Seri rezonanslı yarım köprü inverterli ev türü endüksiyon ocaklarının analizi ve yeni bir tasarım metodolojisinin geliştirilmesi
Analysis of household induction cookers with series resonant half bridge inverter and development of a new design methodology
Yazar: FATİH ZÜNGÖR
Danışman: PROF. DR. HACI BODUR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Endüksiyonla ısıtma = Induction heating ; Endüksiyonlu ısıtma cihazı = Induction heating equipment ; Ev aletleri = Household utensils

Özet:
Endüksiyon ile ısıtma, verimliliği ve yüksek güvenilirliği nedeniyle yaygın olarak kullanılan bir ısıtma yöntemidir. Ev tipi endüksiyon ocaklar yüksek verimlilikleri ve yumuşak anahtarlama yetenekleri nedeniyle rezonanslı inverterlerin kullanımı standart hale gelmiştir. Rezonanslı inverter devreleri arasında ise maliyet ve güç arasında bir denge gerektiren uygulamalarda Seri Rezonanslı Yarım Köprü (SRYK) inverter sıklıkla tercih edilmektedir. SRYK inverter devresi için literatür incelendiğinde, bu devrenin performansını artıracak birçok devre tasarımı ve tasarım yapılabilmesi için birçok metodoloji önerilmiş olmasına rağmen, ev tipi endüksiyon ocaklarında kullanılabilecek SRYK inverter devrelerine özel, bobin ve tencerenin etkilerinin dahil edildiği bir tasarım metodolojisi önerilmemiştir.
Bu çalışmada, ev tipi endüksiyon ocaklarda kullanılmak üzere, bobin ve tencerenin etkilerinin dahil edildiği ve çeşitli teorik denklemlerle desteklenen SRYK inverter devrelerine özel bir tasarım metodolojisi geliştirilmiştir. Geliştirilen tasarım metodolojisi, SRYK inverterin eşdeğer devresindeki akım ve gerilim dalga şekillerinin incelenmesiyle başlanılır. Eşdeğer devreden faydalanılarak istenilen güç değerini sağlayabilecek eşdeğer direnç değeri gerekli analizler yapıldıktan sonra hesaplanır. Yapılan analizler sonucunda, bu gücü aktarmayı önerdiğimiz tencere ile uyumlu olan ve hesaplanan eşdeğer direnç değerini sağlayabilen bir bobin tasarımı yapılır. Yapılan bobin tasarımının çıktısı olarak eşdeğer direnç değerinin sağlandığı frekans değeri ve eşdeğer endüktans değeri elde edilir. Elde ettiğimiz frekans değeri ve eşdeğer endüktans değerini kullanarak rezonans devresi için gerekli eşdeğer kondansatör değeri hesaplanır ve buradan SRYK inverterde kullanılan rezonans kondansatörlerine geçiş yapılır. Rezonans devresindeki önemli akım ve gerilimler hesaplanarak devrede bulunan yarı iletkenler, ev tipi endüksiyon ocaklara uygun olacak şekilde seçilir. Son olarak yarı iletken elemanların yumuşak anahtarlama ile çalışabilmesi için bastırma kondansatörleri ve ölü zaman süresi, yarı iletkenlerin anahtarlama karakteristikleri modellenerek hesaplanır. 
Geliştirilen tasarım metodolojisinin doğruluğunu teyit etmek amacıyla, bu metodoloji yardımıyla 230V şebekeden beslenen ev tipi endüksiyon ocak prototip geliştirilecektir. Geliştirilen prototipin, farklı rezonans akımlarında yumuşak anahtarlama ile çalışabildiği gösterilecektir. Geliştirilen tasarım metodolojisi ile yapılan hesaplamalar neticesinde hedeflenen gücün aktarıldığı, osiloskop ile alınan ölçümlerle teyit edilecektir.

Abstract:
Induction heating is widely used in household appliances due to its efficiency and reliability. Domestic induction cooktops often use resonant inverters for their high efficiency and soft switching capabilities. Among these, the Series Resonant Half- Bridge (SRHB) inverter is commonly preferred for its balance between cost and power. Despite extensive literature on SRHB inverter circuits, a specific design methodology for SRHB inverters in domestic induction cooktops, incorporating the effects of the coil and pan, has not been proposed. 
This study introduces a design methodology for SRHB inverter circuits in domestic induction cooktops, incorporating the effects of the coil and pan, supported by theoretical equations. The methodology begins by examining the current and voltage waveforms in the SRHB inverter's equivalent circuit. Necessary analyses are conducted to calculate the equivalent resistance value required for the desired power level. Based on this analysis, a compatible coil design is developed to achieve the calculated resistance. The frequency and equivalent inductance values at which this resistance is achieved are then determined. Using these values, the necessary equivalent capacitor value for the resonant circuit is calculated, guiding the selection of resonant capacitors for the SRHB inverter. 
Subsequently, the significant current and voltage waveforms in the circuit are calculated, and suitable semiconductors for domestic induction cooktops are selected. To ensure soft switching operation, snubber capacitors and dead time duration are calculated by modeling the semiconductors' switching characteristics. 
To verify the design methodology's accuracy, a prototype household induction cooker powered by a 230V mains supply will be developed. The prototype will demonstrate soft switching operation at various resonance currents. Measurements taken with an oscilloscope will confirm that the targeted power is achieved based on the calculations made using the developed methodology.