İki yönlü üç seviyeli T-tipi LLC rezonans izole DA-DA dönüştürücünün tasarımı ve analizi
Design and analysis of bidirectional three level T-type LLC resonant isolated DC-DC converter
Yazar: KEMAL KALAYCI
Danışman: PROF. DR. UĞUR ARİFOĞLU ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR DEMİREL
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç çeviriciler = Power converters

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynakları, batarya depolama sistemleri, doğru akım (DA) şebekeleri ve elektrikli araçların hızla gelişmesi, iki yönlü DA-DA dönüştürücülere olan ilgiyi artırmaktadır. Bu dönüştürücüler, genellikle yenilenebilir enerji kaynakları tarafından beslenen yüksek gerilimli bir DA bara ile enerji depolama cihazlarının bağlandığı düşük gerilimli bir DA bara arasında güç transferini sağlayan bir ara yüz olarak işlev görmektedir. Bu uygulamaların çoğunda, iki DA barası arasında iki yönlü güç akışı, geniş bir gerilim çevrim oranında ve hafif yüklerde yüksek verimliliği gerektirir ki bu da hâlâ iki yönlü DA-DA dönüştürücülerin tasarımı ve modülasyonunu zorlayan bir durumdur.
İki yönlü DA-DA dönüştürücüler alanında, üç seviyeli topolojilerin kullanımı giderek artmaktadır. Bu topolojiler, iki seviyeli topolojilere kıyasla anahtarlama elemanları üzerindeki gerilim stresini daha düşük seviyede tutarak, anahtarlama sırasında kayıpları azaltmaktadır. Üç seviyeli topolojiler, I-tipi ve T-tipi olmak üzere iki ana kategoriye ayrılmaktadır. T-tipi topolojisinin anahtar kombinasyonu, I-tipi topolojisine göre daha yüksek güvenilirlik sunmaktadır. Bunun temel nedeni, I-tipi topolojisinde yer alan ancak T-tipi topolojisinde bulunmayan iki fazladan diyotun, T-tipindeki akım yolunu kısaltarak iletkenlik kayıplarını azaltmasıdır. Ayrıca, T-tipi topolojisi, I-tipi topolojisine kıyasla daha az anahtarlama elemanı gerektirdiğinden maliyet açısından da avantajlıdır. Bu çalışmada, iki seviyeli topolojilere ve üç seviyeli I-tipi topolojisine göre daha düşük maliyetli, daha yüksek güvenilirlik sunan ve daha az kayıp ile çalışan üç seviyeli T-tipi topolojisi kullanılmıştır.
İki yönlü izole LLC rezonans DA-DA dönüştürücüler, özellikle alçaltıcı ve yükseltici çalışma kapasitesi, dar anahtarlama frekansı değişim aralığı ve geniş sıfır gerilim anahtarlama (ZVS) çalışma aralığı açısından, seri rezonans dönüştürücülere kıyasla üstün performans göstermektedirler. Bununla birlikte, bu topoloji ters güç akışı yönünde çalıştığında, hala geleneksel bir seri rezonans dönüştürücü olarak işlev görmekte ve simetrik çalışma özelliğine sahip değildir. Bu simetrik çalışma eksikliğini gidermek için, iki yönlü CLLC rezonans dönüştürücüsü önerilmektedir. Ancak, eklenen rezonans tankı, dönüştürücünün maliyetini ve hacmini artırmakta, ayrıca geleneksel LLC rezonans dönüştürücüye kıyasla gerilim çevrim oranı aralığını düşürmektedir. Bu çalışmada, topolojinin hem geniş ZVS çalışma aralığında ve yüksek gerilim çevrim oranında çalışması arzu edildiğinden hem de sağlayacağı düşük maliyet ve düşük hacim avantajları da göz önünde bulundurularak, LLC rezonans dönüştürücü topolojisi tercih edilmiştir.
