Yüksek doluluk oranlı ve yüksek verimli bir aktif bastırmalı ileri yönlü dönüştürücünün tasarımı
Design of an active clamp forward converter with high duty cycle and high efficiency
Yazar: MURAT AKKUŞ
Danışman: PROF. DR. HACI BODUR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anahtarlamalı güç kaynağı = Switched mode power supply ; Forward çevirici = Forward converter ; Güç çeviriciler = Power converters

Özet:
Son yıllarda elektronik cihazların sayısının artması neticesinde elektrik enerjisine olan talep artış göstermektedir. Yükselen bu talep karşısında var olan enerji kaynakları en verimli şekilde kullanılmalıdır. Enerjinin verimli kullanılması günümüzdeki en önemli konu başlıkları arasında yer almaktadır. Bundan dolayı tasarlanan elektronik cihazların yüksek verimde çalışması göz önüne alınarak üretilmesi sağlanmaktadır. Anahtarlamalı güç kaynakları (SMPS) yüksek verim ve yüksek güç yoğunluğuna sahiptir. Bu avantajlarından dolayı lineer güç kaynakları yerine tercih edilmektedir.  Anahtarlamalı güç kaynaklarından olan izoleli DC-DC dönüştürücüler içerisinde, ileri yönlü dönüştürücüler devre yapısının basitliği, maliyetinin düşük olması ve veriminin yüksek olmasından dolayı endüstride düşük gerilimli yüksek akımlı ve yüksek frekans istenen uygulamalarda sıkça tercih edilmektedir. Temel ileri yönlü dönüştürücülerde mıknatıslama akımını resetlemek için ilave bir sargı gerekmektedir. Bu ekstra sargı ile transformatör yapısı, diğer dönüştürücülere oranla daha karmaşık hale gelebilmektedir. Aynı zamanda teorik olarak doluluk oranı 0,5'in üzerine çıkarılamamaktadır.  İleri yönlü dönüştürücülerde yüksek güç yoğunluğunu sağlamak, kullanılan elemanların boyutlarını küçültmek amacıyla anahtarlama frekansı artırılmaktadır.  Anahtarlama kayıpları anahtarlama frekansı ile doğru orantılıdır. Bu nedenle frekans artırıldığında anahtarlama kayıpları artmaktadır.  Kayıpların artması neticesinde genel verimde azalmalar gerçekleşir aynı zamanda yarı iletken güç elemanlarını soğutmak için gereksinimler artar. Oluşan dezavantajları gidermek için yumuşak anahtarlama (SS) sağlamak popüler hale gelmiştir.

Bu tezde batarya şarjı, kaynak makinası vb. uygulamalarda kullanılmak amacıyla yüksek verimli yüksek doluluk oranlı ve aktif bastırmalı bir ileri yönlü dönüştürücü önerilmektedir. Önerilen dönüştürücünün kararlı hal analizi, tasarımı ve PSIM programında simülasyonu yapılmıştır. Önerilen ileri yönlü dönüştürücü anahtarının iletime girmesi sıfır akım altında (ZCS) kesime girmesi ise sıfır gerilim altında (ZVS) gerçekleşmektedir. Transformatörün kaçak endüktansının ve mıknatıslama endüktansının enerjisi bir düşürücü dönüştürücü ile geri kazanılmaktadır.

Tasarımı yapılan dönüştürücü için detaylı kararlı hal durum analizi yapılmıştır. Geliştirilen dönüştürücünün benzetim çalışması PSIM simülasyon programı ile yapılmıştır. Analiz sonuçları, simülasyon sonuçları ile doğrulanmıştır.

Abstract:
In recent years, the increasing number of electronic devices has led to a rise in demand for electrical energy. In order to meet this growing demand, existing energy sources should be used efficiently. Efficient energy usage is among the most important topics of today. Therefore, electronic devices are designed and produced with high efficiency in mind. Switched-mode power supplies (SMPS) offer high efficiency and power density, which is why they are preferred over linear power supplies. Among the switched-mode power supplies, isolated DC-DC converters are frequently chosen in low-voltage, high-current, and high-frequency applications due to their simple circuit structure, low cost, and high efficiency. In forward converters, an additional winding is required to reset the magnetizing current. The presence of this extra winding can complicate the transformer structure compared to other converters. Additionally, theoretically, the duty cycle cannot be increased beyond 0.5. In order to achieve high power density in forward converters and reduce the dimensions of the components used, the switching frequency is increased. Switching losses are directly proportional to the switching frequency. Therefore, increasing the frequency results in higher switching losses, leading to decreased overall efficiency and increased cooling requirements for the semiconductor power devices. To overcome these disadvantages, the provision of soft switching (SS) has become popular.

This thesis proposes a high-efficiency, high-duty-cycle, and active-clamp forward converter for applications such as battery charging and source machines. The steady-state analysis, design, and simulation of the proposed converter using the PSIM program have been performed. The turn-on of the proposed forward converter's switch occurs under zero current switching (ZCS), while the turn-off takes place under zero voltage switching (ZVS). The energy of the leakage inductance and magnetizing inductance of the transformer is recovered using a snubber converter.

A detailed steady-state analysis has been conducted for the designed converter. The operation of the developed converter has been simulated using the PSIM simulation program. The analysis results have been verified through simulation outcomes.