Klima dış ünite devresi için totem kutuplu yükselten PFC çevirici tasarımı
Totem pole boost PFC converter design for air conditioneroutdoor unit circuit
Yazar: BERK GÖKMEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tezde; klima dış ünitelerinde bulunan kompresör motoru sürücü kartlarında
kullanılmak üzere köprüsüz totem kutuplu yükselten PFC devresinin, tasarımı
simülasyonu ve gerçeklenmesi yapılarak devrenin verim avantajının gösterilmesi
amaçlanmıştır. Klima dış üniteleri, ısıtma/soğutma döngülerini gerçekleştiren
kompresör motorunun bulunduğu ünitelerdir. Kompresör motorlarını sürebilmek için
evirici katı 300V- 400V arasında bir DC gerilime ihtiyaç duymaktadır. Şebeke
geriliminden bu DC gerilimini elde edebilmek için giriş akım THD değeri düşük, güç
faktörü yüksek bir PFC devresi kullanılmaktadır.
Bu bağlamda totem kutuplu yükselten PFC devresinin tasarımı ve simülasyonu
gerçekleştirilmiştir. Ölçümler yorumlanarak bazı noktaların iyileşmesine yönelik
gelecekte yapılması olası çalışmalar belirtilmiştir.
Güç kayıplarının geleneksel PFC topolojisinde yüksek olduğu görülüp, AC-DC
doğrultucu bloğunda kullanılmak üzere yenilikçi PFC topolojileri bu tez kapsamında
detaylı olarak incelenmiş ve analiz edilmiştir. İncelemeler sonucunda tasarımda
yüksek verimli köprüsüz totem kutuplu yükselten PFC devresi kullanılmasına karar
verilmiştir. Klima kompresörü görece yüksek güçte çalıştığından ötürü devrenin
sürekli iletim modunda çalışması amaçlanmıştır. Köprüsüz totem kutuplu yükselten
çeviriciyi sürekli iletim modunda çalıştırabilmek için geniş bant aralıklı yarıiletkenler
tasarımda kullanılmıştır. Tez çalışmasında yeni nesil geniş bant aralıklı yarıiletkenler
detaylı olarak incelenmiştir ve tasarımda SiC MOSFET kullanılmıştır. Köprüsüz totem
kutuplu yükselten PFC devresinin güç kayıp analizi teorik hesaplama, simülasyon ve
gerçekleme çalışmaları ile ortaya konmuştur.
Tezin birinci bölümünde, klima kompresör motor sürücü kartlarının genel mimarisi
verilmiştir. İkinci bölümünde güç faktörü düzeltme kavramı ve güç faktörü düzeltmesi
için kontrol yöntemleri incelenmiş ve yeni nesil güç faktörü düzeltme devreleri analiz
edilmiştir. Üçüncü bölümünde ise, geniş bant aralıkları yarıiletken teknolojileri detaylı
olarak incelenmiştir. Dördüncü bölümde yüksek verimli bir totem kutuplu yükselten
çeviricinin tasarım aşaması, hesaplamaları detaylı olarak verilmiştir. Beşinci bölümde
bu devrenin simülasyonu çalıştırılmış, sonuçlar hesaplanan değerler ile
karşılaştırılmıştır.
Tezin altıncı bölümünde ise, devrenin testleri deneysel olarak laboratuvar ortamında
gerçeklenmiş ve sonuçlar verilmiştir. Devre ayarlanabilir bir AC güç kaynağı ile
beslenmiş ve farklı yük durumları için çalışma durumu incelenmiştir. Yarım yük
(1200W) ve tam yük (2400W) durumları için osiloskop görüntüleri verilmiştir. Yük
değişse dahi, çıkış geriliminin arzu edilen 390V DC değerinde sabit kaldığı
görülmüştür. 1200W yük altında güç faktörü 0.9892, 2400W yük altında PF=0.994
olarak ölçülmüştür. Ayrıca devrenin tam yükte, giriş gerilimi minimum değerinden,
maksimum değerine yükseltilerek verim ve güç faktörü değişimi incelenmiştir. 
Devrenin nominal gerilim ve tam yükte güç faktörünün 0.994 değerine ulaştığı
görülmüştür. Tasarımda en zorlayıcı koşul olan maksimum yük minimum gerilim
altında devrenin %98.07 verimlilik ile çalıştığı laboratuvar testlerinde ortaya
konulmuştur. Ayrıca teorik hesaplama sonuçları, simülasyon sonuçları ve gerçekleme
sonuçları karşılaştırılmış, değerlerin birbiri ile uyumlu olduğu görülmüştür.
Karşılaştırma sonuçlarına göre teorik hesap ve ölçüm sonuçları arasındaki hata oranı
%13'ün altında bulunmuştur.
Tezin yedinci bölümünde, klima dış ünite kartlarında yaygın olarak kullanılan tek fazlı
yükselten PFC devresi ile karşılaştırmalar yapılmıştır. Laboratuvar ortamında alınan
ölçüm sonuçlarına göre 2000W giriş gücünde tek fazlı yükselten PFC çevirici üzerinde
85.8W kayıp olduğu görülmüştür. Aynı güç seviyesi için totem kutuplu yükselten PFC
devresinde 25.5W güç kaybı meydana gelmektedir. Totem kutuplu yükselten PFC
devresinin tek fazlı yükselten PFC devresi yerine kullanılması ile bu güç seviyesinde
yaklaşık 60W kazanç elde edilmektedir ve devre verimi yaklaşık olarak %3
artmaktadır.

