, aşıı geilim ve akım steslei oluşu, nomal PWM dönüştüücülee göe güç yoğunluğu daha düşük ve kontol daha zodu (Mao vd., 1997; Smith vd., 1997; Tseng vd., 1998; Gigoe vd., 1998; Menegaz vd., 1999). Son yıllada, ezonanslı ve nomal PWM teknikleinin istenen özellikleini bileştimek için, nomal PWM dönüştüücülee ezonanslı aktif bastııcıla ekleneek, çok sayıda sıfı geilim geçişli (ZVT) ve sıfı akım geçişli (ZCT) PWM dönüştüücü sunulmuştu (Hua vd., 1994; Mao vd., 1997; Tseng vd., 1998). Bu dönüştüücülede, iletime ve kesime gime işlemlei, bi ezonans taafından sağlanan çok kısa bi ZVT veya ZCT süesinde ZVS ve/veya ZCS altında geçekleşi. Böylece, ezonansla çok kısa zaman aalıklaında oluştuğu için, dönüştüücü zamanın çoğunda nomal bi PWM dönüştüücü olaak davanı. Ancak, bastıma elemanlaının çalışma özelliklei sebebiyle, PWM çalışmanın iletim ve kesim duumlaı bi minimum süeye sahipti (Hua vd., 1994; Gigoe vd., 1998). Temel ZVT-PWM dönüştüücüde (Hua vd., 1994), ana anahta, bi paalel ezonanslı ZVT yadımıyla ZVS ve yaklaşık ZCS altında mükemmel olaak iletime gie. Ana diyot ZVS ile iletim ve kesime gie. Yük akımı, ana diyodun tes topalanma akımı ve ana anahtaın paazitik kondansatöünü kapsayan ezonans kondansatöünün enejisi, bi yadımcı anahta vasıtasıyla ezonans endüktansına aktaılı. Buna kaşılık, ana anahta sadece yaklaşık ZVS altında kesime ve yadımcı anahta yaklaşık ZCS ile iletime gie. Ayıca, devenin çalışması hat ve yük şatlaına çok bağlıdı. Yadımcı anahtaın yumuşak anahtalama ile kesime gimesi ve endüktansta biiken enejinin aktaılması, çok zodu ve ilave düzenle geektii. Bu poblemlein çözümü için bu alanda yapılan çok çalışma mevcuttu (Hua vd., 1994; Mao

2 vd., 1997; Smith vd., 1997; Tseng vd., 1998; Menegaz vd., 1999; Kim vd., 2000). Temel ZCT-PWM dönüştüücüde (Hua vd., 1994), ana anahta, bi sei ezonanslı ZCT yadımıyla ZCS ve ZVS altında mükemmel olaak kesime gie. Yadımcı anahta yaklaşık ZCS ile iletime gie. Devenin çalışması hat ve yük şatlaına çok az bağlıdı. Buna kaşılık, eşzamanlı ve set anahtalama ile ana anahta iletime ve ana diyot kesime gie, böylece aynı zamanda bi kısa deve oluşu. Büyük değelede kayıplaa ve EMI güültüye neden olan bu kısa devenin önlenmesi, oldukça zodu. Ayıca, yadımcı anahta set anahtalama ile kesime gie ve anahtalaın paazitik kondansatölei anahtala üzeinden boşalı (Hua vd., 1994; Mao vd., 1997). Son yıllada ZVT ve ZCT teknikleinin bileştiilmesiyle elde edilen ZVZCT li dönüştüücüle öneilmişti (Stein vd., 2000, Bodu vd., 2004). Bu dönüştüücülede ana anahtaın iletime ve kesime gime işlemlei tam olaak sıfı geilimde ve sıfı akımda geçekleştiilmektedi. Ayıca ilave olaak kullanılan yadımcı anahtaında yumuşak anahtalama ile iletime gimesi ve kesime gimesi sağlanmıştı. Bölüm 2 de genel olaak DC-DC dönüştüücüle ve kontol tekniklei hakkında kısa bilgi veilmiş, Bölüm 3 te yumuşak anahtalama tekniklei anlatılmıştı. Bölüm 4 te liteatüde bulunan ve geliştiilen dönüştüücüye benzeyen iki adet sıfı geilimde anahtalamalı DC-DC dönüştüücü incelenmişti. Bölüm 5 te temel ZCT-PWM de kaşılaşılan poblemlein büyük bi kısmını çözen bi aktif bastıma hücesi sunulmuştu. Bu çalışmada esas olaak temel ZCT-PWM deki kontol yöntemi değiştiilmişti. Kontol yöntemindeki değişiklikle temel ZCT devesinde hehangi bi değişiklik yapmadan ZVT ve ZCT ile çalışma sağlanmıştı. Öneilen dönüştüücüde ana anahta ZVT ile iletime ve ZCT ile kesime gimektedi. Sunulan bastıma hüceli dönüştüücüde bütün yaı iletken elemanla yumuşak anahtalama ile çalışı. Sunulan dönüştüücünün çalışma pensibi ve teoik analizi, 1 kw ve 100 khz lik bi yükseltici dönüştüücü pototipi ile doğulanmıştı.

3 2. DC DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER VE KONTROL TEKNİKLERİ Gün geçtikçe daha çok uygulama alanı bulan DC DC dönüştüücüle, akademik ve patik çalışmalada geniş ye tutmaya devam etmektedi. Bu dönüştüücüleden temel olaak geniş bi aalıkta ayalanabilen, düzgün ve egüleli bi DC çıkış geilimi ile yüksek bi veim istenmektedi. DC tansfomatöle olaak da kabul edilen bu dönüştüücüle, 1. Anahtalamalı DC DC dönüştüücüle 2. Rezonanslı DC DC dönüştüücüle şeklinde iki ana guba ayılı. Fakat, DC DC dönüştüücüle denildiğinde, daha çok anahtalamalı dönüştüücüle anlaşılmaktadı. Bu duumda, ezonanslı dönüştüücüle özel bi tü olaak da kabul edilebili (Bodu, 2003). 2.1 Anahtalamalı DC DC Dönüştüücüle Anahtalamalı DC DC dönüştüücüle, genellikle Dabe Genişlik Modülasyonu (PWM) tekniği ile kontol edilmektedi. Hızlı geçiş cevabı ve yüksek güç yoğunluğu nedeniyle, bu dönüştüücüle endüstide yaygın olaak kullanılmaktadı. Bu dönüştüücüle, geniş bi aalıkta ayalanabilen, düzgün ve egüleli bi DC geilim sağlayabilmektedi. Anahtalamalı temel DC DC dönüştüücüle, bi kontollü yaı iletken güç elemanı, bi yaı iletken güç diyodu ve bi anahtalama endüktansından oluşan üç temel elemanın faklı şekillede bağlanmasıyla elde edilmişti. Devede ya tam iletimde ya da tam kesimde olaak çalıştıılan kontollü güç elemanına, güç anahtaı veya aktif eleman denilmektedi. Diyot ise yaı iletken pasif güç elemanıdı. Ayıca, çalışma fekansına göe endüktans değeinin yeteince büyük olduğu ve böylece endüktanstan geçen akımın genellikle kesintisiz ve düzgün olduğu kabul edilmektedi. Anahtalamalı DC DC dönüştüücülein çalışma pensibi, anahtalanan endüktansın eneji aktaımına dayalıdı. Bu dönüştüücülede, bi anahtalama peyodu içeisinde ya güç anahtaı ya da güç diyodu iletimdedi. Genellikle, anahta iletimde iken endüktansa enjekte edilen eneji, diyot iletimde iken çıkışa aktaılı (Bodu, 2003).