Bu tezde, iki yönlü güç akışı için faz kaydırmalı modülasyon (PSM), geniş bir gerilim çevrim oranı aralığında ve hafif yüklerde yumuşak anahtarlamayı gerçekleştirmek için değişken frekans modülasyonu (VFM) ve reaktif sirkülasyon akımını azaltmak için darbe genişlik modülasyonu (PWM) kullanılarak iki yönlü üç seviyeli T-tipi LLC rezonans DA-DA dönüştürücü tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Üç modülasyon yönteminin birleşimi olan bu çalışmada, dikey kollarındaki anahtarların çalışma oranı, primer ve sekonder anahtarlar arasındaki faz kaydırma oranı ve anahtarlama frekansı; gerilim çevrim oranına ve yüke bağlı olarak değiştirilir. Kontrol edilen parametrelerin sayıca artması literatürde serbestlik derecesinin (DOF) sayıca artışı olarak adlandırılmaktadır. Bu artış dönüştürücünün performansını önemli ölçüde iyileştirmekte; Karekök ortalama kare (RMS) akım değerini düşürmekte, geri yönlü sirkülasyon akış gücünü azaltmakta ve yumuşak anahtarlama aralığını genişletmektedir. Sonuç olarak, bu iyileştirmeler, dönüştürücünün genel verimliliğini ve güvenilirliğini artırırken, anahtarlama ve iletim kayıplarını azaltmaktadır. Bununla birlikte, DOF sayısındaki artış, kontrol karmaşıklığını ve işlem sayısını da artırmaktadır. Bu çalışmada önerilen topoloji, yarım köprü yapısı nedeniyle en fazla dört DOF modülasyon yöntemi ile kontrol edilebilir. Dört DOF modülasyon yönteminde, transformatörün primer ve sekonder taraflarında yer alan dikey kollardaki anahtarların çalışma oranları farklı olduğundan kompleks hesaplamalar gerekir. Ancak bu çalışmada, pratiklik ve işlem kolaylığı açısından, dikey kollardaki çalışma oranları eşit olarak belirlenmiştir. Klasik 3-DOF kontrol yöntemlerinden farklı olarak, bu çalışmada önerilen 3-DOF modülasyonu; anahtarlama frekansı, faz kaydırma oranı ve dikey kollardaki çalışma oranı gibi parametreler kullanılarak geliştirilmiş ve ilk kez iki yönlü bir DA-DA dönüştürücüde uygulanmıştır. Önerilen modülasyon yöntemi sayesinde, LLC rezonanslı dönüştürücü, klasik sadece faz kaydırmalı (SPS) yönteminin aksine, hafif yük koşulları ve düşük gerilim çevrim oranları altında bile ZVS bölgesinde yüksek verimlilikle çalışabilir duruma getirilmiştir. Bu modülasyon yöntemi, %30 yük ile tam yük arasında yumuşak anahtarlama bölgesinde kalmasını sağlamak amacıyla, yük azaldıkça anahtarlama frekansının artırılması ile gerçekleştirilir. Anahtarlama frekansındaki değişimlere bağlı olarak faz kaydırma oranı ve dikey kollardaki anahtarların çalışma oranları belirlenmiştir. Önerilen LLC rezonans topolojisi; ileri yönlü güç akışında LLC rezonans, geri yönlü güç akışında ise seri rezonanslı devre olarak çalışır. Bu nedenle tez içeriğinde, sürekli akım modunda çalışan dönüştürücünün hem LLC hem de seri rezonans devre hesaplamalarına ilişkin teorik analizler sunulmuştur. Bu çalışmada, seri rezonans tankındaki empedans değerine kıyasla mıknatıslanma endüktansı daha yüksek değerde alınarak, transformatörün primer ve sekonder uçlarındaki devre akımlarının RMS değerlerinin birbirine yakın olması sağlanmıştır. Bu yaklaşım, kontrol parametrelerinin hem ileri yönlü güç akışı hem de geri yönlü güç akışı operasyonlarında birbirine benzer değerler almasına olanak sağlamıştır. Ancak, tasarımcı mıknatıslanma endüktansını düşük bir değerde seçerse, geri yönlü güç akışı için ayrıca teorik hesaplamaların yapılması gerekecektir. Tez içeriğinde, ileri ve geri yön güç akışı için detaylı teorik hesaplamalar ve ZVS analizleri sunulmuştur.
