Elektronı̇k balast ı̇çı̇n evı̇rmeyen alçaltıcı-yükseltı̇cı̇ dönüştürücü denetleyı̇cı̇sı̇ tasarımı
The controller design of non-inverting buck-boost converter for electronic ballast
Yazar: RIDVAN KESKİN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İBRAHİM ALIŞKAN
Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, evirmeyen alçaltıcı-yükseltici dönüştürücü (CBB) kullanılarak kısılabilir elektronik balastların değişken DA bağlantı gerilim kontrolü sunulmuştur. Öncelikle günümüz popüler lambaları ve sonrasında yaygın kullanılan kısma yöntemleri tanıtıldı. Sonrasında çalışmada kullanılacak kısma yöntemi, dizayn edilen devre, monoton çift üstel lamba modeli ve bu modelin Matlab-Simulink uygulaması tanıtılmıştır. Dizayn edilen devre, iki seviyeli elektronik balastların DA/DA dönüştürücü ve DA/AA rezonans evirici alt bölümlerinden oluşmaktadır. CBB dönüştürücü kısılabilir balastların temel işlevi olan başlama anında ateşleme gerilimini sağlamakla birlikte sürekli çalışma durumunda floresan lamba akımını sınırlandırır. Ayrıca DA bağlantı geriliminin kontrol edilmesi sayesinde lamba kısma işlemi gerçekleştirilir. Böylece, lambayı tam yükte çalıştırmak yerine daha düşük güçte lamba çalıştırılabilir ve enerjiden tasarruf edilmiş olur. CBB anahtarlama kayıplarından dolayı oluşan verim kaygılarını minimize etmek için CBB kesikli akım modu (DCM) yerine sürekli akım modunda (CCM) tasarlanmıştır. CBB dönüştürücü anahtarlarının durumlarına göre, dört farklı çalışma modu meydana gelir. CBB dönüştürücü yükseltici mod da sağ yarım düzlem sıfırına sahip olduğu için minimum fazlı olmayan bir sistemdir. Bu modlardaki doluluk oranları kontrol edilerek floresan lamba terminallerindeki gerilim kontrol edilir. Çalışma modlarını frekans ekseninde analiz edebilmek için devre ortalamaları yöntemi ile CBB küçük sinyal modeli elde edilmiştir. Model aracılığıyla her bir modun kalıcı durum transfer fonksiyonu türetilmiştir. Böylece karmaşık matris işlemleriyle uğraşmadan, basit devre çözüm teknikleriyle devrenin kontrol-çıkış transfer fonksiyonu elde edilir. Bu transfer fonksiyonu aracılığı ile CBB dönüştürücü alçak-geçiren filtresinin eleman değerleri optimize edilir. İstenen kompanzatör seviyesini elde etmek için tek seviyeli ve iki seviyeli geri besleme kontrol döngüsü kullanılabilir. Çalışmada, her iki seviyeli dönüştürücü tasarımı da yapılmıştır. Uygun kontrol gereksinimleri anlık balastların başlangıç gereksinimleri ve sistem transfer fonksiyonunun açık çevrim frekans cevabı analiz edilerek belirlenir. DA bağlantı gerilim dalgalanmasını minimize etmek için PI denetleyici ve yükseltici modun minimum fazlı olmayan bir sistem olmasından dolayı Tip-III rasyonel denetleyici tercih edilmiştir. Seri yükteki regülasyon eksiliği ve paralel yükteki yük akımının bağımsız olması gibi sorunların meydana gelmemesi için seri-paralel yüklü rezonans evirici (SPRI) tercih edilmiştir. SPRI devresinin anahtarlama frekansı ile sönümsüz doğal frekansı eşit alınmış, frekans ekseninde eleman değerleri hesaplanmıştır. SPRI rezonansta çalıştırılarak lambaya aktarılan sinyallerin eş fazlı olması sağlanmıştır. Floresan lamba modeli, lamba iç direnci ve dört filaman direncinden oluşan bir direnç ağından oluşmaktadır. Negatif direnç özelliğine sahip olan floresan lamba iç direnci monoton çift üstel model kullanılarak modellenmiştir. Denetleyicilerin performansını göstermek için genel devrenin benzetim çalışması Matlab/Simulink ortamında yapılmıştır. Gerçek zamanlı performans gereksinimleri ve elde edilen benzetim sonuçları karşılaştırılarak devrenin başarısı doğrulanmıştır.

Abstract:
In this study, variable DC link voltage control of dimming electronic ballasts is presented using non-inverting buck-boost converter (CBB). Firstly, lamps which is popular currently and the commonly used dimming methods are introduced. After that, the method to be used in working, the designed circuit and Matlab-Simulink implementation of a double exponential fluorescent lamp model are introduced. The designed circuit consists of DC/DC converter and DC/AC resonance inverter subsections of the two-stage electronic ballasts. The CBB converter provides the ignition voltage at start-up and limits the fluorescent lamp current in continuous operation, which is the main function of the dimming ballasts. In addition, by controlling the DC link voltage, lamp dimming operation is performed. Thus, instead of operating the lamp at full load, the lamp could be operated at a lower power levels and the energy is saved. The CBB converter is designed in continuous conduction mode (CCM) instead of discontinuous conduction mode (DCM) to minimize efficiency concerns due to switching losses. Depending on the state of the CBB converter switches, four different operating modes occur. The CBB converter is a non-minimum-phase system because it has the right half-plane zero limit in the amplifier mode. By controlling the duty cycles of the switches, the voltage at the fluorescent lamp terminals is controlled. To analyze the operating modes on the frequency domain, small signal model of the CBB was obtained by the circuit-averaging method. Control-output transfer function of each mode is derived through the model. Thus, without dealing with a considerable amount of matrix algebra manipulations, control-output transfer function of the circuit is obtained by simple circuit solution techniques. The component values of the CBB low-pass filter are optimized through this transfer function. A single-level and two-level feedback control loop could be used to achieve the desired compensator level. Both of them have been made in the study. Appropriate control requirements are determined by analyzing the start-up requirements of the instant ballasts and the open loop frequency response of the system transfer function. Two different controllers are designed for closed loop control of the CBB converter. To minimize DC link voltage fluctuations PI controller is used. In addition, Type-III rational controller is preferred because the boost mode is a non-minimum system. The series-parallel resonant inverter (SPRI) used as the resonant inverter. A series-parallel loaded resonant inverter (SPRI) is preferred in order to avoid problems such as lack of regulation in series load and independence of load current in parallel load. The the undamped natural frequency is considered equals to switching frequency of the SPRI circuit, then the component values are calculated on the frequency domain. It is ensured that the signals transmitted to the lamp are in-phase by operating the SPRI at resonance. The fluorescent lamp is modeled by a resistance network consisting of lamp internal resistor and four filament resistances. The internal resistor, with negative resistance feature, is modeled using a double exponential model. To demonstrate the performance of the controllers, the simulation of the general circuit is carried out in Matlab/Simulink environment. The performance of the study is verified by comparing the real- time performance requirements and the simulations results.