4 2.1.1 Anahtalamalı DC DC Dönüştüücülein Sınıflandıılması Faklı şekillede sınıflandıılan anahtalamalı DC DC dönüştüücülein çok kabul göen bi sınıflaması aşağıda veildiği gibidi. 2.1.1.1 İzolasyonsuz Temel DC DC Dönüştüücüle a) Düşüücü (buck) dönüştüücü b) Yükseltici (boost) dönüştüücü c) Düşüücü yükseltici ( buck boost ) dönüştüücü d) Cuk dönüştüücü e) Sepic dönüştüücü f) Zeta dönüştüücü 2.1.1.2 İzolasyonlu DC DC dönüştüücüle a) İlei yönlü (fowad) dönüştüücü b) Gei dönüşlü (fly-back) dönüştüücü c) Push pull dönüştüücü d) Yaım köpü ( half-bidge) dönüştüücü e) Tam köpü (full-bidge) dönüştüücü Aslında, izolasyonsuz olan ilk 3 dönüştüücü temel dönüştüücüledi. Diğe bütün dönüştüücüle, bu 3 dönüştüücüden biisinin kaakteistiğine sahipti. Ayıca, genellikle izolasyonlu olaak kullanılan yaım ve tam köpü dönüştüücüle, izolasyonsuz olaak da geçekleştiilebilmektedi. İzolasyonsuz düşüücü ve yükseltici ile izolasyonlu push pull dönüştüücüle daha çok kullanılmaktadı.

5 2.1.2 Dabe Genişlik Modülasyonu (PWM) Tekniği Anahtalamalı DC DC dönüştüücülede, bi anahtalama peyodu içeisinde güç anahtaı iletim süesinin anahtalama peyoduna oanı, dabe/peyot oanı veya bağıl iletim süesi olaak tanımlanı ve λ veya D ile gösteili. Böylece, bağıl iletim süesi için, T1 λ = (2.1) T p 0 < λ < 1 (2.2) yazılabili. Bağıl iletim süesi λ nın kontolü ile, DC çıkış geiliminin ayalanması ve bu geilimin giiş geilimi ile çıkış akımındaki değişmelee kaşı egüle edilmesi sağlanmaktadı. Şekil 2.1 Pensip olaak PWM tekniği. Bu dönüştüücüle, genellikle dabe genişlik modülasyou (PWM) tekniği ile kontol edilmektedi. Bu teknikte, sabit çalışma fekansı altında güç anahtaının iletim süesi

6 değiştiileek, bağıl iletim süesi λ böylece DC çıkış geilimi kontol edilmektedi. Geçekleştiilmesi de oldukça kolay olan PWM tekniğinde, güç anahtaı kontol sinyalinin nasıl elde edildiği ve kontolün nasıl sağlandığı, pensip olaak Şekil 2.1 de göülmektedi. PWM tekniğinde, Şekil 2.1 den göüldüğü gibi, istenen bi efeans geilim V ile gei besleme geilimi V f nin bi amplifikatöden geçiilmesiyle kontol geilimi V c elde edilmekte ve bu geilim ile istenen fekansta bi testee dişi geilim V st nin kaşılaştıılmasıyla güç anahtaının kontol sinyali elde edilmektedi. Buada, efeans giiş geilimi ile DC çıkış geiliminin ayaı ve gei besleme giiş geilimi ile DC çıkış geiliminin egülasyonu sağlanmaktadı. Anahtalamalı dönüştüücülein DC çıkış geilimi, ayıca fekans modülasyonu (FM) tekniği ile de kontol edilebilmektedi. Bu teknikte ise, anahtalama fekansı veya peyot değiştiileek, bağıl iletim süesi ve böylece DC çıkış geilimi kontol edilmektedi. Bu kontol yöntemi, ancak hafif yük veya geçici ejim şatlaında çalışma gibi zounlu hallede ve geçici olaak kullanılmaktadı (Bodu, 2003). 2.1.3 Anahtalamalı Temel DC DC Dönüştüücüle Bu bölümde, bi güç anahtaı ve bi güç diyodu ile bi anahtalama endüktasının faklı şekillede bağlanmasıyla geçekleştiilen, izolasyonsuz anahtalamalı 3 temel DC DC dönüştüücünün çalışma pensibi ve genel özelliklei incelenmişti. Bu incelemede, giiş ve çıkış geilim kaynaklaı, güç anahtalaı ve güç diyodu ile endüktans ve kondansatö ideal kabul edilmişti. Analizde, ayıca endüktanstan geçen akımın kesintisiz olduğu kabul edilmişti. Kaalı ejimde çalışan temel dönüştüücülein hepsinde, otalama endüktans akımı daima güç anahtaı ve güç diyodu akımlaının toplamına eşitti. Endüktans geilimi ve kondansatö akımı otalama olaak daima sıfıdı. Endüktans akımı ile kondansatö geilimindeki atma ve azalma miktalaı daima bibiine eşitti. DC çıkış geilimi, otalama endüktans geiliminin sıfı olmasından veya endüktans akımındaki atma ve azalma miktalaının bibiine eşitliğinden bulunabili. Ayıca, endüktans akımındaki dalgalanma miktaı bu akımdaki atma ile azalma miktalaının bibiine eşitliğinden ve çıkış geilimindeki dalgalanma miktaı kondansatö geilimindeki atma ile azalma miktalaının bibiine eşitliğinden kolayca bulunabili(bodu, 2003).

