Tam köprülü bir dc - dc çevirici geliştirilmesi ve gerçeklenmesi
Full-bridge dc-dc converter development and implementation
Yazar: SADIK ÖZDEMİR
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç elektroniği devreleri = Power electronic circuits

Özet:
Bu tezde amaç, yüksek verimlilikte akü şarj edebilmektir. Burada, şarj olacak akülere gerilim bir fırçasız doğru akım motorundan sağlanacaktır. Motor dönme hızına bağlı olarak 100 ? 600 V arasında değişen gerilim, akülere sabit gerilim sabit akım şeklinde ulaştırılacaktır. Bu amaç doğrultusunda tam köprülü darbe genişlik modülasyonlu doğru akım doğru akım çevirici geliştirilmiştir.Tezin başlangıcında, çıkış gerilimi sabit tutulacak şekilde anahtarlamalı güç kaynağı tasarlanmıştır ve gerçekleştirilmiştir. Güç kaynağı çıkışında en yüksek 250 V gerilim ve 7 A akım değerlerine göre 1750 W çıkış gücüne ulaşabilecektir.Circuit Transformer Design programı yardımıyla sistem gereksinimi ve güç değerleri doğrultusunda devre için yüksek frekans izolasyon trafosu (25 kHz için) orta çıkışlı olarak ve çıkış filtre indüktansı tasarlanmış üretimi yapılmıştır. Her iki manyetik elemanda da verimlilik % 99'un üzerindedir. Devre güvenliği açısından, transformatörün üretimi sonrasında 1500 V`da 2 mA izolasyon testleri yapılmıştır.Black-box hesaplamaları sonrasında elde edilen veriler doğrultusunda, tasarlanan devrenin benzetim sonuçlarının görülebilmesi için Pspice simülasyon programında devre modeli kurulmuştur. Burada giriş ? çıkış parametreleri ve zorlamalı durumlarda akım ve gerilim dalgalanmaları incelenmiştir. Transformatör sekonder çıkışında 1200 V AC gerilim % 7.3 görev süresi ile 180 V`a filtre edilen çıkış geriliminin akım değeri üzerinde en fazla 2 A akım dalgalanması görülmüştür. Bu filtreleme için çıkışda 720 indüktans ve 670 kondansatör yeralmaktadır.Devre kontrol kartı kontrolörü olarak PIC16F877A tümleşik devresi kullanılmıştır. Kontrol kartı tasarımı ve baskı devre, üç boyutlu çizimleri için Proteus 7 Profesyonel programı kullanılmıştır. 25 kHz`de anahtarlamaların ve kontrol gereksinimlerinin karşılanabilmesi için tümleşik devreye 20 MHz osilatör kristal eklenmiştir. Çıkışta sabit gerilim elde edilebilmesi için giriş gerilimi okunarak, çıkışda istenilen gerilim seviyenin oluşturulabilmesi için yazılım tabanlı hesaplamalar yapılarak PWM görev süreleri 0.05 < D < 0.45 arasında her yarı periyot için ayarlanmıştır. Devre için gerekli yazılım PIC Basic programlama dilinde yazılmıştır.Tam köprülü eviricide anahtarlama elemanları IGBT`ler yüksek frekansta ve zorlamalı akım, gerilim ve yüksek anahtarlama zamanlarında oluşan ısının sistemden uzaklaştırılması için sistem soğutucusu tasarlanmış, IGBT modüller bu soğutucu üzerine yerleştirilmiştir. IGBT ile soğutucu arasında ısı iletiminin en iyi şekilde gerçekleştirilebilmesi için etkileşim yüzeyine termal pasta uygulaması yapılmıştır.

Abstract:
The aim of this thesis is to charge a battery with high efficiency. In this system, the voltage source is a brushless dc motor and its output range is 100V to 600 V. The output voltage depends on the rotational speed of the motor. In the output of the system there are batteries and the charging methods of these batteries are constant voltage and limited current. For this purpose, a full bridge PWM modulated dc/dc converter is designed and implemented.In the first step of this design, the implemented power supply can control only the output voltage and it can keep the output value constant. The maximum output voltage of this power supply is 250 V and the maximum current is 7 A. The product of these two dc values give the power capacity of the power supply which is 1750 W.The high frequency transformer and the output filter inductance are designed by using Circuit Transformer Design software. The design parameters of magnetic equipment are based on the system requirements. The transformer frequency is 25 kHz. The efficiency of the magnetic equipment is higher than 99 %. The transformer is tested with 1500 V, 2 mA isolation test for safety requirement.Black-box calculations are performed and the Pspice simulation model is established by using black-box calculation results. The input and output voltage and current waveforms and ripples are carefully examined. When a minimum duty cycle period of 7.3 % is applied to the circuit, a 2A ripple is seen on the output current. The output filter of this power supply circuit filters current ripples with a 720 µH inductance and 670 µF capacitor.The main integrated circuit of the controller circuit is PIC16F877A. It controls all the main functions of the full bridge dc ? dc converter circuit. It produce 25 kHz gate drive signals. The controller software is developed by using PIC Basic program. The controller software alternates the duty cycle of the gate drive signals to keep constant the output voltage. The duty cycle range alternates between 0.05 ? 0.45 %.Finally, the thermal analysis restrictions are calculated to not allow the switching components to exceed their maximum operating junction temperature and to keep them as cool as possible. For this purpose, thermal paste is used to decrease the thermal resistance between the case and heat sink.