Yüksek verimli ve yüksek frekanslı bir rezonanslı DC-DC dönüştürücünün tasarımı
Design of a high efficiency and high frequency resonant DC-DC converter
Yazar: NEBİ IŞIK
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, 2023
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

Özet:
Giderek artan teknolojik gelişmeler sayesinde elektronik cihazların kullanımı oldukça yaygınlaşmaktadır. Elektronik cihazların sayısının artması ve kullanışlı olma durumu ile cihaz boyutları oldukça küçülmektedir. Elektrikli araç şarj istasyonları, endüstriyel otomasyon cihazları, sağlık ekipmanları, uydu sistemleri, insansız hava araçları, robotlar, bilgisayarlar ve savunma sanayi gibi çok çeşitli alanlarda elektronik cihazlar giderek yaygınlaşmaktadır. Elektronik cihazların boyut ve verimlilik bakımından avantajlı hale gelmesi konusu içerisinde, elektrik enerjisinin dönüşümü oldukça büyük yer tutmaktadır. Bu durumda elektronik cihazın talep ettiği gerilim çeşidi ve gerilim seviyesine göre elektrik enerjisinin dönüşümünün yapılması gerekmektedir. Klasik anahtarlamalı DC-DC dönüştürücülerde kullanılan darbe genişlik modülasyonu (PWM) kontrol tekniğinde sert anahtarlamadan dolayı yarı iletken elemanların anahtarlama kayıpları aşırı artmaktadır ve yüksek frekanslarda çalışma sağlanamamaktadır. Modern DC-DC dönüştürücülerde, son yıllarda yaygın olarak kullanılmaya başlanan rezonanslı topolojiler tercih edilmektedir. Rezonans topolojilerinde, rezonans tankın enerji aktarım prensibine göre yük için gerekli enerji sağlanmaktadır. Frekans modülasyonu yöntemi ile kazanç değiştirilerek çıkış gerilimi regülasyonu başarılmaktadır. DC-DC dönüştürücülerde rezonans sayesinde yarı iletken elemanların yumuşak anahtarlama yapması sağlanmakta ve güç kayıpları azaltılmaktadır. Bu sayede yüksek frekanslarda çalıştırılabilen DC-DC dönüştürücülerin hacimleri ve devrelerde kullanılan eleman sayıları azaltılabilmektedir. Bu çalışmada seri, paralel ve seri-paralel rezonanslı DC-DC dönüştürücüler incelenmiş ve yaygın olarak kullanılan LLC rezonanslı bir DC-DC dönüştürücünün analizi, tasarımı ve simülasyon çalışması yapılmıştır.

Abstract:
With the increasing technological advancements, the usage of electronic devices has become widespread. As the number of electronic devices increases and their utility improves, the size of these devices significantly decreases. Electronic devices are increasingly being used in various fields such as electric vehicle charging stations, industrial automation devices, healthcare equipment, satellite systems, unmanned aerial vehicles, robots, computers and defense industry. The efficient miniaturization of electronic devices plays a significant role in this context, where the conversion of electrical energy holds great importance. Accordingly, the conversion of electrical energy needs to be performed based on the required voltage type and level by the electronic device. In conventional DC-DC converters that utilize pulse width modulation (PWM) control technique, the switching losses of the semiconductor devices increase excessively due to hard switching, and high-frequency operation cannot be achieved. In modern DC-DC converters, resonant topologies, which have become widely used in recent years, are preferred. In resonant topologies, the necessary energy for the load is supplied based on the energy transfer principle of the resonant tank. By changing the gain through frequency modulation, output voltage regulation is achieved. Resonant operation in DC-DC converters enables soft switching of the semiconductor devices, thereby reducing power losses. As a result, the size of DC-DC converters that can operate at high frequencies and the number of components used in the circuits can be reduced. This study examines series, parallel, and series-parallel resonant DC-DC converters and presents an analysis, design, and simulation study of the widely used LLC resonant DC-DC converter.