7 2.2 Rezonanslı DC DC Dönüştüücüle Temel olaak, sei bağlı bi endüktans ile bi kondansatöün bi geilim kaynağıyla beslenmesine sei ezonans devesi ve paalel bağlı bi endüktans ile bi kondansatöün bi akım kaynağıyla beslenmesine ise paalel ezonans devesi denilmektedi. Rezonanslı dönüştüücüle, ezonans develei kullanılaak geçekleştiilen dönüştüücü develeidi. Bu şekilde elde edilen çok sayıda ve tüde dönüştüücü mevcuttu. Buada ezonanslı dönüştüücüle etaflı olaak incelenmemişti. Anahtalamalı dönüştüücüle ile bi kaşılaştıma yapılabilmesi için, temel olaak ezonanslı dönüştüme kavamı ve ezonans kontol tekniği ile önek bi ezonanslı dönüştüücü ve temel ezonans bağıntılaı ele alınmıştı (Bodu, 2003). Rezonans develei, aşağıda veilen iki temel amaç ile dönüştüücü uygulamalaında kullanılmaktadı. 1. Tisölein komütasyonunu ve böylece tistölü develein çalışmasını sağlamak. 2. Güç elemanlaının sıfı akım veya sıfı geilimde anahtalanmasını (ZCS veya ZVS) ve böylece anahtalama kayıplaının bastıılmasını sağlamak. Rezonanslı DC DC dönüştüücülein çalışma pensibi, oluştuulan ezonans develeinin eneji tansfeine dayalıdı. Bu amaçla sei, paalel ve kamaşık olmak üzee çok sayıda ve tüde ezonans develei geliştiilmişti. Rezonanslı dönüştüücüle ile öncelei tistölü develein çalıştıılabilmesi amaçlanıken, son yıllada daha çok yaı iletken güç elemanlaında sıfı akımda veya sıfı geilimde anahtalama (ZCS veya ZVS) hedeflenmektedi. 2.2.1 Rezonans Kontol Tekniği Rezonans kontol tekniğinde, sıfı akım veya sıfı geilim dedektölei kullanılaak, akım veya geilimin sıfı olduğu esnada güç elemanlaının iletim veya kesime gimesi sağlanı. Buada, ezonans devesi taafından belilenen çalışma fekansı, genellikle çıkış gücüne bağlı olaak değişmektedi. Bu teknikte, ezonansla aasında bıakılan boşluğun veya giiş kaynağının akım veya geilim değeinin değiştiilmesi ile çıkış gücü kontol edili. Bu ezonanslı dönüştüücünün en önemli avantajı, devedeki güç anahtaının iletim ve kesime gime işlemleinin sıfı akımda anahtalama (ZCS) altında geçekleşmesidi. Bu özellik doğudan dönüştüücünün ismine yansımıştı.

8 Kontol sinyalinin elde edilebilmesi için akım ve geilim dedektöleinin kullanılması geektiğinden, kontolün zo olduğu söylenebili. Bu dönüştüücüde çıkış geilimi 0 ile V i aalığında kontol edilebili. Ancak, bu kontol diyodun iletim aalığı değiştiileek sağlanabildiğinden, çalışma fekansı geniş bi aalıkla değişmektedi. Çalışma fekansı veya çıkış geilimi, ayıca I o yük akımına çok bağlıdı. Ayıca, bu dönüştüücüde akım ve geilim değişimlei çok dalgalıdı. Güç anahtaı ile güç diyodu aşıı akım veya aşıı geilim stesine mauz kalmaktadı. Böylece, elemanlaın nominal değelei yükselmekte ve devenin güç yoğunluğu düşmektedi (Bodu, 2003). 2.3 Anahtalamalı ve Rezonanslı DC DC Dönüştüücülein Kaşılaştıılması Anahtalamalı ve ezonanslı DC DC dönüştüücülein ayıntılı bi kaşılaştıması Çizelge 2.1 de veilmişti. Bu tablodan açıkça göüldüğü gibi anahtalamalı dönüştüücüle set anahtalama dışında büyük bi üstünlük sağlamaktadı (Bodu, 2003). Çizelge 2.1 Anahtalamalı ve Rezonanslı DC DC dönüştüücülein kaşılaştıılması (Bodu, 2003). Kaşılaştıma Konusu Anahtalamalı Rezonanslı Kontol tekniği PWM Rezonans Kontol kolaylığı Çok kolay Zo Çalışma fekansı Sabit Değişken Fekansın yüke bağlılığı Bağlı değil Bağlı Güç elemanlaının iletim Set Yumuşak ve kesime gime işlemlei Güç elemanlaının akım Nomal Aşıı ve geilim steslei Güç elemanlaının Nomal Yüksek nominal değelei Akım ve geilim değişimleinde Yok Fazla dalgalanma Güç yoğunluğu Çok yüksek Düşük Cevap veme Çok hızlı Yavaş

3. YUMUŞAK ANAHTARLAMA TEKNİKLERİ 9 3.1 Yumuşak Anahtalama ve Bastıma Hücesi Kavamı Anahtalama, temel olaak bi güç elemanının iletim ve kesime gime işlemleidi. Anahtalama işlemleinde, güç anahtaının akım ve geiliminin üstüste binmesiyle oluşan anahtalama kayıplaı yanında, güç diyodunun tes topalanma kaybı ve güç anahtaının paazitik kondansatöünün deşaj kaybı da oluşmaktadı. Bu anahtalama kayıplaının hepsi anahtalama fekansı ile doğu oantılıdı. Ek bi düzen kullanılmadan doğal olaak geçekleşen anahtalamalaa Set Anahtalama (HS) denilmektedi (Bodu, 2003). Set anahtalamayla çalışan develede, anahtalama kayıplaı attıkça, kullanılan güç elemanlaının nominal değelei ile soğutucu ve soğutma sisteminin boyutlaı da ata. Sonuç olaak, devenin hacmi ile maliyeti ata ve güç yoğunluğu düşe. Bununla beabe, anahtalama işlemlei sıasında, büyük değeli olan akım ve geilim yükselme hızlaı, yüksek değeli Elektomanyetik Giişimi (EMI) ve Radyofekans Giişimi (RFI) güültüleine neden olu. Bu güültüle ise, kontol ve habeleşme sinyalleini boza. Set anahtalamadaki bu poblemlein çözülmesi azusu Yumuşak Anahtalama (SS) kavamını otaya çıkamıştı. Yumuşak anahtalama, temel olaak, anahtalama kayıplaı ile EMI güültünün özel düzenlele yok edilmesi veya en aza indiilmesi şeklinde tanımlanı. Yayınlada stes azaltma, bastıma, yük hattını şekillendime gibi teimlele de ifade edilen yumuşak anahtalama, anahtalama esnasında, elemanın mauz kaldığı akım ve geilim değelei ile akım ve geilim yükselme hızlaının bastıılması, akım ve geilim değişimleinin şekillendiilmesi, anahtalama kayıplaı ile EMI güültünün azaltılması ve anahtalama enejisinin yüke veya kaynağa tansfe edilmesi fonksiyonlaını kapsa. Yumuşak anahtalama amacıyla geliştiilen ve dönüştüücülein temel bi paçası olmayan ilave düzen ve develee ise bastıma hücelei denilmektedi. Bastıma hücelei, klasik ve moden olaak iki guba ayılı. Bu hücele aasındaki temel fak, moden hücelein bi kısmi ezonansa sahip olmalaıdı. Bu ezonans, sadece anahtalama işlemlei sıasında etkili olan geçici, peiyodun tümüne yayılmayan ve yük akımından bağımsız bi ezonanstı. Kısmi ezonans, temel olaak, bastıma işleminin kısa süeli ve mükemmel olması ile bastıma enejisinin gei kazanılmasını sağla. Bastıma hücelei, dönüştüücünün ana anahta ve ana diyodu üzeinde ilave akım ve geilim stesleinin veya ek kayıplaın oluşmasına neden olabili. Bu ek kayıpla yok edilmeli veya en

