Yüksek verimli 22kW iki anahtarlı alçaltıcı-yükseltici çevirici tasarımı
Design of 22kW two switch buck boost converter with high efficiency
Yazar: ABDULLAH KARAÇOBAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, redresörün hem yükü hem de aküyü aynı anda beslerken uyguladığı yüksek akü şarj gerilimini ve akünün yükü beslerken zamanla azalan gerilimini yüke uygulanabilir bir seviyede tutmak amacıyla, 180V ile 300V arası giriş geriliminde 220V çıkış gerilimini %± 1 tolerans ile sağlayan yüksek verimli 22kW gücünde bir alçaltıcı yükseltici çevirici devresi tasarlanmıştır. 
Topoloji olarak, endüktans, IGBT, diyot ve kondansatör gibi aktif ve pasif devre elemanları üzerinde oluşan gerilim ve akım yoğunluğunun düşük olması nedeniyle daha düşük nominal değerlere sahip devre elemanları kullanılmasına olanak sağlaması, çıkışından elde edilen gerilimin pozitif olması, benzer amaçla kullanılan diğer yapılara kıyasla daha az devre elemanı içermesi nedeniyle kayıpların daha az olması ve dolayısıyla daha yüksek verim değerlerine sahip olması nedeniyle proje kapsamında iki anahtarlı Alçaltıcı Yükseltici Çevirici yapısı tercih edilmiştir. Hedeflenen elektriksel değerleri minimum maliyetle sağlayacak, optimum devre eleman değerleri (IGBT, Diyot, Kondansatör, Endüktans) hesaplanmıştır. Hesaplanan devre eleman değerlerinin hedeflenen elektriksel değerleri sağlayıp sağlamadığını kontrol etmek amacıyla "MATLAB SIMULINK" programından faydalanılarak açık devre simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonda, 180V ile 300V giriş gerilim değerleri arasında farklı gerilim ve yüklenme durumları için elektriksel değerler gözlemlenmiş ve hesaplanan devre elemanı değerlerinin yeterli olduğu anlaşılmıştır. 
Devrenin açık çevrim çalışması tamamlandıktan sonra, kapalı çevrim çalışmasını sağlayacak kontrolör tasarımına geçilmiştir. Devrenin kontrolünde, alçaltıcı ve yükseltici çalışma modları için iki ayrı DGM yapısı kullanılacağından dolayı, bu her iki mod için ayrı ayrı durum uzay denklemleri çıkartılmış, ortalamaları alınmış ve gerekli sadeleştirmeler yapılarak durum uzay modelleri elde edilmiştir. Elde edilen bu uzay modellerin Laplace dönüşümleri yapılarak alçaltıcı ve yükseltici modları için iki ayrı transfer fonksiyonu elde edilmiştir. Elde edilen transfer fonksiyonları, "MATLAB SIMULINK" programı vasıtasıyla kurulan birim basamak girişli basit bir kapalı çevrim devre üzerinde modellenmiştir. Modellenen devreler üzerinden, Matlab'in "PID Tuner" aracı kullanılarak, yükselme süresi, oturma süresi ve aşım değerleri kabul edilebilir sınırlar içerisinde kalacak şekilde, alçaltıcı ve yükseltici çalışma modları için iki ayrı PID katsayıları elde edilmiştir. Tasarlanan PID kontrolörün hesaplanan devre elemanları ile birlikte çalışırken istenen elektriksel değerleri sağlayıp sağlamadığını gözlemlemek amacıyla "MATLAB SIMULINK" üzerinde kapalı çevrim simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonda, 180V ve 300V arası değişen gerilim değerleri altında, farklı yük varyasyonları ile yüklenerek çıkış gerilim, çıkış akım, çıkış gerilim dalgalanması ve sistemin dinamik cevabı (dynamic response) gibi elektriksel değerler gözlemlenmiş ve tasarlanan PID kontrolörlerin, hem alçaltıcı hem de yükseltici modlarında, istenen elektriksel değerleri sağladığı belirlenmiştir.
Teorik tasarımı tamamlanan devrenin çalışması için gerekli olan Güç ve Kontrol devrelerinin tasarımı yapılmıştır. Güç devresi tarafında, hesaplanan minimum devre elemanı değerlerine ve belirlenen iki anahtarlı alçaltıcı yükseltici çevirici topolojisine göre bir devre kurulmuştur. Kontrol devresi tarafında ise, çevirici yapısında bulunan kartların beslemesi (5V) ve IGBT sürücü modülünün beslemesi (15V) gibi iç beslemelerin elde edilmesi için bir besleme kartı, çeviricinin girişindeki gerilim değerine göre, çıkışta istenen gerilim değerinin oluşabilmesi için gerekli parametrelerin belirlenip, IGBT sürücü devresine iletilmesini sağlayan bir kontrol kartı ve istenen çıkış gerilimini elde etmek için gerekli DGM'i üreten ve anahtarlama işleminin gerçekleştirilmesini sağlayan bir IGBT sürücü devresi tasarlanmıştır. Tüm donanımsal süreçler tamamlandıktan sonra tasarlanan alçaltıcı yükseltici çeviricinin çalışma prensibine göre bir yazılım algoritması oluşturulmuştur. Bu yazılım algoritmasına göre C++ yazılım dilinde bir kod yazılmış ve hesaplanan PID kontrolör katsayıları bu kod ile entegre edilmiştir. Kontrol BDK üzerinde bulunan PIC, 18F2331, PID katsayıları ile entegre edilen koda göre programlanmıştır. Bu PIC ile birlikte hem donanımsal hem de yazılımsal olarak devre prototip kurulumu tamamlanmıştır.
