Elektrikli araçlar için güç kalitesi arttırılmış bir çok seviyeli evirici geliştirilmesi
Development of a power quality enhanced multi-level inverter for electric vehicles
Yazar: MURAT KARAKILIÇ
Danışman: PROF. DR. MEHMET NURİ ALMALI
Van Yüzüncü Yıl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç çeviriciler = Power converters ; Çeviriciler = Converters

Özet:
Son yıllarda batarya, motor ve sürücü uygulamalarındaki iyileştirmeler elektrikli
araç (EA) teknolojilerinin dünya çapında hızla yayılmasına olanak sağlamıştır. EA
uygulamalarında güç ve performans açısından alternatif akım (AA) motoru kullanımının
yanı sıra çift yönlü şarj yöntemlerinin gelişimiyle birlikte düşük harmonik üreten
eviricilere olan gereksinim de artmıştır. Çok seviyeli eviriciler (ÇSE) endüstriyel
uygulamalar, yenilenebilir enerji sistemleri ve elektrikli araç uygulamalarındaki
dönüştürücü gereksinimleri nedeniyle araştırmacıların dikkatini çekmiştir. ÇSE'ler, çıkış
geriliminde daha düşük harmonik bozulmayla daha yüksek seviyeleri sentezler. Ancak
çok sayıda güç elektroniği cihazının kullanılması ÇSE'lerin karmaşıklığını, kayıplarını ve
maliyetini artırmaktadır. Bu çalışmada, az sayıda güç anahtarına sahip bir ÇSE
önerilmiştir. Anahtar sayısını azaltmanın en etkili çözümü asimetrik kaynak
konfigürasyonu kullanmaktır. Bu nedenle önerilen ÇSE'nin ana birimi, yalnızca 10
anahtar ve üç asimetrik DA bağlantı gerilimi kullanarak çıkış geriliminde 21 seviye üretir.
EA'larda tek DA batarya geriliminin kullanılması, çok kaynaklı asimetrik ÇSE
topolojilerinin uygulamasını olanaksız hale getirmektedir. Bu sorunun üstesinden gelmek
için yüksek frekanslı bağlantı (HFL) kullanılmıştır. HFL, bir H-Köprü yardımıyla 25
kHz'de tetiklenen EA batarya gerilimini kullanarak evirici için asimetrik bağlantı
gerilimleri sağlar. Ayrıca HFL'nin yalnızca düşük gerilim değerlerini sağlaması nedeniyle
gücün yalnızca küçük bir kısmı HFL'den geçerken, büyük bir kısmı doğrudan tek DA
kaynaktan çekilir. Bu, yüksek frekans transformatörünün boyutunu ve büyük bir DA-DA
dönüştürücü gereksinimini azaltır. Önerilen ÇSE, En Yakın Seviye Kontrolü (NLC) ve
sinüzoidal darbe genişlik modülasyon (SPWM) teknikleri kullanılarak kontrol edilmiş ve
çıkış dalga biçimi kalitesi, iki farklı modülasyon yaklaşımı için karşılaştırılmıştır.
Uygulama devresi için kontrol sinyalleri FPGA kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Benzetim çalışmaları MATLAB/Simulink programında saf rezistif ve rezistif-indüktif
yük koşulları altında gerçekleştirilmiş, sonuçlar deneysel olarak doğrulanmıştır. PLECS
yazılımı kullanılarak çeşitli çıkış gücü seviyeleri için güç kayıpları ve evirici verimliliği
hesaplanmış, maksimum verim %95.93 ile 200W çıkış gücünde gerçekleşmiştir. Ayrıca
literatürdeki son çalışmalarla karşılaştırmalı bir çalışma yapılmış ve karşılaştırma
sonuçları, önerilen topolojinin aynı sayıda çıkış seviyesi için minimum sayıda güç
bileşenini kullandığını göstermektedir. Önerilen evirici, yüksek frekanslı anahtarlama
yöntemlerine ihtiyaç duymadan, NLC yöntemini kullanarak çıkışta çok düşük harmonik
bozulma sağlamaktadır.

Abstract:
In recent years, improvements in battery, motor, and driver applications have
enabled the rapid spread of electric vehicle (EV) technologies around the world. In EV
applications, the need for low harmonic generating inverters has increased with the
development of bidirectional charging methods as well as the use of alternating current
(AC) motors in terms of power and performance. Multilevel inverters (MLI) have
attracted the attention of researchers due to their converter requirements in industrial
applications, renewable energy systems and electric vehicle applications. MLIs
synthesize higher levels with lower harmonic distortion at the output voltage. However,
the utilization of a high number of power electronic devices increases the complexity,
losses, and cost of MLIs. In this study, an MLI with a small number of power switches is
proposed. The most efficient solution for reducing the number of switches is to employ
asymmetric input voltage sources. The most effective solution for reducing the number
of switches is that use asymmetric source configuration. Therefore, the main unit of the
proposed MLI generates 21 levels at the output voltage using only 10 switches and three
asymmetric DC link voltages. The utilization of the single DC battery voltage in EVs
renders the implementation of multisource asymmetric MLI topologies unfeasible. High
frequency link (HFL) was used to overcome this problem. The HFL provides asymmetric
link voltages for the inverter using the EV battery voltage triggered at 25 kHz with the
help of an H-Bridge. Furthermore, due to providing only low voltage values by HFL, only
a small fraction of the power passes through the HFL, while the majority of the power is
directly drawn from the single DC source. This reduces the size of the high-frequency
transformer and the requirement of a large DC-DC converter. The proposed MLI has been
controlled using the Nearest Level Control (NLC) and sinusoidal pulse width modulation
(SPWM) techniques, and the output waveform quality has been compared for two
different modulation approaches. Simulation studies were conducted using the

MATLAB/Simulink program under conditions of both pure resistive and resistive-
inductive loads, and the outcomes were subsequently validated through experimentally.

Power losses and inverter efficiency were computed for various output power levels using
PLECS software, the maximum efficiency was realized 95.93% with output power of
200W. In addition, a comparative study has been made with the recent studies in the
literature, and the results of the comparison show that the proposed topology uses the
minimum number of power components for the same number of output levels. The
proposed inverter provides very low harmonic distortion at the output using the NLC
method, without the need for high-frequency switching methods.