İki yönlü izole DA-DA dönüştürücülerin teorik analizleri, zaman domeni analizi (TDA) ve frekans domeni analizi (FDA) yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilir. TDA yönteminde her bir çalışma modunun eşdeğer devre modeli kullanılarak durum denklemleri formüle edilir. Bu yöntem, özellikle serbestlik derecesi (DOF) sayısının yüksek olduğu durumlarda ve anahtarlama elemanlarının jonksiyon kapasitesi ile ölü zaman parametrelerinin dikkate alınması gerektiğinde, FDA'ya kıyasla daha karmaşık hesaplamalar gerektirir. Öte yandan, FDA yöntemi, yüksek frekanslı gerilim ve akımın Fourier dönüşümü kullanılarak yapılır. FDA yönteminin basitleştirilmiş bir formu olan temel harmonik analizi (FHA), sadece birinci harmonik bileşeni hesaba katarak gerçekleştirilir. Ancak, bu yaklaşım, DOF sayısının artması durumunda, kontrol parametrelerinin değerlerini gerçek uygulama koşullarında istenilen doğruluk seviyesinde elde etmeyi zorlaştırmaktadır. Bu sebeple, FHA analizi ile elde edilen kontrol parametrelerinin değerleri, pratik uygulamalarda beklenen sonuçlardan önemli ölçüde farklılık gösterebilir. Bu çalışmada, teorik analizin basitliğini ve doğruluğunu dikkate alarak, normalize edilmiş değerler içeren basitleştirilmiş frekans analizi tercih edilmiştir. Tez kapsamındaki teorik hesaplamalarda, iki yönlü dönüştürücülerde, tüm harmonikleri içeren basitleştirilmiş frekans domeni analizi literatürde ilk kez uygulanmış ve belirlenen ZVS bölgesinde önerilen dönüştürücü yüksek verimlilikte çalıştırılmıştır. Frekans domeni analizi ile bulunan eşitliklerden kontrol parametrelerini elde etmek için Newton-Raphson metodu kullanılmıştır. Hesaplamalarda 99. harmonikten sonra kontrol parametrelerinde bir değişim olmadığı için analizde ilk 99 harmonik dikkate alınmıştır. Bu analiz kapsamında, teorik hesaplamalarla elde edilen kontrol parametreleri, deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmada, hata oranının oldukça düşük olduğu tespit edilmiştir. Önerilen tasarıma ilişkin akım, gerilim ve güç formülleri türetilmiş, kontrol parametreleri ve ZVS çalışma bölgesi analizi yapılmıştır. ZVS çalışma bölgesinin çok daha doğru bir şekilde tespit edilebilmesi için MOSFET'in jonksiyon kapasitesi ve ölü zaman parametreleri hesaplamalara dahil edilerek detaylı bir yumuşak anahtarlama analizi gerçekleştirilmiştir.
Önerilen 3-DOF kontrol yöntemi ile LLC rezonans dönüştürücü topolojisi; 400 V giriş gerilimi ve 180-400 V aralığında değişken çıkış gerilimine sahip, maksimum 2 kW güç kapasitesine ulaşan bir prototip üzerinde test edilmiş ve doğrulanmıştır. Deneysel çalışmada, ileri ve geri yönlü güç akışı için anahtarlama frekansı ve çalışma oranına ilişkin parametreler, tez çalışmasında yapılan teorik analizde üretilen eşitliklerden elde edilmiştir. Hem teorik hem de deneysel çalışmadan elde edilen faz kaydırma oranının derece cinsinden değeri birbirleri ile karşılaştırılmış ve hata oranı hesaplanmıştır. Deneysel çalışma, sıcaklık ve parazittik devre elemanları gibi çeşitli faktörleri içermesine rağmen, hata oranı % 3,5'in altında gerçekleşmiştir. Dönüştürücünün verim analizinde % 30 yük durumunda, klasik SPS modülasyonuna sahip T-tipi dönüştürücüye kıyasla % 3,87 oranında bir verim artışı sağlanmıştır. Tam yük altında ise bu artış, aynı tür dönüştürücüye göre % 1,1 olarak ölçülmüştür. Elde edilen verim değerleri, literatürde yer alan benzer modülasyon ve yapıya sahip diğer iki yönlü rezonans dönüştürücüler ile karşılaştırılmıştır. Gerilim çevrim oranı M=1 olduğunda tam yükte ve % 40 yük durumlarında karşılaştırılan diğer iki yönlü rezonans dönüştürücülere göre uygulanan topoloji ve kontrol yöntemi sayesinde dönüştürücünün yaklaşık % 2 ile % 4 arasında bir verim artışı sağlandığı görülmektedir. Tez içeriğinde farklı gerilim çevrim oranı ve yük durumları için anahtarlama ve iletim kaybı analizi de yapılmıştır. Ayrıca, düşük gerilim çevrim oranları ve düşük güç seviyelerinde de devrenin performansı test edilmiştir. Önerilen yaklaşımda 3-DOF modülasyon yöntemi ile LLC topolojisinin birlikte kullanılarak, geniş bir gerilim çevrim oranı aralığında yüksek verimlilikle çalışma imkânı sağlanmıştır. Gerilim çevrim oranı 0,45 iken, 405 W çıkış gücü için en düşük verim % 94,15 olarak ölçülmüştür. En yüksek verim ise, geri yönlü güç akışında % 50 yük koşulunda % 97,4 olarak ölçülmüştür.

