Birim güç katsayılı ve sıfır-gerilim-geçişli yeni bir sarmaşık yükselten dönüştürücünün tasarımı ve gerçeklenmesi
Design and implementation of a new unity power factor interleaved boost converter with zero-voltage-transition
Yazar: NACİ GENÇ
Danışman: DOÇ. DR. İRES İSKENDER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
EN-61000-3-2 gibi uluslararası kuruluşlar tarafından getirtilen standartları karşılamak için bir çok güç katsayısı düzeltme (GKD) devresi geliştirilmiştir. GKD yöntemi doğrusal olmayan yükler tarafından üretilen şebeke akım harmoniklerini düzenler. Sürekli iletim modlu (SİM) yükselten tip devre basit yapıya, yüksek güç yoğunluğuna, hızlı geçici tepkiye ve sürekli akım moduna sahip olduğu için bir çok alternatif devre içerisinde GKD ön düzenleyici olarak tercih edilir. Orta ve yüksek güç uygulamalarında çıkış gücünü arttırmak ve giriş akım dalgacık oranını düşürmek için sarmaşık (faz farklı paralel) yükselten GKD devreleri önerilmektedir.Küçük boyutlu GKD dönüştürücü elde etmek için anahtarlama frekansı yükseltilir. Fakat, yüksek anahtarlama frekansı sert anahtarlamalı devrelerde, anahtarlama kayıplarının artmasına ve yüksek boyutlu elektromanyetik girişim (EMI) süzgeç gereksinimine neden olur. Yükselten dönüştürücülerin anahtarlama kayıplarını azaltmak için kullanılan pasif yardımcı devrelerin en temel problemi, güç anahtarları üzerinde yüksek gerilim streslerine yol açması ve dönüştürücünün boyutunu ciddi oranda arttırmasıdır. Pasif yardımcı devrelerin dezavantajlarını içermeyen, yükselten ve sarmaşık yükselten devrelerin anahtarlama kayıplarını azaltmak için aktif yardımcı devreler de geliştirilmiştir. Sıfır-gerilim-geçişli (SGG) aktif yumuşak anahtarlama yöntemi gerilim ve akım stresi oluşturmadan, bir dönüştürücünün ana anahtarlarının açma (ON) sürelerinde mükemmel bir anahtarlama sağlar. Güç MOSFET anahtarlarının kesim (OFF) süresindeki kayıpları açma (ON) süresindeki kayba göre çok düşük olduğundan, SGG aktif yardımcı devrelerin MOSFET içerikli dönüştürücülere uygulanması oldukça uygundur.Bu çalışmada, yumuşak anahtarlamalı ve birim güç katsayılı, iki güç katı içeren sarmaşık yükselten devre geliştirilmiş ve incelenmiştir. Dönüştürücüde yüksek maliyete ve karmaşıklığa yol açmadan geliştirilen yardımcı devre sadece bir aktif anahtar ve az sayıda pasif devre elemanı içermektedir. Bu yardımcı devrenin en büyük avantajı, devredeki ana anahtarlarda SGG koşulu sağlanırken yardımcı devredeki anahtar ve diyotlarda da yumuşak anahtarlama sağlanmaktadır. Dönüştürücüdeki bütün anahtarlar yumuşak anahtarlama ile anahtarlanırken, her hangi bir gerilim ve akım stresi oluşmamaktadır. Çalışmada, önerilen devrenin davranışını açıklayan geçiş durumları, bir anahtarlama peryodu dahilinde analiz edilmiştir. Önerilen devrenin tasarımı yapıldıktan sonra Simplorer programı kullanılarak benzetim çalışmaları yapılmıştır. Daha sonra önerilen devrenin DSP tabanlı ortalama akım kontrollü prototipi tamamlanarak deneysel çalışma sonuçları kaydedilmiştir. Önerilen SGG sarmaşık yükselten GKD devresinin eşdeğeri olan sert anahtarlamalı devrenin de deneysel çalışmaları yapılarak verim karşılaştırması yapılmıştır. Sonuçlardan, benzetim çalışma sonuçlarının ve deneysel çalışma sonuçlarının uyumlu olduğu ve önerilen yumuşak anahtarlama tekniğinin sarmaşık yükselten GKD devresinin verimini %2 civarında arttırdığı görülmüştür.

Abstract:
Several active power factor correction (PFC) techniques have been developed to satisfy international standards such as EN-61000-3-2. The PFC technique reduces current harmonics in utility systems produced by nonlinear loads. Among the different alternatives, the boost converter operating in continuous conduction mode (CCM) which has simple topology, high power density, fast transient response and continuous input current has been widely adopted as a front-end PFC preregulator. In medium and high power applications, interleaved boost PFC converters have been proposed to increase the output power and to reduce the input current ripple.The switching frequency is increased to design a PFC converter with lower volume. However, higher switching frequency causes increase in switching losses and a serious electromagnetic interference (EMI) problem in hard switched PWM converters. The main problem of passive auxiliary circuits which have been proposed to minimize switching losses of the boost converters is that the voltage stresses on the power switches are too high and the converter is bulky. Active auxiliary snubbers are also developed to reduce switching losses of boost and interleaved boost converters without having the disadvantages of passive auxiliary circuits. The Zero voltage transition (ZVT) active technique provides basically a perfect turn on process for the main switches of a converter without voltage and current stresses. Since the turn off loss of MOSFETs is very low compared to the turn on loss, using MOSFETs in a converter with ZVT auxiliary circuit is more suitable.In this study, an improved soft switched two-cell interleaved boost AC/DC converter with high power factor is proposed and investigated. The proposed auxiliary circuit is implemented using only one auxiliary switch and a minimum number of passive components without an important increase in the cost and complexity of the converter. The main advantage of this auxiliary circuit is that it not only provides ZVT for the main switches but also provides soft switching for the auxiliary switch and diodes. Though all semiconductor devices operate under soft switching, they do not have any additional voltage and current stresses. In the study, the transition modes for describing the behavior of the proposed converter in one switching period are described. After designing the proposed topology, the simulation studies have been done via Simplorer software. A prototype of the proposed converter with DSP based average current control mode controlled has been done and experimental results are recorded. In addition, the experimental studies of the hard switched interleaved boost PFC converter have been done and efficiencies of the converters are compared. From the results, it is seen that the simulation and experimental results are in good agreement and the proposed soft switching technique improves the efficiency of the interleaved boost PFC converter around 2%.