Abstract:
The aim of this thesis is to design, simulate and implement a bridgeless totem pole
boost PFC circuit to be used in the compressor motor driver boards of the air
conditioner outdoor units and to demonstrate the efficiency advantage of the circuit.
Air conditioner outdoor units are units with compressor motors that perform
heating/cooling cycles. In order to drive the compressor motors, the inverter stage
requires a DC voltage between 300V-400V. In order to obtain this DC voltage from
grid voltage, a PFC circuit with low input current THD and high power factor is used.
In this context, the design and simulation of the totem pole boost PFC circuit has been
carried out. The measurements are interpreted and possible future studies for the
improvement of some points are indicated.
Since the power losses are high in conventional PFC topology, innovative PFC
topologies for use in AC-DC rectifier block have been examined and analysed in detail
in this thesis. As a result of the analyses, it has been decided to use a high efficiency
bridgeless totem pole PFC circuit in the design. Since the air conditioner compressor
operates at relatively high power, it is aimed to operate the circuit in continuous
conduction mode. Wide bandgap semiconductors are used in the design in order to
operate the bridgeless totem pole boost converter in continuous conduction mode. In
this thesis, new generation wide bandgap semiconductors are analysed in detail and
SiC MOSFET is used in the design. The power loss analysis of the bridgeless totem
pole boost PFC circuit is presented by theoretical calculation, simulation and
implementation studies.
In the first chapter of the thesis, the general architecture of air conditioner compressor
motor driver cards is given. AC compressor motors in air conditioners are replaced by
PMSM (permanent magnet synchronous motor) due to the more efficient structure. A
more efficient drive can be obtained in PMSM compressors. In order to drive PMSM
compressors, outdoor unit cards with a PFC block that can convert the grid voltage to
DC voltage and an inverter block that can convert DC voltage to AC voltage are used.
This board positioned on the outdoor unit is the compressor driver card. Outdoor unit
board is used to adjust the compressor driving frequency. 
In the second chapter, the concept of power factor correction (PFC) is examined.
Passive PFC and active PFC structures are analysed. In addition, control methods for
power factor correction circuit are analysed. In order to reduce losses in the PFC block,
new generation power factor correction circuits are analysed in detail and a comparison
table is created for these new topologies. It is decided to use totem pole boost PFC
converter structure in the design due to reasons such as high efficiency, low material
usage, low EMI. 
Wide bandgap semiconductor technologies are analysed in detail in order to be able to
operate the totem pole boost PFC converter in CCM mode hard-switching operation
in the third chapter. SiC and GaN switch structures are examined. Due to their low
reverse recovery losses, low switching losses at high frequencies and high junction
temperature, SiC MOSFET is considered suitable for the design.
The design phase and calculations of the high efficiency totem pole boost PFC
converter are given in detail in the fourth section. The block diagram of the circuit is
given. Analogue IC controller is used in the design for control of circuit. The
inductance design was made for maximum power and minimum input voltage, which
are the most challenging conditions, and the power losses on the inductance were
calculated theoretically. The selection criteria and power loss analyses of high
frequency SiC MOSFET and low frequency Si MOSFET switches are given in this
section. In addition, the selection criteria for the gate drivers of these switches are
explained in detail. The design calculations of the output capacitor and relay used in
the circuit are given in this section. Schematic visualisations of the designed totem
pole boost PFC converter are given in this section. All circuit blocks of the circuit are
described in detail in this section.
In the fifth chapter, the simulation of the circuit calculated in the fourth section is run
and the results are compared with the calculated values. The simulation was carried
out in PSIM environment. Simulation results are given for minimum input voltage and
maximum output power, which are the most challenging conditions. In the simulation,
closed loop control is used and average current control method is applied.
The PCB design of the circuit whose calculations and simulations were performed was
made in the sixth chapter. The schematic and PCB design was carried out using Altium
Designer software. FR4 type and double-layer PCB was used for the totem pole boost
PFC converter board. PCB thickness is 1.6 mm. Copper thickness is 70 microns. The
PCB is 188mm x 170mm in size. The tests of the circuit were carried out
experimentally in the laboratory environment and the results are given. The circuit was
fed with an adjustable AC power supply and the operating condition was analysed for
different load conditions. Oscilloscope images are given for half load (1200W) and
full load (2400W) conditions. It is observed that the output voltage remains constant
at the desired 390V DC value even if the load changes. In addition, the efficiency and
power factor changes were analysed by increasing the input voltage from the minimum
value to the maximum value at full load. It was observed that the power factor of the
circuit reached 0.994 at nominal voltage and full load. Laboratory tests have shown
that the circuit operates with 98.07% efficiency under maximum load and minimum
voltage, which is the most challenging condition in the design. In addition, a
comparison table is created for the theoretical calculation results, simulation results
and experimental result. According to the comparison results, the error rate between
the theoretical calculation and measurement results was found to be less than 13%.
In the seventh chapter of the thesis, comparisons were made with a traditional singlephase boost PFC circuit, which is widely used in air conditioner outdoor unit cards.
According to the measurement results taken in the laboratory environment, 85.8W loss
was observed on the traditional boost PFC converter at 2000W input power. For the
same power level, 25.5W power loss occurs in the totem pole boost PFC circuit. By
using the totem pole boost PFC converter instead of the traditional boost PFC
converter, a gain of approximately 60W is obtained at this power level and the circuit
efficiency increases by approximately 3%.
The results are evaluated and future works are analysed in the eighth chapter of the
thesis. Within the scope of this thesis, the totem pole boost PFC design has been
realised as an external electronic board. In future studies, it is aimed to incorporate this
circuit into the air conditioner outdoor unit board and to use this topology together
with the air conditioner outdoor unit board.