10 düşük seviyelede tutulmalıdı. Ayıca, bu hücelein çalışması güç anahtaının iletim ve kesime gime süeleinin dışına taşınabili. Bu taşmala minimum seviyelede kalmalı, böylece bastıma hücesi PWM kontoluna mani olmamalı ve dönüştüücü değişken veya hafif yüklede de çalışabilmelidi. İlave olaak, bastıma hücelei dönüştüücünün kamaşıklık ve fiyatını attıabili. Bu atışla da düşük seviyelede kalmalıdı. Yumuşak anahtalama veya bastıma hüceleinde nihai amacın devenin güç yoğunluğunun attıılması olduğu daima göz önünde tutulmalıdı. Bi bastıma hücesinin seçilme kaaı, bu hücenin sağladığı bütün yumuşak anahtalama yaalaı ile bu hücenin neden olduğu ek külfetle iyice kaşılaştıılaak veilmelidi. Yumuşak anahtalamadan istenen fonksiyonla, genel olaak aşağıda sıalanmıştı. Bu fonksiyonlaın çoğu bibiine bağlı veya bibiinin tamamlayıcısı niteliğindedi. Anahtalama geçişlei esnasında akım ve geilimin üstüste binmesini azaltmak. Akım ve geilimin yükselme hızlaını sınılamak. Yük hattı akım ve geilim değişimleini düzenlemek. Anahtalama eneji kayıplaını bastımak. EMI ve RFI güültüleini bastımak. Anahtalama enejileini gei kazanmak. Çalışma fekansını yükseltmek. Peyodun büyük bi kısmında PWM çalışmayı koumak. Hafif yüklede de yumuşak anahtalamayı südümek. Devenin boyut ve maliyetini düşümek. Devenin veim ve güç yoğunluğunu attımak. DC-DC dönüştüücülede, iletim ve kesim duumlaındaki akım ve geilim değişimleinde dalgalanmala olmadığından, sikülasyon enejisi veya eaktif enejinin de olmadığı söylenebili. Bu duum ise, anahtalama işlemlei dikkate alınmadığında, bu devedeki güç yoğunluğunun çok yüksek olduğunu göstei. Ayıca, anahtalama fekansı yükseldikçe, endüktans ile kondansatö değelei oantılı olaak düşe ve güç yoğunluğu daha da ata. Ancak, fekans yükseldiğinde, anahtalamadaki eneji kayıplaı ve EMI güültü de atmaktadı. Bu nedenle, endüstide yaygın olaak kullanılan PWM DC-DC dönüştüücülein gelişimi, anahtalama poblemleinin çözümüne dayalıdı. Bu yüzden yumuşak anahtalama tekniklei, anahtalama kayıplaını düşüeek, çalışma fekansının attıılmasına olanak sağladığı için PWM DC-DC dönüştüücülein gelişiminde çok önemli bi ole sahipti. Ve

11 akademik ve endüstiyel çalışmalada he geçen gün atan bi şekilde südümektedi (Bodu, 2003). cazibesini 3.2 Yumuşak Anahtalama Tekniklei Yumuşak anahtalama tekniklei, genel olaak, Sıfı Akımda Anahtalama (ZCS) Sıfı Geilimde Anahtalama (ZVS) Sıfı Akımda Geçiş (ZCT) Sıfı Geilimde Geçiş (ZVT) şeklinde 4 genel guba ayılı. Şekil 3.1 de, bi anahtalama elemanının kontol sinyali ile set anahtalama (HS) ve yumuşak anahtalama (SS) teknikleiyle ilgili temel dalga şekillei göülmektedi. ZCS ile ZVS temel ve ZCT ile ZVT ilei yumuşak anahtalama teknikleidi. Şekil 3.1 (a) Bi anahtalama güç elemanın kontol sinyali ile (b) HS (c) ZCS ile ZVS ve (d) ZCT ile ZVT çalışmalaıyla ilgili temel dalga şekillei (Bodu, 2003).

12 3.2.1 Sıfı Akımda Anahtalama (ZCS) Sıfı Akımda Anahtalama (ZCS), iletime gime işleminde geçekleştiilen bi SS tekniğidi. Bu teknikte, temel olaak güç anahtaına küçük değeli bi endüktans sei bağlanaak, iletime gime işleminde elemandan geçen akımın yükselme hızı sınılanı. Böylece, akım ile geilimin üstüste binmesi ve anahtalama eneji kaybı azaltılı. Aslında, iletime gime işlemindeki anahtalama enejisi endüktansa aktaılı. Endüktanstaki bu eneji, klasik hücelede bi diençte hacanı, fakat moden hücelede kısa süeli bi kısmi ezonans ile geilim kaynağı veya yüke aktaılaak gei kazanılı. 3.2.2 Sıfı Geilimde Anahtalama (ZVS) Sıfı Geilimde Anahtalama (ZVS), kesime gime işleminde geçekleştiilen bi SS tekniğidi. Bu teknikte, temel olaak güç anahtaına küçük değeli bi kondansatö paalel bağlanaak, iletimden çıkma işleminde elemanın uçlaında oluşan geilimin yükselme hızı sınılanı. Böylece, iletimden çıkma işleminde, anahtalama eneji kaybı azaltılı ve anahtalama enejisi kondansatöe aktaılı. Kondansatödeki bu eneji, moden hücelede gei kazanılı. ZCS ve ZVS teknikleinde anahtalama eneji kaybı tamamen yok edilememektedi. Bu nedenle, bu tekniklee yaklaşık ZCS ve yaklaşık ZVS tekniklei de denilmektedi. Genel olaak, ZCS de kullanılan endüktansa sei bastıma elemanı ve ZVS de kullanılan kondansatöe paalel bastıma elemanı denili. Nomal olaak, sei endüktans güç elemanı üzeinde ilave bi geilim stesine ve paalel kondansatö ise ilave bi akım stesine neden olu. Sei endüktansın neden olduğu ek geilim stesinin önlenemediği kabul edilmektedi. 3.2.3 Sıfı Akımda Geçiş (ZCT) Sıfı Akımda Geçiş (ZCT), kesime gime işleminde geçekleştiilen ilei bi SS tekniğidi. Bu teknikte, güç anahtaından geçen akım kısa süeli bi kısmi ezonansla sıfıa düşüülü ve akım sıfıda tutuluken kontol sinyali kesili. Böylece, akım ile geilimin üstüste binmesi ve anahtalama eneji kaybı tamamen yok edili. Mükemmel bi kesime gime işlemi sağlanı. Buada hem ZCS hem de ZVS nin sağlandığı söylenebili. Akımın sıfıa düşmesi ilei alınaak geçekleştiilen bi SS tekniğidi. Anahtalama enejisinin gei kazanıldığı bu teknik, ancak moden hücelele sağlanabili ve bi yadımcı veya ilave yaı iletken anahta geektii. 3.2.4 Sıfı Geilimde Geçiş (ZVT) Sıfı Geilimde Geçiş (ZVT), iletime gime işleminde uygulanan ilei bi SS tekniğidi. Bu

