Yeni bir yumuşak anahtarlamalı ve yüksek güç faktörlü AC-DC dönüştürücünün geliştirilmesi ve gerçekleştirilmesi
Developing and implementation of a new soft switched and high power factor AC-DC converter
Yazar: SEVİLAY ÇETİN
Danışman: PROF. DR. HACI BODUR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç elektroniği = Power electronics ; Güç elektroniği devreleri = Power electronic circuits ; Güç faktörleri = Power factors ; Güç kaynakları = Power sources

Özet:
Günümüzde, gelişen teknoloji ve yükselen refah düzeyi sayesinde, elektrikli cihazların kullanımı giderek artmakta ve daha fazla enerji tüketilmektedir. Aynı zamanda, dünyamızın enerji kaynakları da hızlıca tükenmektedir. Bu sebeple enerjinin daha verimli ve tasarruflu kullanılması gerekmektedir. Ayrıca, günümüzde kullanılan Kesintisiz ve Anahtarlamalı Güç Kaynakları (UPS ve SMPS), Elektronik Balastlar (EB) gibi lineer olmayan alıcıların çektiği harmonikli akımlar şebekeyi bozmaktadır. Bu da aynı şebekeye bağlı olan bilgisayarlar, mikroişlemciler gibi hassas cihazlarda hata ve bozulmalara sebep olmaktadır. Bu nedenle enerjinin daha kaliteli kullanılması da oldukça önemlidir. Kullanılan enerjinin verim ve kalitesi açısından, ulusal ve uluslararası düzeyde, güç faktörü ve harmonik içerik için sınırlama ve standartlar geliştirilmektedir. İstenen verim ve kalitenin sağlanabilmesi için, cihaz üreticileri Güç Faktörünün Düzeltilmesi (PFC) olarak bilinen farklı teknikler kullanmaktadır. Güç faktörü, oldukça hantal ve pahalı olan pasif filtreler veya oldukça karmaşık ve pahalı olan aktif filtreler ile düzeltilebilmektedir. Ancak, son zamanlarda bu konuda yapılan akademik ve endüstriyel çalışmalar, pek çok avantaja sahip olan yüksek frekanslı AC-DC dönüştürücü temelli PFC devreleri üzerinde yoğunlaşmaktadır.Kaliteli bir PFC yapılabilmesi, AC-DC dönüştürücünün yüksek anahtarlama frekansında çalıştırılması ile mümkün olmaktadır. Frekansın yükselmesi ise, anahtarlama kayıpları ile Elektro Manyetik Girişimin (EMI) artması, aşırı gerilim ve akım streslerinin oluşması, devrenin uygulanabilme yeteneğinin zayıflaması, toplam verimin düşmesi gibi sorunlara yol açmaktadır. Bu sorunlar, Sert Anahtarlama (HS) yerine Yumuşak Anahtarlama (SS) tekniklerinin kullanılması ile aşılabilmektedir. Yumuşak anahtarlama teknikleri, temel olarak Sıfır Gerilimde Anahtarlama (ZVS), Sıfır Akımda Anahtarlama (ZCS), Sıfır Gerilimde Geçiş (ZVT) ve Sıfır Akımda Geçiş (ZCT) şeklinde sıralanmaktadır.Bu tezde, PFC uygulamalarında kullanılmak üzere, yeni bir Yumuşak Anahtarlamalı ve Yüksek Güç Faktörlü (SS-HPF) AC-DC dönüştürücü geliştirilmiştir. Bu yüksek güç faktörlü ve yumuşak anahtarlamalı dönüştürücüde, ana anahtar ZVT ile iletime ve ZVS ile kesime girer. Yardımcı anahtar ZCS ile iletime ve ZVS ile kesime girer. Ana diyot ile diğer bütün diyotlar da SS ile çalışır. Aynı zamanda bu dönüştürücüde, endüktansta biriken SS enerjileri bir transformatör vasıtasıyla etkili bir şekilde çıkışa aktarılır ve yardımcı anahtarın akım stresi önemli ölçüde düşürülür. Bu dönüştürücüde, hiçbir yarı iletken eleman ilave bir gerilim stresine maruz kalmaz ve geniş bir hat gerilimi ve yük akımı aralığında SS şartları korunur. Geliştirilen yeni SS-HPF AC-DC dönüştürücünün detaylı bir kararlı durum analizi yapılmış ve bu teorik analiz uluslararası hat gerilimi (85 -265 Vac) aralığında 100 kHz ve 1 kW'lık bir prototip ile doğrulanmıştır.

Abstract:
Nowadays, use of electrical appliance and energy consumption are increasing as the result of developing technology and rising life standards. Also, world energy resources are exhausting, rapidly, thus using of energy should be more economical and efficient. Besides, the nonlinear power supplies that draw nonsinusoidal currents; for example uninterrupted and switching power supplies (UPS & SMPS), and electronic ballasts (EB) cause deteriorations on the appliances those are connected to same grid such as personal computers, medical equipment, and microprocessor systems. Thus, more efficient energy using is important. National and international standards are being a mandatory abaut power factor and harmonics for energy efficiency and productivity. The equipment manufacturers are using different techniques as known Power Factor Correction (PFC). Power Factor (PF) can correct with bulky and expensive passive filters or expensive and complicated active filters. However, recently, academic and industrial studies about this subject are focused on PFC circuits based on high frequency AC-DC converter having plenty of advantages.AC-DC converter should be operated at high switching frequency for a qualified PFC. In this situation, switching power losses with high value, electromagnetic interference (EMI), high voltage and current stress, reducing of total efficiency and application difficulties occur. These problems only can be eliminated only by using Soft Swiching (SS) techniques instead of hard switching (HS) techniques. SS techniques are based on Zero Voltage Switching (ZVS), Zero Current Switching (ZCS), Zero Voltage Transition (ZVT), and Zero Current Transition (ZCT) methods.In this thesis, a new High Power Factor and Soft Switching AC-DC converter is improved. In this SS-HPF AC-DC converter, the main switch turns on with ZVT and turns off with ZVS. Also, the auxiliary switch turns on with ZCS and turn off with ZVS. The main diode and also other diodes work with SS. Most of the energy stored in the snubber inductance is transferred effectively to the output by a transformer. Thus, the current stress of the auxiliary switch is reduced significantly. In this converter, no semiconductor device has an additional voltage stress, and the SS conditions are maintained at very wide line voltage and load current ranges. The steady state operation of the SS-HPF AC-DC converter is analyzed in detail, and this theoretical analysis is verified experimentally by a 1 kW and 100 kHz prototype at the universal line voltage range (85 Vac - 265 Vac)