Abstract:
The rapid development of renewable energy sources, battery storage systems, direct current (DC) grids, and electric vehicles has increased interest in bidirectional DC-DC converters. These converters typically function as an interface facilitating power transfer between a high-voltage DC bus, often fed by renewable energy sources, and a low-voltage DC bus to which energy storage devices are connected. In most of these applications, bidirectional power flow between the two DC buses is required, with a wide voltage conversion ratio and high efficiency at light loads, which remains a challenging aspect in designing and modulating bidirectional DC-DC converters. 
In the field of bidirectional DC-DC converters, the use of three-level topologies is increasingly prevalent. Compared to two-level topologies, these three-level topologies maintain lower voltage stress on the switching elements, thereby reducing losses during switching. Three-level topologies are categorized mainly into two types: I-type and T-type. The switch combination of the T-type topology offers higher reliability compared to the I-type topology. The primary reason for this is the absence of two additional diodes in the T-type topology, which are present in the I-type. This absence shortens the current path in the T-type, reducing conduction losses. Furthermore, the T-type topology requires fewer switching elements than the I-type topology, making it more cost-effective. In this study, the three-level T-type topology is employed due to its lower cost, higher reliability, and reduced losses compared to two-level topologies and three-level I-type topology.
Bidirectional isolated LLC resonant DC-DC converters, particularly in terms of buck-boost capability, narrow switching frequency variation range, and wide Zero Voltage Switching (ZVS) operating range, outperform series resonant converters. However, when operating in reverse power flow, this topology still functions as a traditional series resonant converter and lacks symmetric operation. To address this lack of symmetric operation, a bidirectional CLLC resonant converter is proposed. However, the added resonant tank increases the converter's cost and size and reduces the voltage conversion ratio range compared to the traditional LLC resonant converter. In this study, the LLC resonant converter topology is preferred due to its desired wide ZVS operating range and high voltage conversion ratio, as well as the advantages of low cost and compact size.
In this thesis, a bidirectional three-level T-type LLC resonant DC-DC converter has been designed and implemented using phase-shift modulation (PSM) for bidirectional power flow, variable frequency modulation (VFM) to achieve soft switching over a wide voltage conversion ratio range and under light loads, and pulse-width modulation (PWM) to reduce reactive circulating current. This work combines three modulation methods, where the duty cycle of the switches in the vertical legs, the phase shift ratio between primary and secondary switches, and the switching frequency are varied depending on the voltage conversion ratio and load. The increase in the number of controlled parameters is referred to in the literature as an increase in the number of degrees of freedom (DOF). This increase significantly enhances the converter's performance; it reduces the root mean square (RMS) current, decreases the reverse circulating power flow, and extends the soft-switching range. Consequently, these improvements increase the overall efficiency and reliability of the converter while reducing switching and conduction losses. However, each increase in the number of DOFs also increases control complexity and computational effort. In the proposed topology of this study, due to its half-bridge structure, it can be controlled with a maximum of four DOF modulation methods. In the four DOF modulation approach, complex calculations are required since the duty cycles of the switches in the vertical legs on the primary and secondary sides of the transformer are different. However, for practicality and ease of processing in this study, the duty cycles in the vertical legs have been set to be equal. Unlike classic 3-DOF control methods, the proposed 3-DOF modulation in this study; developed using parameters such as switching frequency, phase shift ratio, and duty cycle in the vertical legs, and applied for the first time in a bidirectional DC-DC converter. Thanks to the proposed modulation method, the LLC resonant converter can operate with high efficiency in the ZVS region under low load conditions and low voltage conversion ratios, unlike the classic single-phase-shift (SPS) method. This modulation method is achieved by increasing the switching frequency as the load decreases, with the intention of remaining in the soft-switching region between 30% load and full load. The phase shift ratio and the duty cycles of the switches in the vertical legs have been determined based on the changes in the switching frequency. The proposed LLC resonant topology operates as an LLC resonant circuit in forward power flow and as a series resonant circuit in reverse power flow. Therefore, the thesis presents theoretical analyses related to both LLC and series resonant circuit calculations for the converter operating in continuous current mode. In this study, by choosing a magnetizing inductance value higher than the impedance value in the series resonant tank, it has been ensured that the RMS values of the circuit currents at the primary and secondary ends of the transformer are close to each other. This approach has allowed the control parameters to take similar values in both forward and reverse power flow operations. However, if the designer chooses a lower value for the magnetizing inductance, separate theoretical calculations will be required for reverse power flow. The thesis provides detailed theoretical calculations and ZVS analyses for both forward and reverse power flows.