13 teknikte, güç anahtaı uçlaındaki geilim kısa süeli bi kısmi ezonansla sıfıa düşüülü ve bu geilim sıfıda tutuluken kontol sinyali uygulanı. Böylece, anahtalama eneji kaybı tamamen yok edili ve mükemmel bi iletime gime işlemi sağlanı. Geilimin sıfıa düşmesi ilei alınaak geçekleştiilen bu teknikte de hem ZVS hem de ZCS nin sağladığı söylenebili. Anahtalama enejisinin gei kazanıldığı bu teknik de moden hücelele elde edili ve ilave bi anahta geektii. Buada hemen şunun belitilmesi geeki ki, sadece bu teknikte güç anahtaının paazitik kondansatöünün deşaj eneji kaybı yok edili ve bu eneji gei kazanılı. Yüksek değelede paazitik kondansatölee sahip olan MOSFET güç elemanlaında bu SS tekniği büyük önem taşı (Bodu, 2003).

14 4. SIFIR GERİLİMDE ANAHTARLAMALI DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER Bu bölümde, tezde geliştiilen deve ile liteatüde ye alan ZVT PWM DC-DC dönüştüücülein kaşılaştıılmasının yapılabilmesi için (Moschopoulos vd., 1995) ve (Tseng ve Chen, 1998) taafından sunulmuş olan iki deve detaylı olaak incelenmişti. 4.1 DÖNÜŞTÜRÜCÜ-1 Bu çalışmada, temel dönüştüücü poblemleini çözen yeni bi sıfı geilimde anahtalamalı (ZVS) PWM yükseltici dönüştüücü geliştiilmişti (Moschopoulos vd., 1995). Temel dönüştüücülein poblemlei aşağıda sıalanmıştı. 1. Ana anahta için yumuşak anahtalama sağlanıken kullanılan yadımcı anahtaın kesime gimesi kayıplıdı. 2. Yadımcı anahta ana anahtaın sıfı akımda anahtalama (ZCS) ile kesime gimesini sağla, fakat özellikle MOSFET lede iletime gime kayıplaını azaltmaz. 3. Yadımcı anahta anahtalama peiyodunun büyük bi kısmında çıkış geiliminin iki katına mauz kaldığından yüksek geilim stesine sahipti. 4. Yadımcı anahta için izoleli süme devesi geeklidi. 5. Standat PWM dönüştüücüye eklenen güç ve kontol develei kamaşıktı. Şekil 4.1 de gösteilen bu dönüştüücü ilave bi ezonans devesi içemektedi. Rezonans devesi, ana anahta uçlaına paalel bağlanmıştı ve devedeki anahtalama kayıplaı çok düşüktü. Aşağıda dönüştüücünün çalışma aalıklaı açıklanmış ve geliştiilen tasaım yöntemi ile dönüştüücünün uygulanabililiği deneysel pototipten alınan sonuçlala gösteilmişti. Şekil 4.1 ZVS PWM yükseltici dönüştüücünün deve şeması.

15 4.1.1 Çalışma Aalıklaı Bu bölümde dönüştüücünün bi anahtalama peiyodu içinde oluşan çalışma aalıklaı açıklanmış ve he bi çalışma aalığının matematiksel analizi veilmişti. Dönüştüücüye ait temel dalga şekillei Şekil 4.2 de, çalışma aalıklaı Şekil 4.3-Şekil 4.10 da veilmişti. Analizde, 1. L in giiş endüktansının, yadımcı deveden akım geçeken sabit akım kaynağı gibi davanacak kada büyük olduğu, 2. C o çıkış filte kondansatöünün sabit geilim kaynağı kabul edilebilecek kada büyük olduğu, 3. S 2 yadımcı anahtaı iletimde iken R diencine sahip olduğu, 4. S 1 ana anahtaının ihmal edilebilecek dience sahip olduğu kabul edilmişti. Şekil 4.2 Dönüştüücüye ait temel dalga şekillei

16 Aalık 0 [t<t 0 ] Şekil 4.3 Aalık 0 a ait eşdeğe deve şeması. S 1 ana anahtaı ve S 2 yadımcı anahtaı kesimdedi. D 1 diyodu iletimdedi ve akım diyot üzeinden yüke doğu geçe. C ezonans kondansatöü V * geilimi ile doludu. S 2 uçlaındaki geilim V o -V * dı. Aalık 1 [t 0 -t 1 ] Şekil 4.4 Aalık 1 e ait eşdeğe deve şeması. S 2 nin kontol sinyalinin veilmesiyle L ezonans endüktansı ve C ezonans kondansatöü aasında bi ezonans başla. D 1 diyodunun akımı yadımcı deveden geçen akımın yükselme hızına bağlı olaak azalı. L endüktansı akım yükselme hızını sınıladığından S 2 anahtaı ZCS altında iletime gimiş olu. L di dt L t 1 * = Vo ILdt V ILR C (4.1) 0 dv dt C C = IL (4.2)

17 Buada duum değişkenlei, I L ezonans endüktansı akımı ve V C ezonans kondansatöü geilimidi. I L =0 ve V C =V * başlangıç koşullaı kullanılaak (4.1) ve (4.2) nolu denklemle çözülüse aşağıdaki eşitlikle elde edili. I L = Vo V ω L * e ξt sin ω t (4.3) V C = V o ω ω o * (V V )e o ξt cos( ω t ψ) (4.4) Buada, R 2L ξ = (4.5) 1 ω o = (4.6) L C 2 2 ω = ωo ξ (4.7) ψ = tan 1 ω ξ (4.8) Bu aalığın sonunda I L akımı I in değeine ve V C geilimi V ** değeine ulaşı. Aalık 2 [t 1 -t 2 ] Şekil 4.5 Aalık 2 ye ait eşdeğe deve şeması. I L giiş akımının üstüne çıktığında D 1 diyodundan geçen akım sıfıa düşe ve diyot kesime gie. Bu aalıkta C s1, C ve L aasında bi ezonans başla. I L akımı atmaya devam ede. I L

