Yüksek güç faktörlü yükseltici tür dönüştürücü beslemeli LLC rezonans devresi tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of high power factor boost type converter feed LLC resonant converter
Yazar: RAMAZAN ÖNDER YAŞAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM AKBOY
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda teknolojik gelişmeler ve artan refah düzeyiyle birlikte elektrikli cihazların kullanımı yaygınlaşmaktadır. Bu durum, elektrik enerjisine olan talebi arttırmıştır. Artan bu talebi karşılayabilmek için, dünyamızın enerji kaynaklarının tükenmekte olduğu göz önüne alındığında, elektrik enerjisinin verimli ve kaliteli kullanılması oldukça önemli hale gelmiştir. Ancak, günümüzde yaygın kullanılan, Anahtarlamalı Güç Kaynakları (AGK), Kesintisiz Güç Kaynakları (KGK) vb. lineer olmayan alıcılar ise şebekeden harmonikli akım çekerek şebekeyi bozmakta ve verimin düşmesine neden olmaktadır.
Anahtarlamalı güç kaynaklarında, AA-DA dönüşümü, en yaygın ve basit bir yöntem olarak bilinen, tam köprü kontrolsüz doğrultucu ve gerilim düzeltici elektrolitik kondansatör ile sağlanır. Bu kondansatör şebekeden çekilen kısa süreli akım darbeleriyle şarj olur. Böylece şebeke akımı dalga şekli sinüsten uzaklaşır. Bu durum, şebeke akımının harmonik içerdiği anlamına gelmektedir. Lineer olmayan yükün ihtiyaç duyduğu güç yükseldikçe, şebeke akımında bulunan harmonik miktarı da artar. Bu durum, dağıtım sisteminde daha büyük boyutlu güç elemanlarının ve daha geniş çaplı kabloların kullanılmasına, kullanılabilir gücün düşmesine ve sistem bileşenlerinin fazla ısınmasına sebep olmaktadır. Bu olumsuz etkileri azaltmak, elektrik enerjisinin verimli kullanımını arttırabilmek için çeşitli ulusal ve uluslararası standartlar ve kısıtlamalar geliştirilmiştir.

Bu çalışmada, OLED TV güç kaynağında kullanılmak üzere tasarlanan yüksek frekanslı iki aşamalı GFD devresi sunulmuştur. İzoleli DA-DA dönüştürme katında, sıkı gerilim regülasyonu istenen, OLED panelini ve ses sistem birimlerini beslemek için 302 W çıkış gücünde, yarım köprü seri-paralel (LLC) türü rezonanslı dönüştürücü, anakart ve diğer sistem birimlerinin beslemek için 67 W çıkış gücünde geri dönüşlü dönüştürücü kullanılmıştır. Bu tez çalışmasında öncelikle GFD işlevli yükseltici dönüştürücü ve yarım köprü LLC türü rezonans dönüştürücünün tasarım adımları, simülasyon devresi ve sonuçları gösterilmiştir. Geri dönüşlü dönüştürücünün analiz, tasarım aşamaları ve uygulama sonuçları bu tezde yer almamıştır. Tasarım sonucu seçilen elemanlarla uygulama devresi kurulmuş, farklı çıkış yükü ve giriş gerilimlerinde, uygulama devre sonuçları, toplam sistem verimi, güç faktörü paylaşılmıştır. 230 V şebeke giriş geriliminde ve maksimum yük koşulunda güç faktörü 0.984, toplam sistem verimi 91.04% olarak elde edilmiştir.
Yükseltici dönüştürücüde, ana anahtarın sıfır akımda iletime girmesi ve ana diyotun sıfır akımda kesime girmesiyle yumuşak anahtarlama sağlanan Sabit İletim Zamanlı (SİZ) sınır akım mod kontrol yöntemi tercih edilmiştir. Böylece, yükseltici endüktansının değerinin düşürülmesiyle, anahtarlama frekansı yükseltilmiş, TV yükseklik sınırlarını sağlayan nüve ve karkas kullanılabilmiştir. Yarım köprü LLC türü dönüştürücüde, TV yükseklik sınırını karşılayabilmek için birincil tarafta seri, ikincil tarafta paralel iki adet transformatör kullanılmıştır. Verim ve güç yoğunluğunu arttırmak amacıyla doğrultucu kısmında bulunan diyotlar yerine MOSFET elemanı kullanımı tercih edilip, eş zamanlı doğrultma yapılmıştır. Dönüştürücü geniş yük aralığında endüktif bölgede çalışmakta olup, yarım köprü anahtarları sıfır gerilim geçişi ile iletime başarıyla girmektedir. Yumuşak anahtarlama tekniklerinin kullanılmasından dolayı, Elektromanyetik Uyumluluk (EMU, EMC) EN 55032 standardında bulunan iletim ve radyasyon yollu yayılım gereksinimlerine uyumluluk sağlanmıştır ve test sonuçları paylaşılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Anahtarlamalı güç kaynağı, güç faktörü düzeltme, yumuşak anahtarlama, rezonanslı dönüştürücüler

