Rezonanslı dönüştürücülerin incelenmesi ve izoleli bir uygulamasının gerçekleştirilmesi
Investigation of resonant converters and implementation of an isolated application
Yazar: SÜMEYYE BÜYÜKTORUN
Danışman: PROF. DR. AHMET FARUK BAKAN
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 ilerlemesiyle endüstride gerçekleştirilen birçok uygulama farklı güç ve gerilim seviyesine ihtiyaç duymaktadır. Bu da güç dönüştürücülerinin dünyadaki önemini giderek arttırmakta ve daha verimli, güvenilir, hafif ve yüksek güç yoğunluğuna sahip dönüştürücülerin tasarımını gerektirmektedir. Güç dönüştürücülerinin tasarımında anahtarlama kayıplarının ve elektromanyetik girişimin azaltılması öne çıkmaktadır. Bu özellikler dönüştürücülerde yumuşak anahtarlama tekniklerinin uygulanması ile sağlanır. Şüphesiz ki bir güç dönüştürücüsünün tasarımındaki önemli kriterlerden biri de güç yoğunluğudur. Yani düşük hacimde daha yüksek güç elde edebilme yeteneği güç elektroniği tasarımlarının en önemli parametrelerindendir. Güç dönüştürücülerinde frekansın arttırılması ile reaktif elemanların boyutları küçülür böylece hem maliyet azaltılmış hem de güç yoğunluğu arttırılmış olur. Rezonanslı dönüştürücüler, sıralanmış olan bu avantajlara sahip olan dönüştürücülerdir. Topolojileri gereği anahtarlama elemanları yumuşak anahtarlama ile iletime sokulur ve yüksek frekanslarda çalışabildikleri için daha düşük boyutlarda tasarlanabilir. Rezonanslı dönüştürücüler arasında diğer rezonans topolojilerine üstünlük sağlayan LLC rezonans dönüştürücüler son yıllarda endüstrideki kullanımını giderek arttırmış ve yarı iletken üreticilerinin üzerine yatırım yaptığı bir dönüştürücü haline gelmiştir. Dar bir frekans aralığında kontrolünün gerçekleştirilmesi ve güç dönüştürücüleri için önemli çalışma koşullarından biri olan yüksüz durumda çalışabilme özellikleri sayesinde LLC dönüştürücüler birçok uygulamada özellikle telekom uygulamalarında, LCD'lerde, PDP TV'lerde ve elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bu çalışmada öncelikle PWM dönüştürücüler ve rezonans dönüştürücüler avantaj ve dezavantajlarına göre karşılaştırılarak incelenmiş ve temel rezonans dönüştürücüler hakkında bilgi verilmiştir. LLC rezonans dönüştürücülerin çalışma prensibi ve çalışma aralıkları detaylı olarak incelenmiştir. 400V giriş ve 24V çıkışa sahip 204W gücünde bir dönüştürücünün rezonans tank komponentlerinin hesabı dönüştürücünün çalışacağı frekans aralığına göre belirlenmiş ve parametreleri hesaplanan devrenin simülasyonları PSIM simülasyon ortamında gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları ve topolojinin çalışma noktaları göz önünde bulundurularak devre analiz edilmiştir. Simülasyonu yapılan devrenin prototipi gerçekleştirilerek deneysel sonuçları sunulmuştur.

Abstract:
With the advancement of technology, many applications in the industry require different levels of power and voltage. This increases the importance of power converters in the world and requires the design of converters more efficient, reliable, lightweight and high power density. Important parameters of increasing the efficiency of power converters are the reduction of switching losses and electromagnetic interference. This is achieved by applying soft switching techniques in converters. Of course, one of the important criteria in the design of a power converter is power density. In other words, the ability to obtain higher power in low volume is one of the most important parameters of power electronics designs. By increasing the frequency in the power converters, the size of the magnetic components is reduced so that both the cost is reduced and the power density is increased. Resonant power converters have these listed advantages. Due to their topology, the switching elements are turned on by soft switching and can be designed at lower sizes because they can operate at higher frequencies. LLC resonant converter, which provide superiority to other resonant topologies, have increased their use in industry in recent years and have become a investment of semiconductor manufacturers. Thanks to their ability to operate in a narrow frequency range and to operate in unloaded condition, which is one of the important operating conditions for power converters, LLC converters are widely used in many applications, especially in telecom applications, LCDs, PDP TVs and electric vehicles. In this study, firstly PWM converters and resonant converters were compared with respect to their advantages and disadvantages, and give information about basic resonant converters. The working principle and operating ranges of the LLC resonant  converters are studied in detail. The calculation of the resonant tank components of a 204W power converter with 400V input and 24V output was determined according to the frequency range in which the converter would operate and circuit simulations were performed in the PSIM simulation environment. Simulation results were analyzed by taking into consideration the topology study points. The prototype of the simulated circuit is realized and experimental results are presented.