18 akımının giiş akımından fazla olan kısmı S 1 uçlaındaki kondansatöü C s1 i deşaj ede. Duum denklemlei aşağıda veilmişti. L di dt L t 1 ** = VCs1 ILdt V ILR C (4.9) 0 dv dt C C = IL (4.10) C s1 dv dt Cs1 = (I I ) (4.11) L in I L =I in, V C =V ** ve V CS1 =V o başlangıç şatlaı kullanılaak (4.9)-(4.11) denklemlei çözüldüğünde aşağıdaki eşitlikle elde edili. ξt I L = e (A cos ω' t + B sin ω' t) + I in C C p s1 (4.12) VC s1 t = ξ e ( E C s1 cos ω' t + F C s1 sin ω' t) I in C p + C C s1 2 s1 t + V o E C s1 (4.13) C t E F p ** VC = e ξ ( cos ω' t + sin ω' t) Iin t + V + C C C C s1 E C (4.14) Buada, C p C C C + C s1 = (4.15) s1 C A = I (4.16) p in C B V V I R ω' L ** o in = (4.17) + L ξa ' ξa + Bω E = (4.18) ω '2 o

19 ' ξb + Aω F = (4.19) ω '2 o olaak veili. Denklem (4.6) ve (4.7) de C yeine C p konulaak ω o ' ve ω ' bulunu. Bu aalık C S1 tamamen deşaj olduğunda sona ee. Aalığın sonunda I L = I *** ve V C = V *** olu. Aalık 3 [t 2 -t 3 ] Şekil 4.6 Aalık 3 e ait eşdeğe deve şeması. Bu aalık S 1 in tes paalel diyodunun iletime gimesiyle başla. C ve L aasında bi ezonans oluşu. Diyodun iletimde olduğu süe içeisinde S 1 in kontol sinyali uygulandığından S 1 ZVS altında iletime gie. Bu aalıkta, L di dt L t 1 *** = ILdt V ILR C (4.20) 0 dv dt C C = IL (4.21) eşitliklei mevcuttu. Başlangıç koşullaı I L =I *** ve V C =V *** kullanılaak (4.20)-(4.21) denklemlei çözüldüğünde I L = e ξt (I *** cos ω t + G sin ω' t) (4.22) H ξt *** VC = e ( cosωt + sin ωt) + V + C C J H C (4.23) elde edili. Buada, G (V + I R) + L ξi ω L *** *** *** = (4.24)

20 H ξi + Gω *** = (4.25) 2 ωo J ξh I ω *** = (4.26) 2 ωo eşitliklei geçelidi. Bu aalığın sonunda I L =I in değeine ulaşı. Aalık 4 [t 3 -t 4 ] Şekil 4.7 Aalık 4 e ait eşdeğe deve şeması. L akımının I in in altına düşmesiyle S 1 iletime gie. L akımı pozitif olduğu süece bu aalık devam ede. I L akımı sıfı olduğunda bu aalık sona ee. Bu aalıktaki denklemle Aalık 3 teki denklemle ile aynıdı. Aalık 5 [t 4 -t 5 ] Şekil 4.8 Aalık 5 e ait eşdeğe deve şeması. S 1 in giiş akımını geçimesiyle başlayan bu aalıkta, C ve L aasında S 2 nin diyodu üzeinden tes bi ezonans oluşu. S 1 den geçen akım, giiş akımı ile ezonans akımının toplamına eşitti. S 2 nin dahili diyodunun iletimde olduğu aalıkta kontol sinyalinin kesilmesiyle S 2 ZVS altında kesime gie. Duum denklemlei aşağıda veilmişti.

21 L di dt L t 1 **** = ILdt V C (4.27) 0 dv dt C C = IL (4.28) I L =0 ve V C =V **** çözüldüğünde, başlangıç değelei kullanılaak (4.27) ve (4.28) nolu denklemle I L V C **** Vo V = sin ωot (4.29) ω L o **** = V (V V )cosω t (4.30) o o o eşitliklei elde edili. Kaalı duumda bu aalığın sonunda V C, yadımcı deve iletime gimeden önceki değei olan V * a ulaşı. Aalık 6 [t 5 -t 6 ] Şekil 4.9 Aalık 6 ya ait eşdeğe deve şeması. Bu aalıkta devenin çalışması standat PWM yükseltici dönüştüücü ile aynıdı.

22 Aalık 7 [t 6 -t 7 ] Şekil 4.10 Aalık 7 ye ait eşdeğe deve şeması. S 1 in kontol sinyalinin kesilmesiyle bilikte S 1 anahtaı ZVS altında kesime gie ve C s1 kondansatöünün geilimi çıkış geilimine eşit olana kada giiş akımı ile şaj olu. Çıkış geilimine eiştiğinde başka bi anahtalama peiyodu başla D 1 diyodu iletime gie ve giiş akımı diyot üzeinden çıkışa aktaılı. Çizelge 4.1 Devede kullanılan elemanlaın anahtalama duumlaı ve mauz kaldığı maksimum değele. Elemanlaın Mauz Kaldığı Eleman İletime Gime Kesime Gime Maksimum Geilim Maksimum Akım S 1 ZVT (ZCS, ZVS) ZVS V o I in + I Lmax (t 45 ) S 2 ZCS ZCT (ZCS, ZVS) V o - V* I Lmax (t 2 ) D 1 ZVS ZCS, ZVS V o I in 4.1.2 Tasaım Kitelei Çalışma aalıklaı için elde edilen denklemle kullanılaak, Şekil 4.11(a)-(b) de gösteilen kaakteistik eğile üetili. Yadımcı ezonans devesi ana anahta iletime gimeden önce aktif hale geldiğinden, devenin çalışması V o çıkış geilimine bağlı olduğu gibi giiş akımının minimum değei I in e de bağlıdı. Çıkış geiliminin giiş akımının minimum değeine oanı V o Z b = (4.31) Iin şeklinde tanımlanı. Kaakteistik eğile Z b değişkenine göe elde edili. Eğilein üetilmesi amacıyla deve faklı çalışma şatlaında PROTEUS pogamı ile simüle edilmişti.