Abstract:
Usage of electronic devices has become widespread with technological developments and increasing level of welfare. Thus, the demand of electrical energy has increased. In order to meet this increasing demand, the efficient and high-quality use of electrical energy is becoming crucial, given the fact that the world's energy resources are depleting. However, highly popular non-linear recipients like Switching Mode Power Supplies (SMPS), uninterruptable power supplies (UPS) and etc., are disturbing the mains and lowering energy efficiency by receiving current with harmonics.
In switching mode power supplies, AC-DC conversion is realized by full bridge uncontrolled rectifier and voltage correctory electrolytic capacitor, which is the most familiar and widespread method. This capacitor is charged with the short pulsed current peaks drawn from mains. Thus, the waveform of the line current deviates from sinusoidal. It means the line current includes harmonics. When the power demand of the non-linear load increases, the amount of harmonics in the line current increases as well. It leads to the use of larger power components and thicker cables in the distribution systems, a reduction in the available power and excessive heating of the system components. Some national and international standards and regulations have been developed to mitigate these negative effects and enhance the efficient use of electrical energy.

In this study, a two-stage high frequency power factor correction (PFC) circuit for OLED TV power supply is proposed. In PFC stage, boost converter is employed for its simple structure and because of its coil being on the input side. In isolated DC-DC converter stage, a 302 W half bridge LLC type resonant converter is designed to supply the audio system and the OLED panel which requires tight voltage regulation, and a 67 W flyback converter is designed to supply the main board and other system units. In this thesis, firstly the design steps of PFC boost converter and half bridge LLC resonant converter, the simulation circuit and the results are presented. Analysis, design procedure and application results of flyback converter are not presented in this thesis. Afterwards, the application circuit with the calculated power elements is designed and application circuit results, power factor and the efficiency under different load and input voltage conditions are shown. Power factor of the designed board is 0.984 and the system efficiency is 91.04% at 230 V input voltage and maximum load condition. It is observed that the designed board complies with the harmonic standard IEC 61000-3-2.
For the boost converter, a soft switching Constant On-Time (COT) Critical Conduction Mode (CRM) control is adopted for the main switch to be turned-on at zero current and the main diode to be turned-off at zero current. Thus, increasing the switching frequency by reducing the boost coil inductance value makes it possible to use mechanically suitable core and bobbin for TV back cover height limitation. In half bridge LLC converter, in order to increase efficiency and power density, synchronous rectification with MOSFETs instead of diode rectification is employed. LLC converter is operating in the inductive region at wide load range and half bridge switches are turned on successfully with zero voltage transition. By utilizing these soft switching techniques, conducted emission and radiated emission requirements are satisfied which are defined in Electromagnetic Compliance (EMC) standard EN 55032 and the test results are presented. In addition, thermal test results are obtained with thermal camera, at nominal input voltage and nominal power of the designed board. It is observed that the semiconductor components are in the desired temperature range.
Keywords: Switching mode power supply, power factor correction, soft switching, resonant converters.