Elektrikli araçlar için empedans tabanlı alçaltıcı dönüştürücü ile yerleşik şarj cihazı tasarımı
On-board charger design with impedance based buck converter for electric vehicles
Yazar: HÜSEYİN AKGÜL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZAFER ORTATEPE
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Dönüştürücüler = Transformers ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Güç faktörleri = Power factors ; Harmonik distorsiyon = Harmonic distortion ; Verimlilik = Productivity

Özet:
Alçaltıcı güç faktörü düzeltici (GFD) topolojisi, yüksek verim, küçük iletim kayıpları, daha düşük DC voltaj çıkışı ve anahtarlama elemanları üzerindeki düşük voltaj stresi gibi avantajlarından dolayı düşük güç uygulamalarında (güç kaynağı, led sürücüsü vs.) izole olmayan güç kaynağı olarak yaygın kullanılmaktadır. Geleneksel alçaltıcı GFD dönüştürücü doğası gereği yüksek indüktör akımına sahip ve çıkış voltajının giriş voltajından yüksek olduğu bölgelerde kayıplarla sonuçlanan ölü bölgelerinden dolayı giriş akımını hiçbir zaman sinüzoidal olacak biçimde düzenleyemez. Ayrıca düşük giriş gerilimlerinde çalıştırıldıklarında ölü bölgelerdeki alanların artması sebebiyle giriş akım dalga formu saf sinüsten oldukça uzaklaşır. Dolayısıyla devre IEC61000-3-2 akım harmonik standart gereksinimlerini sağlayamaz ve verim düşer.
Bu tez çalışmasında, ölü bölgeleri ortadan kaldırmak, yüksek güç faktörü (GF) ve düşük toplam harmonik bozulma (THB) elde etmek için alçaltıcı yapıya sahip bir indüktör çifti tabanlı alçaltıcı GFD dönüştürücü önerilmiştir. Önerilen dönüştürücü, ölü bölgelerde çalışabilen ekstra bir devre eklenerek giriş akımının ölü bölgelerini ortadan kaldırmakla kalmaz, aynı zamanda yumuşak anahtarlama yöntemi kullanılarak devrede bulunan her iki anahtardaki anahtarlama kayıplarını da en aza indirir. Önerilen topolojinin güvenilirliğini doğrulamak için PSIM simülasyon programı kullanılmıştır. Çeşitli koşullar altında indüktör çifti tabanlı alçaltıcı GFD dönüştürücüden elde edilen sonuçlar sunulmuştur.
Önerilen dönüştürücü, anahtarlar için yumuşak anahtarlama koşulu sağlayarak anahtarlama kayıplarını en aza indirmiş ve verimliliği artırmıştır. Simülasyon sonuçlarında geniş giriş gerilimi aralığında ve 150W giriş gücünde en düşük THB % 3,06 ve en yüksek GF %99.5 elde edilmiş ve teorik analiz doğrulanmıştır. Önerilen topolojinin elektrikli araçlarda bulunan yerleşik şarj birimi olarak kullanılabileceği, rakiplerine göre maliyet, boyut ve verim açısından üstünlük sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Buck power factor corrector (PFC) topology is widely used as a non-isolated power supply in low power applications (power supply, led driver, etc.) due to its advantages such as high efficiency, small conduction losses, lower DC voltage output and low voltage stress on switching elements. Conventional buck PFC converter can never regulate the input current to be sinusoidal due to its inherently high inductor current and dead zones that result in losses in regions where the output voltage is higher than the input voltage. Also, when operated at low input voltages, the input current waveform diverges considerably from pure sine, due to the increase in dead zones. Therefore, the circuit cannot meet the current harmonic standard requirements of IEC61000-3-2 and the efficiency decreases.
In this thesis, a couple-inductor based PFC converter is proposed to eliminate dead zones, achieve high power factor (PF) and low total harmonic distortion (THD). The proposed converter not only eliminates the dead zones of the input current by adding an extra circuit that can operate in the dead zones, but also minimizes the switching losses in both switches in the circuit by using the soft switching method. PSIM simulation program is used to verify the reliability of the proposed topology. The results obtained from the coupled-inductor based buck PFC converter under various conditions are presented.
The proposed converter provides a soft switching condition for the switches, minimizing switching losses and increasing efficiency. In the simulation results, minimum THD of 3.06% and maximum PF of %99.5 are obtained at a wide input voltage range and 150W input power, and the theoretical analysis is confirmed. It is thought that the proposed topology can be used as an on-board charger unit in electric vehicles and will provide superiority in terms of cost, size and efficiency compared to its competitors.