23 Simülasyon pogamından elde edilen çıktıla kullanılaak değişimle çizdiilmişti. Şekil 4.11(a)-(b) ve Şekil 4.13(a)-(c) de Z b =60 için elde edilen eğile gösteilmektedi. Geilim ve akım için baz değele V o ve I in olaak alınmıştı. Bu eğile için yadımcı anahtaın iletim duumundaki dienci R =1 ohm kabul edilmişti. Şekil 4.11(a) da ana anahta akımının tepe değei I S1,peak ve ezonans elemanlaının empedansı L Z = (4.32) C aasındaki ilişki K=C /C S1 in faklı değelei için gösteilmişti. Bu eğileden I S1,peak in Z ve C /C S1 azalıken attığı göülmektedi. Yadımcı devenin ezonans peiyodu T, Z ve C /C S1 e bağlı olaak (4.33) eşitliğinde veilmişti. I S1,peak ile T aasındaki ilişki (4.33) te göülmektedi. T C = 2π LC = 2πCs1Z (4.33) Cs1 I S1,peak ile Z aasındaki ilişki Şekil 4.11(a) da gösteilmişti. Şekil 4.11(a) I S1peak (A) Z (Ω) kaakteistiği. Şekil 4.11(b) de yadımcı anahta uçlaındaki geilim V S2 ile Z aasındaki ilişki gösteilmişti. Yadımcı anahtaın geilim stesi çıkış geiliminden daha büyük olmasına ağmen, bu stesin çıkış geiliminin iki katından küçük olması sağlanabili. Genelde diğe sıfı geilim geçişli (ZVT) yükseltici dönüştüücülede de geilim stesi bulunu. Anahtalama peiyodu boyunca ezonans kondansatöü uçlaındaki geilim V C yadımcı anahtada yüksek geilim stesine neden olu ve V C, V S2 -V o ya eşitti.

24 Şekil 4.11(b) V S2 (V) Z (Ω) kaakteistiği. Bu dönüştüücüde, C S1 deşaj olduktan sona ana anahta iletime giese ZVS ile iletime gime sağlanı, fakat ezonans devesinden geçen akım ana anahta iletime gimeden giiş akımının altına düşese C S1 teka şaj olmaya başla. Şekil 4.12 de gösteildiği gibi yadımcı anahta S 2, t 0 anında iletime gidikten sona, t A -t B zaman aalığı içinde S 1 anahtaının süme sinyali veilise ZVS ile iletime gimesi sağlanı. Rezonans devesinin elemanlaı olan L ve C nin değelei, deve aktif hale geldiğinde C S1 kondansatöünü deşaj edecek yeteli enejiyi sağlayacak şekilde seçilmelidi. Şekil 4.12 ZVS aalığı Z kaakteistiği. Şekil 4.13(a)-(c) de ZVS çalışma süelei ile ilgili kaakteistik eğile gösteilmişti. Değişimle S 2 iletime gidikten sona S 1 in ZVS altında iletime giebileceği en eken ve en geç zamanlaı göstei. S 1 anahtaı t A ve t B aasında iletime sokulduğunda he zaman ZVS ile iletime gie. Bu zamanla ezonans devesinin peiyoduna göe tanımlanı.

25 Şekil 4.13(a) t A (ns) Z (Ω) kaakteistiği Şekil 4.13(b) t B (ns) Z (Ω) kaakteistiği. Şekil 4.13(c) t ZVT (ns) - Z (Ω) kaakteistiği

26 V S2, V C, I S1p, t A, t B paameteleinin I in ve R ye bağlı değişimlei sıasıyla Şekil 4.14 ve Şekil 4.15 te veilmişti. Şekil 4.14 V S2 (V), V C (V), I S1 (A), t A (ns), t B (ns) I in (A) kaakteistiği Şekil 4.15 V S2 (V), V C (V), I S1 (A), t A (ns), t B (ns) R (Ω) kaakteistiği Rezonans devesi elemanlaının değelei ile t A ve t B süeleini belilemek için kullanılan tasaım yöntemi aşağıda veilmişti. C S1 kondansatöünün değeinin ve yadımcı anahtaın iletim duumundaki dienci R nin bilindiği kabul edilmişti. 1. Z b =V o /I in en düşük değei için çalışma noktası belileni. Ana anahtadan geçen akımın tepe değei bu çalışma noktasında en büyüktü. Bundan başka S 1 in ZVS ile iletime gimesi için geekli zaman aalığı en kısadı. Eğe ZVS bu çalışma noktasında geçekleşise diğe tüm çalışma duumlaı için sağlanabili.

27 2. I S1,peak, V S2, t A ve t B ile Z aasında C /C S1 in faklı değelei için kaakteistik eğileini oluştuu. 3. I S1,peak -Z eğisi üzeinde bi çalışma noktası seçili. Bu nokta izin veilebili maksimum akıma yakın bi değe olmalı ve Z ile C /C S1 oldukça küçük değelee sahip seçilmelidi. Böylece ezonans peiyodu T minimumda tutulmuş olu. Eğe T çok büyük olusa ezonans devesinin aktif olduğu süe atacağından ana anahtaın iletim süesi dolayısıyla λ sınılanmış olu. 4. Eğileden tespit edilen Z ve C /C S1 den L ve C değelei hesaplanı. 5. Yadımcı anahtaın geilim stesini bulunu. 6. Denklem (4.33) ü kullanaak T hesaplanı ve ZVS çalışma için zaman sınılaı t A ve t B değelei elde edili. 4.1.3 Tasaım Öneği Tasaım yöntemi aşağıda özeliklei veilen bi dönüştüücü tasaımına uygulanmıştı. Çıkış gücü: P o =100-750 W Çıkış geilim: V o =300 V Giiş geilimi: V in =150-210 V Anahtalama Fekansı: f SW =40 khz S 1 in maksimum akımı: I S1,peak =15 A C S1 =1 nf, yadımcı anahtaın iletim duumundaki dienci R =1 ohm ve giiş akımında dalgalanmanın olmadığı kabul edilmişti. 1. Giiş akımının otalamasının maksimum değei P o =750 W ve V in =150 V iken I in =5 A di. Kaakteistik eğilei V o =300 ve I in =5 A (Z b =60) için üetili. 2. Z b = 60 için istenen kaakteistik eğilei Şekil 4.11(a)-(b) de gösteilmişti. 3. I S1,peak -Z gafiğinde S 1 in maksimum tepe akımı 15 A için, Z ile C /C S1 in değeleinin küçük olduğu bi nokta, Z =6 ve C /C S1 =25 seçili. 4. C /C S1 =25 ve C S1 =1nF olaak kabul edildiğinden, C =25 nf tı. Denklem (4.32) kullanılaak L hesaplanısa,