The theoretical analyses of bidirectional isolated DC-DC converters are performed using time domain analysis (TDA) and frequency domain analysis (FDA) methods. In the TDA method, state equations are formulated using equivalent circuit models for each operating mode. This method requires more complex calculations than FDA, especially in cases with a high number of degrees of freedom (DOF) and when considering parameters like the junction capacitance of switching elements and dead time. On the other hand, FDA involves the use of Fourier transform for high-frequency voltage and current analysis. A simplified form of FDA, known as fundamental harmonic analysis (FHA), considers only the first harmonic component. However, this approach becomes challenging in accurately determining control parameter values under real application conditions, especially with an increase in the number of DOFs. Therefore, control parameter values obtained through FHA can significantly differ from expected results in practical applications. In this study, a simplified frequency analysis containing normalized values was preferred for its simplicity and accuracy. For the first time in the literature, this study applies simplified frequency domain analysis encompassing all harmonics in bidirectional converters, operating the proposed converter efficiently within the determined ZVS region. The Newton-Raphson method was used to derive control parameters from the equations found in frequency domain analysis. Considering that no significant changes in control parameters occurred beyond the 99th harmonic, the analysis included up to the first 99 harmonics. Theoretically calculated control parameters were compared with experimental results, showing a remarkably low error rate. Formulas for current, voltage, and power were derived for the proposed design, along with analysis of control parameters and the ZVS operating region. For a more accurate determination of the ZVS operating region, a detailed soft-switching analysis was performed, incorporating the MOSFET's junction capacitance and dead time parameters.
The proposed 3-DOF control method with LLC resonant converter topology was tested and validated on a prototype capable of 400V input voltage and a variable output voltage range of 180-400V, with a maximum power capacity of 2kW. In the experimental study, parameters such as switching frequency and duty cycle for forward and reverse power flow were derived from equations produced in the theoretical analysis of the thesis. The degree value of the phase shift ratio obtained from both theoretical and experimental studies was compared, and the error rate was calculated. Despite various factors like temperature and parasitic circuit elements in the experimental study, the error rate was found to be below 3.5%. In efficiency analysis of the converter, an efficiency increase of 3.87% was achieved under 30% load conditions compared to a classic SPS-modulated T-type converter. Under full load, this increase was measured at 1.1% compared to the same type of converter. The obtained efficiency values were compared with other bidirectional resonant converters with similar modulation and structures in the literature. It was observed that the applied topology and control method resulted in an efficiency improvement of approximately 2-4% when compared with other bidirectional resonant converters at full load and 40% load conditions with a voltage conversion ratio M=1. The thesis also includes switching and conduction loss analyses for different voltage conversion ratios and load conditions. Additionally, the circuit's performance at low voltage conversion ratios and power levels was tested. The proposed approach with the 3-DOF modulation method combined with the LLC topology enabled high-efficiency operation over a wide voltage conversion ratio range. At a voltage conversion ratio of 0.45, the minimum efficiency measured for 405W output power was 94.15%. The highest efficiency, measured in reverse power flow at 50% load condition, was 97.4%.