Yüksek gerilim güç kaynağı uygulamaları için cockcroft-walton gerilim katlayıcılı bir LCC türü seri-paralel rezonanslı dönüştürücünün tasarımı ve uygulaması
Yüksek geri̇li̇m güç kaynaği uygulamalari i̇çi̇n cockcroft-walton geri̇li̇m katlayicili bi̇r LCC türü seri̇-paralel rezonansli dönüştürücünün tasarimi ve uygulamasi
Yazar: MUHAMMED FARUK BİLİCİOĞLU
Danışman: PROF. DR. HACI BODUR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anahtarlamalı güç kaynağı = Switched mode power supply ; Güç çeviriciler = Power converters ; Rezonans çevirici teknoloji = Resonant converter technology ; Yüksek gerilim = High voltage

Özet:
Yüksek gerilim güç kaynakları X-Ray görüntüleme uygulamaları, radar sistemleri, kapasitör şarj uygulamaları, elektrostatik filtreler, elektron demeti kaynakları, besin ve mineral analizi, parçacık hızlandırıcıları ve plazma jeneratörleri gibi pek çok uygulamada kullanılmaktadır. Yüksek gerilim güç kaynaklarında yüksek güç yoğunluğu, yüksek verim, güvenilirlik ve uygulanabilirlik amaçları nedeniyle gerilim katlayıcılı rezonanslı dönüştürücüler yaygın olarak tercih edilmektedir. Rezonanslı dönüştürücülerin tercih edilmesinin temel nedeni, doğal olarak sahip olduğu yumuşak anahtarlama karakteristiği ve transformatör parametrelerinden faydalanılabilmesi sayesinde güç yoğunluğu ve verimin arttırılabilmesidir. Farklı rezonans tanklarıyla gerçekleştirilebilen rezonanslı dönüştürücülerde, yüksek gerilim güç kaynağı uygulamalarında kullanılan transformatörün yüksek sarım oranı ve geniş çıkış gerilimi aralığı gereksinimi nedeniyle yaygın olarak LCC türü seri-paralel rezonans tankları tercih edilmektedir. Uygulamalarda kullanılan transformatörün yalıtım seviyesi arttıkça tasarım süreci ve üretilebilirliği karmaşık hale gelmektedir. Dolayısıyla, çıkış geriliminin çok yüksek olduğu uygulamalarda, gerilimi yükseltme işlemi, yalnızca transformatörle değil, transformatörün ardından gerilim katlayıcılar kullanılarak iki aşamalı olarak gerçekleştirilmektedir. Bu amaçla yaygın olarak kullanılan gerilimi ikiye katlayıcı ve Cockcroft-Walton gerilim katlayıcı topolojileri birbirine göre bazı avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Gerilimi ikiye katlayıcı, basit yapıdadır ve düşük gerilim düşümüne sahiptir ancak her bir gerilim katlaması için transformatörde ek bir sekonder sargı gerektirmekte ve transformatör tasarımını zorlaştırmaktadır. Buna karşın, Cockcroft-Walton gerilim katlayıcı ise kademeli yapısı sayesinde tek bir sekonder sargıyla istenen gerilim kazancını sağlayabilmekte ve transformatör tasarımını kolaylaştırmaktadır. Ancak, Cockcroft-Walton gerilim katlayıcının analizi daha karmaşık olup yüksek gerilim düşümü ve gerilim dalgalanmasına sahiptir.

Bu tezde, yüksek gerilim güç kaynağı uygulamaları için iki yönlü Cockcroft-Walton gerilim katlayıcılı LCC türü seri-paralel rezonanslı dönüştürücünün analizi ve tasarımı yapılmıştır. En iyi güç yoğunluğu ve verimi sağlayan rezonans parametrelerinin belirlenebilmesi için bir optimizasyon algoritması geliştirilmiştir. Transformatör tasarımını basitleştirebilmek için Cockcroft-Walton gerilim katlayıcı tercih edilmiştir. Gerilim düşümünü, gerilim dalgalanmasını ve gerekli yalıtım seviyesini azaltabilmek için ise Cockcroft-Walton gerilim katlayıcının iki yönlü topolojisi tercih edilmiştir. Cockcroft-Walton gerilim katlayıcı parametrelerinin rezonans tankına olan etkileri incelenmiş ve bu parametreler rezonans tankına dahil edilmiştir. Tasarımı yapılan yüksek gerilim güç kaynağının analizi ve tasarımı, önce PSIM ortamında yapılan benzetim çalışmasıyla doğrulanmıştır. Daha sonra, bu analiz ve tasarım, 380 V-420 V giriş ve 80 kV-160 kV çıkış gerilim aralığı ile 200 W çıkış gücüne sahip olan bir prototip ile deneysel olarak doğrulanmıştır.

Abstract:
High voltage power supplies are commonly used in various applications, including X-ray imaging, radar systems, capacitor charging, electrostatic filters, electron beam welding, nutrient and mineral analysis, particle accelerators, and plasma generators. Resonant converters with voltage multiplier are widely preferred in high voltage power supplies due to their high power density, high efficiency, reliability, and applicability. The main reason for the preference of resonant converters is increase of power density and efficiency thanks to the soft switching characteristics  in their natural operation and the ability to utilize the transformer parameters. Resonant converters, which can be implemented using different resonant tanks, are commonly implemented with LCC type series-parallel resonant tank, considering the high winding ratio and wide output voltage range requirement of the transformer used in high voltage power supply applications. As the insulation level of the transformer used in applications increases, the design process and manufacturability become more complex. Therefore, in applications where the output voltage is very high, it is preferable to perform the voltage step-up process in two stages by using voltage multiplier after the transformer, rather than using only the transformer to step up the voltage. The voltage doubler and Cockcroft-Walton voltage multiplier topologies, which are widely used in high voltage power supply applications, have some advantages and disadvantages over each other. The voltage doubler is relatively simple in structure, has a low voltage drop and voltage ripple, but it requires an additional secondary winding in the transformer for each voltage doubler, which complicates the transformer design. In contrast, the Cockcroft-Walton voltage multiplier can achieve the desired voltage gain with a single secondary winding due to its cascaded structure, thus simplifying the transformer design. However, the Cockcroft-Walton voltage multiplier is more complex to analyze, has a high voltage drop and voltage ripple.

In this thesis, an LCC type series-parallel resonant converter with bipolar Cockcroft-Walton voltage multiplier is analyzed and designed for high voltage power supply applications. The resonant parameters are determined by an optimization algorithm developed to optimize power density and efficiency. The Cockcroft-Walton voltage multiplier is preferred to simplify the transformer design. The bipolar topology of the Cockcroft-Walton voltage multiplier is preferred to reduce voltage drop, voltage ripple, and the required insulation level. The effects of the Cockcroft-Walton voltage multiplier parameters on the resonant tank are analyzed and these parameters are included in the resonant tank. The designed high voltage power supply is simulated in PSIM environment and experimentally verified in the laboratory with a prototype with 380-420 V input voltage, 80-160 kV output voltage range and 200 W output power.