Rezonans devreli ve yumuşak anahtarlamalı yeni bir tek aşamalı PFC devresinin geliştirilmesi
Improvement of a new single stage PFC circuit with resonant circuits and soft switching
Yazar: ERDEM AKBOY
Danışman: PROF. DR. HACI BODUR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç elektroniği devreleri = Power electronic circuits

Özet:
Gün geçtikçe artan teknolojik gelişmeler ve toplumların refah düzeyleri sayesinde, elektrikli cihazların kullanım alanları artmakta, daha fazla enerji tüketilmekte ve enerji kaynakları hızla tükenmektedir. Bu nedenle enerjinin daha verimli kullanılması gerekmektedir. Günümüzde sıkça kullanılan anahtarlamalı güç kaynakları, kesintisiz güç kaynakları, elektronik balastlar v.b. lineer olmayan yükler, çektikleri harmonik akımlar nedeniyle şebekeyi bozmaktadır. Lineer olmayan bu yükler, aynı şebekeye bağlı olan bilgisayar, mikroişlemci v.b. hassas cihazların çalışmasını olumsuz yönde etkilemektedir. Bu nedenle enerjinin daha kaliteli kullanılmasının önemi gün geçtikçe artmaktadır. Enerjinin verimli ve kaliteli kullanılması açısından ulusal ve uluslar arası düzeyde, sınırlamalar ve standartlar geliştirilmiştir. İstenilen standartlara uygun güç faktörü ve harmonik değerlerini sağlamak üzere, son yıllarda hem akademik hem de endüstriyel olarak güç faktörü düzeltme devreleri üzerinde yoğun bir şekilde çalışılmaktadır.Güç faktörünün düzeltilmesinde, pasif filtreler yıllarca yaygın olarak kullanılmıştır. Bu amaçla, son yıllarda aktif filtrelerin yanında, yüksek frekanslı AC-DC dönüştürücü temelli güç faktörü düzeltme (PFC) devreleri üzerinde çalışılmaktadır. Pasif filtrelerin ağır ve hantal ve aktif filtrelerin karmaşık ve pahalı olmaları nedeniyle, AC-DC dönüştürücü temelli PFC devrelerine olan ilgi hızlı bir şekilde artmaktadır.Yüksek frekanslı AC-DC dönüştürücü tabanlı PFC devreleri, temel olarak iki ve tek aşamalı olabilmekte, sürekli akım modu (CCM) ve kesintili akım modu (DCM) ile çalışabilmektedir. İki aşamalı PFC devrelerinde, iki adet anahtar ile iki adet kontrol çevrimi bulunmakta ve güç iki defa işlenmektedir. Tek aşamalı olanlarda ise, tek kontrol çevrimi ile genellikle tek anahtar kullanılmakta ve gücün bir kısmı bir defa işlenerek doğrudan çıkışa aktarılmaktadır. Özellikle CCM ile çalışmada, anahtarların kayıpları ve elektro manyetik girişim (EMI) öne çıkmaktadır. İki aşamalı olanlarda fiyat artmaktadır. Bu nedenle, özellikle düşük güçlü uygulamalarda, yumuşak anahtarlama (SS) ve doğrudan güç transferi (DPT) sağlayan ve DCM ile çalışan tek aşamalı PFC devreleri son yıllarda çok ilgi çekmektedir.Bu çalışmada, rezonans devre ve yumuşak anahtarlama temelli olan, doğrudan güç transferini sağlayan ve DCM ile çalışan yeni bir tek aşamalı PFC devresi ortaya konulmuştur. Bu devrede, PFC ve regülasyon amaçlı iki anahtar ile tek kontrol çevrimi kullanılmıştır. Birinci anahtar ve rezonans devresi yardımıyla, şebekeden genliği şebeke gerilimiyle orantılı yüksek frekanslı sinüzoidal akım darbeleri çekilerek, PFC ve SS sağlanmıştır. İkinci anahtar vasıtasıyla, yine rezonans temelli olarak, hem DPT hem de gerilim regülasyonu sağlanmıştır. Sunulan devrenin etraflı olarak teorik analizi yapılmış ve bu teorik analiz simulasyon ve deneysel sonuçlar ile doğrulanmıştır.

Abstract:
As the day goes on, with the effect of technologic developments and changes on wealth levels of societies, use of electrical appliances and energy consumption has been increased and energy resources has been exhausted rapidly. Therefore, energy should be used more productively. In recent years non linear loads such as switching mode and uninterrupted mode power supplies, electronic ballasts which are widely used in power appliances, distorted the mains current and voltage by causing harmonic currents. In the meanwhile above mentioned non-linear loads may cause deteriorations on the appliances which are connected to the same grid such as microprocessors, personal computers e.t.c. So that, qualified use of energy has been gained importance. There are national and international mandotary standarts about power factor and harmonics for qualified energy and its productivity. In recent years, to fulfil those standarts, power factor correction (PFC) circuits have been being studied intensely both academic and industrial areas.Passive filters had been used as a power factor corrector for many years. Beside active filters, PFC circuits based on high frequency AC-DC converters have been being studied. Passive filters are bulky and active filters are expensive and complicated. Due to bulky structure of passive filters and expensive price and complicated structure of active filters, the attention on the high frequency power factor correctors based on AC-DC converters is increased in the academic and industrial areas.PFC circuits based on high frequency AC-DC converters could basicly be single stage and two stages. Also, it could work on continuous current mode (CCM) and discrete current mode (DCM). There are two switches and two control loops on two stages PFC circuits and the power processed to output twice. On single stage PFC circuits, there is one control loop and generally one switch is used and some part of power is transferred to the output by being processed just for once. Especially in CCM, loss of switches and EMI become prominent. Two stages PFC circuits are cost. For the aboved mentioned reasons, single stage PFC circuits which provide soft switching (SS) and direct power transfer (DPT) are drawed attention especially in low power applications in last years.A new single stage PFC circuit which has provides DPT and work with DCM, based on resonant circuit and SS, has been presented on this study. In that circuit, two switches and one control loop with the aim of PFC and regulation have been used. PFC and SS have been provided with sinusoidal currents whose amplitude is proportionally mains voltage through first switch and resonant circuit. Both voltage regulation and DPT have been provided based on resonance through second switch. Theoric analyses of the proposed circuit has been presented and mentioned analyses have been corrected by simulation and observational solutions.