LLC rezonans dönüştürücü tasarımı
Design of LLC resonant converter
Yazar: YUNUS EMRE BULUT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK AKIN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Teknolojinin hızlı ilerleyişi neticesinde elektronik cihaz kullanımlarının artış göstermesi ve bu cihazların yaygınlaşmalarından dolayı gereken güç tüketiminin artması güç dönüştürücülerinin önemini arttırmaktadır. Bu güç dönüştürücüleri, güç elektroniğindeki teknolojik gelişmeler ile birlikte gittikçe boyutları küçülmekte ve daha yüksek verimlere ulaşabilmektedir. Sınırlı olan dünya kaynakları ve tüketilen enerjinin gittikçe artması ile güç dönüştürücülerindeki verimsizlik ve enerji kaybının etkisinin arttığı görülmektedir. Bundan dolayı bu güç dönüştürücülerine yönelik çalışmalar, daha küçük boyut ve daha yüksek verimlerde olmaya yönelik olmaktadır.
Yarı iletken teknolojisinin ilerleyişi güç elektroniğinde çeşitli yapıların ortaya çıkmasına neden olmuştur. Anahtarlama modlu güç dönüştürücü yapıları düşük değerde endüktans ve kapasitans yapıları ile birlikte kullanılarak, daha küçük boyut ve daha yüksek verimde çalışabilen güç dönüştürücüleri ortaya çıkmaya başlanmıştır. Daha yüksek güçlerde, anahtarlama modlu güç dönüştürücüleri veriminin yeterli olmadığı ve  yüksek elektromanyetik girişimlerin görülmesinden dolayı rezonans güç dönüştürücüleri geliştirilmiştir. Rezonans güç dönüştürücüleri sayesinde daha yüksek güçler için daha yüksek verimler elde edilebilmektedir. Bundan dolayı tüketici elektroniği ve endüstriyel uygulamalarda bu dönüştürücüler yaygınca yer almaktadır.
Rezonans güç dönüştürücüleri sıfır gerilimde anahtarlama ve sıfır akımda anahtarlama yapabilme imkanları sayesinde anahtarlama modlu dönüştürücülere oranla daha yüksek verimlere ulaşabilmektedirler. Bu tez çalışmasında rezonans güç dönüştürücüleri anlatılarak LLC rezonans güç dönüştürücüsü analizi yapılmıştır. Temel harmonik yaklaşımı ile devre parametrelerinin kazanç üstündeki etkisi incelenilmiş ve dönüştürücü parametrelerinin belirlenme yöntemleri anlatılmıştır.
Yapılan analizlerden sonra belirlenmiş olan çalışma değerleri için LLC güç dönüştürücüsü tasarımı yapılarak bilgisayar programı üzerinde simülasyonu yapılmıştır. Rezonans tankında yer alan rezonans endüktansının yerine devredeki transformatörün kaçak endüktansı kullanılmış ve belirlenmiş olan parametrelere uygun bir şekilde devrenin prototipi gerçekleştirilmiştir.
Çalışmada kontrolör olarak Texas Insruments firmasının 2000 Launchpad mikrokontrolörü kullanılmış ve C kodu ile programlanarak devrenin kontrolü dijital olarak sağlanmıştır. Sabit çıkış gerilimi için PI algoritması kullanılmıştır. Devrenin çalışma şartları altında farklı giriş gerilim ve farklı yük koşulları için testleri yapılmış ve analiz bölümünde elde edilen kazanç karakteristiği ile karşılaştırılması yapılmıştır. Rezonans tankındaki akımların dalga formlarının farklı çalışma frekanslarındaki değişimleri verilmiştir. LLC rezonans güç dönüştürücüsünün sıfır gerlimde anahtarlama yaptığı görülmüş ve LLC rezonans dönüştürücünün verim grafiği çıkartılarak çalışma neticelendirilmiştir.

Abstract:
Due to the improvement of technology, expanded utilization of electronic devices and expanding the power consumption required by the spread of these devices cause to build the significance of power converters. With the changes made by power electronics, these power converters have smaller sizes and higher efficiencies day after day. As the resources of world are restricted and the energy consumption increases day by day, the effect of energy losses is increasing and efficiency in power converters is decreasing. So, studying on this problem is proceeding in order to attain converters with lower size and higher efficiency.
Multifarious structures have occurred about power electronics with the enhancement of semiconductor technology. The LLC resonant converter is the most suitable topology for designing switch mode power supply with stable output voltage. This converter is generally utilized for isolated power conversion applications as a result of its high power conversion efficiency, simple design structure, and high cost-effectiveness. It is able to regulate the output over wide line and load variations with a relatively small variation of switching frequency. Because the resonant converter has ZVS or ZCS function for reducing switching losses and keeping EMI in minimum, the resonant converter has been notably used in the power industry.
A massive quantity of literature deal with a guiding principle considering magnetic components, switching frequency variation range, efficiency, and size. The traditional isolated LLC resonant can
success ZVS for the primary-side switches and ZCS for the secondary-side rectifiers. For the conventional LLC resonant converter, three magnetic components are required for the series resonant inductance, parallel inductance, and the isolated transformer. To lessen the magnetic component count, the leakage inductance and the magnetizing inductance of the transformer are utilized as the series resonant inductance. Thus, only one magnetic component is required and cost could be low. Size of the converter generally will be smaller. Insulation between primary and secondary side is easily performed. And better cooling conditions will be provided for transformer winding.
The digital control is appropriate especially for the resonant converter due to the dead time control. The power supply system needs the communication function, high-efficiency characteristic and also fast transient response. In latest years, the digital control for switching power supplies is gaining attention to acquire the high-performance characteristic power converters. The digital control has the advantages of realizing high-performance control and it is able to easily communicate to the other components.
The PI controller is common to give control signals on LLC resonant tank. In PI controller, the system error is decreased usage of the trial and error method in the closed loop system. The PI algorithm is also used to keep the output voltage regular and success the steady state error zero.
This study presents the modeling, design, and implementation of an LLC converter which is controlled digitally with PI control algorithm. The leakage inductance of the transformer was utilized as serial inductance and parameters of converter were calculated with the effect of this leakage inductance. The use of frequency control, LLC resonant converter can handle regulated output voltages even in the case of wide input voltage or output load variations.