İnverterler için yeni ve modüler bir aktif bastırma hücresinin geliştirilmesi ve uygulanması
Development and implementation of a new modular active snubber cell for inverters
Yazar: ERDEM AKBOY
Danışman: PROF. DR. HACI BODUR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Teknolojinin gelişmesi ve tüketici isteklerinin artması sonucunda, motor kontrolü, kesintisiz ve anahtarlamalı güç kaynakları v.b uygulamalarda yarı iletken güç dönüştürücülerinin kullanımı sürekli olarak artmaktadır. Uygulamaların AC tarafında düşük Toplam Harmonik Distorsiyonu (THD) ve yüksek Güç Faktörü (PF), DC tarafında düşük Dalgalanma Faktörü (RF), sistem bütününde ise düşük hacim ve maliyet, yüksek verim ve güç yoğumluğu ile düşük Elektro Manyetik Girişim (EMI) istenmektedir. Bu isteklerin sağlanmasında, Sert Anahtarlarma (HS) yerine Yumuşak Anahtarlama (SS) teknikleri kullanarak, akım ve gerilim hızlarının düşürülmesi, anahtarlama kayıplarının bastırılması ve frekansın yükseltilmesi ciddi katkılar sağlamaktadır. DC-DC dönüştücüler gibi az sayıda anahtara sahip uygulamalarda, akademik ve endüstriyel olarak SS üzerinde çok çalışılmaktadır. Ancak, inverterler gibi çok sayıda anahtara sahip uygulamalarda, genellikle uygulama zorluğu nedeniyle, SS uygulama ve çalışmaları çok sınırlı kalmaktadır.
Bir dönüştücünün çalıştırılmasında, güç anahtarlarında iletim ve anahtarlama kayıpları oluşur. İletim kayıpları doluluk oranına bağlı olup anahtarlama frekansına bağlı değildir. Anahtarlama kayıpları, iletime ve kesime girme işlemlerinde gerilim ve akımın çakışması ile oluşur ve frekansla doğru orantılı olarak değişir. Anahtarlama kayıpları frekansın artırılmasını sınırlayan en önemli faktördür ve anahtarlama hızları da EMI'nın kaynağıdır. THD, PF ve RF gibi performans parametreleri ise frekansın yükseltilmesi ile iyileştirilmektedir. Prensip olarak SS, anahtarlama işlemlerinde gerilim ve akım hızlarının düşürülmesi, gerilim ve akım çakışmaları ile anahtarlama kayıplarının minimize veya yok edilmesidir. Böylece SS, EMI ve anahtarlama kayıplarının düşürülmesi, frekansın yükseltilmesi, PF ve THD değerlerinin yükseltilmesi, güç yoğunluğu ve verimin yükseltilmesi ile hacim ve maliyetin düşürülmesinde, çok önemli katkılar sağlamaktadır. Yumuşak anahtarlama teknikleri, Sıfır Akımda Anahtarlama (ZCS), Sıfır Gerilimde Anahtarlama (ZVS), Sıfır Akımda Geçiş (ZCT) ve Sıfır Gerilimde Geçiş (ZVT) şeklinde sıralanmaktadır.
Bu tezde, özellikle çok sayıda elemana sahip olan her türlü dönüştürücüye kolayca uygulanabilen, cazip ve modüler bir SS hücresi geliştirilmiştir. Geliştirilen yeni modüler SS hücresi, son yıllarda özellikle solar sistemlerde popüler hale gelen T türü üç seviyeli invertere (T-3LI) tek fazlı olarak uygulanmıştır. Bu yumuşak anahtarlamalı yeni dönüştürücüde, ana anahtarlar ZVT ile iletime ve ZVS ile kesime girer. Yardımcı anahtarlar ZCS ile iletime ve ZVS ile kesime girer. Geliştirilen bastırma hücresi, yarı iletken elemanlar üzerinde ilave akım ve gerilim streslerine neden olmamaktadır. Sunulan dönüştürücün sürekli hal analizleri yapılmış ve bu teorik analizler simülasyon ve 100 kHz ve 1 kW'lık bir prototip ile doğrulanmıştır.

Abstract:
Usage of semiconductor power converters at AC energy systems, motor control, uninterruptable and switching mode power supplies etc. have been increasing consistently. Low Total Harmonic Distortion (THD) and high Power Factor (PF) for AC side, low Ripple Factor (RF) for DC side and also low size and cost and high power density and efficiency and low Electro Magnetic Interference (EMI) for whole system are desired at applications. To provide these wishes, limiting rate of rising of current and voltage, suppressing switching losses and increasing switching frequency make a great contribution with using Soft Switching (SS) techniques instead of Hard Switching Techniques (HS). SS is used commonly at DC-DC applications those have few switches. On the other hand, SS is rarely used at converters have many switches as inverters because of application difficulty. 
There are conduction and switching losses at operation of power converters. The conduction losses depend on duty cycle whereas they don't depend on switching frequency. The switching losses occur with crossing voltage and current of semiconductors and also increase proportional to switching frequency. Therefore, switching losses are important limiting factor for increasing switching frequency and also EMI is result of switching rate. On the other hand THD, PF and RF values get better with increasing frequency. SS is limiting rise of voltage and current and also minimizing or eliminating crossing of current and voltage of semiconductors so switching losses at switching time on principle. So, SS provides low EMI and switching losses and also high switching frequency operation. On the other hand PF and THD values can be improved and dimensions and cost of the converters can be reduced due to SS. SS techniques are Zero Current Switching (ZCS), Zero Voltage Switching (ZVS), Zero Voltage Transition (ZVT), Zero Current Transition (ZCT).
At this thesis, a new active and modular SS cell, easily applicable and attractive for every converter, is improved. The proposed SS cell has been applied to single phase of grid connected T type three phase three level inverter (T-3LI) that gains popularity in recent years. At this new SS converter, the main switches turn on with ZVT and turn off with ZVS. Also, auxiliary switches turn on ZCS and turn off ZVS. There are no additional voltage stresses on the semiconductors. The steady state analysis has been already made and this analysis is verified with simulation and 1 kW – 100 kHz application.