28 L 2 2 = Z C = 6.25nF = 0.9μH bulunu. 5. Yadımcı anahta geilimi Şekil 4.11(b) den bulunu. Z =6 ve C /C S1 =25 için bu geilim 360 V tu. 6. T nin değei T = 2π 0.9μH25nF = 942ns olaak hesaplanı. t A ve t B zamanlaı Şekil 4.11(c) den bulunu ve t A =65 ns, t B =280 ns di. 4.1.4 Simülasyon Sonuçlaı Teoik analizi doğulamak üzee dönüştüücünün simülasyonu yapılmıştı. Simülasyonda çıkış gücü P o =750 W, çıkış geilimi V o =300 V, giiş geilimi V in =150 V ile C S1 =1 nf, C =30 nf ve L = 1 uh alınmıştı. Yadımcı anahtaın iletim duumundaki dienci R =1 ohm seçilmişti. Dönüştüücünün simülasyonundan elde edilen sonuçlaın teoik analiz ile uyum içinde olduğu gözlenmişti. Şekil 4.16 da ana anahta S 1 in geilim ve akım değişimlei gösteilmişti. C S1 i deşaj eden negatif akım değişimleden göülmektedi. S 1 in uçlaındaki geilim sıfı iken akım geçmeye başladığından, iletime gimede anahtalama kaybı yoktu. Şekil 4.16 Ana anahtaın iletime gimesi esnasında uçlaındaki geilim (V) ve akım (A) değişimlei. Anahta uçlaındaki geilim standat PWM dönüştüücüdeki anahta geilimi ile aynı olmasına ağmen, anahta akımında ezonans devesinden geçen akımdan dolayı ilave bi akım göülmektedi. Bundan dolayı anahtaın iletim kayıplaı biaz atmıştı. Bu ilave akımın süesi anahtalama peiyodu ile kıyaslandığında oldukça küçüktü. Rezonans devesi çok kısa bi süe aktif olduğundan bu güç toplam gücün çok küçük bi kısmıdı.

29 Şekil 4.17 de yadımcı anahtaın geilim ve akım değişimlei gösteilmişti. Bu değişimden yadımcı anahtaın kapı sinyali, uçlaındaki diyot yoluyla üzeinden negatif akım geçtiğinde kesilise ZVS ile kesime gimenin sağlanacağı anlaşılmıştı. Bundan başka iletime gimede yadımcı anahtaın akımının yükselme hızı di/dt, L ezonans endüktansından dolayı sınılıdı. Aynı zamanda ana diyodun kesime gime esnasındaki di/dt de sınılandıılı. Diyodun yumuşak şekilde kesime gimesi sağlanı. Şekil 4.17 Yadımcı anahtaın geilim (V) ve akım değişimlei (A). Şekil 4.18 de ezonans endüktans akımı ile ezonans kondansatö geiliminin değişimlei veilmişti. Buada ezonans kondansatö geiliminin yadımcı deve iletime gimeden önceki değeine gei döndüğü göülmektedi. Şekil 4.18 Rezonans endüktans akımı (A) ve ezonans kondansatö geilimi (V).

30 4.1.5 Sonuçla Bu çalışmada öneilen ZVS PWM yükseltici dönüştüücünün başlıca avantajlaı; tüm aktif ve pasif anahtala geniş hat ve yük aalığında yumuşak anahtalama sağlaması ve sabit fekansta çalışmasıdı. Bu avantajla basit bi yadımcı ezonans devesinin ana deveye eklenmesi ile elde edilmişti. Rezonans devesi ana akım yoluna paalel bağlandığından ezonans devesindeki güç, toplam gücün yanında çok küçüktü ve kullanılan elemanlaın değelei ana devede kullanılan elamanlaa göe daha küçüktü. Dönüştüücünün çalışma aalıklaı detaylı olaak analiz edilmiş ve analizlein sonuçlaı kullanılaak kaakteistik eğile üetilmişti. Yadımcı deve elemanlaının seçimi ve ZVS çalışma için tasaım kitelei veilmişti. Öneilen dönüştüücünün teoik analizi 40 khz, 750 W lık bi simülasyon devesi ile doğulanmıştı. 4.2 DÖNÜŞTÜRÜCÜ-2 Bu çalışmada, mevcut aktif bastımalı ZVT-PWM dönüştüücü üzeinde bazı değişiklile yapılaak yeni bi aktif bastıma hücesi sunulmuştu (Tseng ve Chen, 1998). Güç anahtaı olaak MOSFET kullanıldığında kaşılaşılan temel poblemle aşağıda sıalanmıştı. 1. MOSFET in iletime gime işleminde ana diyodun tes topalanma akımından dolayı içinden geçen akım ani olaak ata. 2. İletime gime işleminde MOSFET in paazitik kondansatöü deşaj olu. 3. Kesime gime işleminde MOSFET uçlaındaki geilim yükselme hızının yüksek olması EMI güültüsüne ve elemanda kesime gime kayıplaına neden olu. Geliştiilen bastıma hücesinin kullanıldığı yükseltici dönüştüücü Şekil 4.19 da gösteilmişti. Bastıma hücesi L ezonans endüktansı, C ezonans kondansatöü, C s bastıma kondansatöü, S 2 yadımcı anahtaı ve D 2 yadımcı diyotundan oluşmaktadı. Bu dönüştüücüde S 1 ve S 2 nin dahili diyotlaı D S1 ve D S2 de kullanılı. Dönüştüücünün kaalı ejimde çalışması ayıntılı olaak analiz edilmiş ve aalıklaa ait denklemle veilmişti. Tasaım yöntemi sunulaak analizi doğulamak üzee simülasyon çalışması yapılmıştı.

31 Şekil 4.19 Aktif bastımalı ZVT-PWM yükseltici dönüştüücü. 4.2.1 Devenin Çalışma Aalıklaı Şekil 4.19 da gösteilen devenin bi anahtalama peiyodu boyunca kaalı ejim analizinde, 1. Çıkış kondansatöü yeteince büyük olduğundan çıkış geilimi V o ın sabit ve dalgalanmanın olmadığı, 2. Giiş geiliminin sabit olduğu, 3. L in giiş endüktansının, L ezonans endüktansından çok büyük olduğu, 4. Yadımcı anahta iletime gimeden önce ezonans kondansatöünün geilimi ve ezonans endüktansının akımının sıfı olduğu, 5. t 0 dan önce, S 1 ve S 2 anahtalaının kesimde ve D 1 diyodunun iletimde olduğu kabul edilmişti. Bu kabullee göe bi anahtalama peiyodu içeisinde devenin çalışması sekiz aalığa ayılabili. Dönüştüücüye ait çalışma aalıklaı ve temel dalga şekillei sıasıyla Şekil 4.20- Şekil 4.27 ve Şekil 4.28 de veilmişti.