Yeni bir yumuşak anahtarlamalı DC-DC PWM dönüştürücünün tasarım, analiz ve uygulaması
Design, analysis and implementation of a new soft switched DC-DC pwm converter
Yazar: İSMAİL AKSOY
Danışman: PROF.DR. HACI BODUR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Darbe Genişlik Modülasyonlu (PWM) DC-DC dönüştürücüler, yüksek güç yoğunluğu, hızlıgeçiş cevabı ve kontrol kolaylığı nedeniyle endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Dahayüksek güç yoğunluğu ve daha hızlı geçiş cevabı, ancak anahtarlama frekansınınartırılmasıyla elde edilebilmektedir. Fakat, anahtarlama frekansı arttığında, anahtarlamakayıpları da artmaktadır. Frekansın artırılması, ancak sert anahtarlama (HS) yerine yumuşakanahtarlama (SS) tekniklerinin kullanılması ile mümkün olmaktadır.Genel olarak yumuşak anahtarlama teknikleri, sıfır gerilimde anahtarlama (ZVS), sıfır akımdaanahtarlama (ZCS), sıfır gerilimde geçiş (ZVT) ve sıfır akımda geçiş (ZCT) şeklindesıralanabilir. Rezonanslı devrelerde, anahtarlama anlarında gerilim veya akımın sıfır olmasınedeniyle, doğal ve mükemmel olarak SS sağlanır. Buna karşılık, bu devrelerde, güçyoğunluğu düşüktür, genellikle frekans değişkendir ve PWM yeteneği yoktur.Rezonans ve PWM tekniklerinin avantajlarının birleştirilmesi düşüncesinden yola çıkılarak,sadece anahtarlama işlemleri esnasında bir kısa süreli veya kısmi rezonans kullanılarak,mükemmel bir SS ve PWM yeteneğine sahip olan ZVT ve ZCT teknikleri geliştirilmiştir.Prensip olarak, her iki teknikte de bir yardımcı anahtar ve bir kısa süreli veya kısmi rezonansdevresi kullanılır. ZVT tekniğinde ana anahtarın iletime girme işlemindeki ve ZCT tekniğindeana anahtarın kesime girme işlemindeki anahtarlama kayıplarının bastırılması veyasıfırlanması hedeflenir. Son yıllarda ZVT ve ZCT tekniklerinin birleştirilmesi konusundaçalışmalar yapılmaktadır.Bu tezde, PWM dönüştürücülerde güç yoğunluğu ile verimin arttırılması ve EMI gürültününazaltılması için yeni bir aktif bastırma hücresi geliştirilmiştir. Geliştirilen bastırma hücresiDC-DC dönüştürücüdeki ana anahtarın sıfır gerilim geçişi (ZVT) ile iletime ve sıfır akımgeçişi (ZCT) ile kesime girmesini birlikte sağlamaktadır. Bu bastırma hücresinin kullanıldığıdönüştürücü, geniş bir şebeke ve yük gerilimi aralığında ve yüksek frekanslarda yumuşakanahtarlama ile çalışabilmektedir. Ayrıca, bu dönüştürücüde bütün yarı iletken elemanlaryumuşak anahtarlama ile çalışır. Ana elemanlarda ilave bir gerilim stresi yoktur ve yardımcıelemanların stresleri de düşük seviyelerdedir. Yeni dönüştürücünün yapısı basit, fiyatı düşükve kontrolu kolaydır.Geliştirilen bastırma hücresinin kullanıldığı yeni ZVT-ZCT-PWM yüksek çıkışlı DC-DCdönüştürücü devresinin çalışma prensibi ve etraflı bir kararlı durum analizi sunulmuştur.Sunulan teorik analiz, 100 kHz ve 500 W'lık yüksek çıkışlı bir prototip ile tam olarakdoğrulanmıştır. Ayrıca nominal çıkış gücünde dönüştürücü veriminin yaklaşık olarak %98.3'e ulaştığı tespit edilmiştir.Anahtar Kelimeler: Yumuşak anahtarlama, aktif bastırma hücresi, sıfır gerilimdeanahtarlama, sıfır akımda anahtarlama, sıfır gerilimde geçiş, sıfır akımda geçiş.

Abstract:
Pulse width modulated (PWM) DC?DC converters have been widely used in industry due totheir high power density, fast transient response and ease of control. Higher power densityand faster transient response can be achieved only by increasing switching frequency. Butswitching losses increase with switching frequency. For this reason, the switching frequencycan be increased by using soft switching (SS) techniques instead of hard switching (HS).Generally SS techniques can be classified as zero voltage switching (ZVS), zero currentswitching (ZCS), zero voltage transition (ZVT) and zero current transition (ZCT) techniques.In resonant circuits SS is provide naturally and perfectly because voltage or current is zero atswitching intervals. However in these circuits power density is low, generally frequency is notconstant and there is no PWM capability.Combining the advantages of resonance and PWM techniques, ZVT and ZCT techniques, thathave perfect SS and PWM capabilities, were developed by using a short time or partialresonance only during the switching processes. In principle, an auxiliary switch and a shorttime or partial resonance are used in both techniques. It is aimed to snub or zero the switchinglosses of the main switch during the turn on and turn off processes with the ZVT and ZCTtechniques respectively. It is aimed to snub or zero the switching losses of the main switch, atthe turn on process with ZVT technique, and at the turn off process with ZCT technique. Inrecent years some studies have been realized on combining the ZVT and ZCT techniques.In this thesis, a new snubber cell is developed in order to increase the power density and theefficiency in PWM converters and to decrease the EMI noise. The developed snubber cellprovides main switch both to turn on with zero voltage transition (ZVT) and to turn off withzero current transition (ZCT). The converter incorporating this snubber cell can work in awide range of line and load voltages and can operate with soft switching at high frequencies.Also, in this converter all semiconductor devices operates with soft switching. There is noadditional voltage stress in main components and the stresses of the auxiliary components arelow. Also, the new converter has a simple structure, low cost and ease of control.The operation principle and detailed steady state analysis of a new ZVT-ZCT-PWM boostconverter circuit, in which the developed snubber cell is used, is presented. The presentedtheoretical analysis is verified exactly by a prototype of 100 kHz and 500 W converter. Also,the overall efficiency of the new converter reached a value of % 98.3 at nominal outputpower.Keywords: Soft switching, active snubber cell, zero voltage switching, zero currentswitching, zero voltage transition, zero current transition.