Kurulan prototip üzerinde, 180V ile 300V giriş gerilim değerleri arasında farklı gerilim ve yüklenme durumları için çıkış gerilim, çıkış akım, çıkış gerilim dalgalanması, sistemin dinamik cevabı (dynamic response), verim ve sıcaklık testleri yapılmıştır. Bu testler sonucunda, tasarlanan çevirici devresinin 180V ile 300V giriş gerilim ve %0 ile %97 yük değerleri arasında, 220V çıkış gerilimini alçaltıcı modunda maksimum 0.7V (%0.32) dalgalanma ile yükseltici modunda ise maksimum 1.9V (%0.86) dalgalanma ile sağladığı, bu değerleri sağlarken çeviricinin verim değerlerinin %99 ile %97 arasında değiştiği gözlemlenmiştir. Ölçülen verim değerlerinin doğruluğunu desteklemek için, alçaltıcı yükseltici çeviricideki her bir devre elemanına ait kayıplar, hem alçaltıcı hem de yükseltici çalışma modları için teorik olarak hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar sonucunda çevirici alçaltıcı modunda 300V giriş gerilimi ile tam yükte (97A) çalışırken oluşan kayıp 518W (%97.63 verim) olarak bulunurken, yükseltici modunda 180V giriş gerilimi ile tam yükte (97A) çalışırken oluşan kayıp ise 695W (%96.85 verim) olarak bulunmuştur. Ayrıca giriş ve çıkış gerilim ve akım değerlerini ölçmek için kullanılan ölçüm cihazlarının hata payları dikkate alınarak ölçüm hataları hesaplanmıştır.

Abstract:
In this study, in order to keep the high battery charge voltage applied by the rectifier while feeding both the load and the battery at the same time and the voltage decreasing over time while the battery is feeding the load at an acceptable level for the load, a high efficiency 22kW buck-boost converter that provides 220V output voltage with ± 1% tolerance at input voltage between 180V and 300V has been designed.
As a topology, allowing the use of components with lower nominal values due to the low voltage and current density on active and passive components such as inductance, IGBT, diode, and capacitor, obtaining the positive voltage from the output, containing the fewer components compared to other structures used for similar purposes and so having fewer losses and therefore higher efficiency values, the two switch Buck-Boost converter structure was preferred within the scope of this project. Optimum circuit element values (IGBT, Diode, Capacitor, Inductance) have been calculated to provide the targeted electrical values with minimum cost in the worst cases. In order to check whether the calculated circuit element values provide the targeted electrical values, an open circuit simulation was carried out on "MATLAB SIMULINK". In this simulation, electrical values such as input voltage, input current, output voltage, output current, output voltage ripple were observed for different voltage and load situations between 180V and 300V input voltage values. In addition to these observations, dynamic responses of the system from 100% load to %0 load and %0 load to 100% load were observed. And after all these observations were completed, it was understood that all the calculated component values were sufficient for both buck and boost working modes.
After the open-loop operation of the circuit is completed, the controller design that will enable the closed-loop operation has been designed. Since two separate PWM structures will be used for buck and boost operating modes in the control of the circuit, separate state-space equations for these two modes have been extracted, averaged, and state-space models have been obtained by making necessary simplifications. Laplace transformations of these space models were made and two different transfer functions were obtained for buck and boost modes. The obtained transfer functions are modeled on a simple closed-loop circuit with unit step inputs built on MATLAB SIMULINK. Using MATLAB's "PID Tuner" feature, two separate PID coefficients for buck and boost operating modes were obtained through the modeled circuits, so that the rise time, settling time, and overshoot values were within acceptable limits. These values were determined as 1.8ms, 6.05ms and 20% for buck mode and 7.2ms, 60.5ms, and 20% for boost mode respectively. The closed-loop simulation was carried out on MATLAB SIMULINK to observe whether the designed PID controller provides the desired electrical values when working with the calculated circuit elements. In this simulation, electrical values such as input voltage, input current, output voltage, output current, output voltage ripple were observed for different voltage and load conditions between 180V and 300V input voltage values. Also, dynamic responses of the system from 100% load to %0 load and %0 load to 100% load were observed. And, after all these observations were completed, it has been determined that the designed PID controllers provide the desired electrical values in both buck and boost working modes.
The power and control circuits required for the operation of the circuit whose theoretical design has been completed were designed. On the power circuit side, a circuit was built according to the minimum component values that have been calculated and the determined two-switch buck-boost converter topology. As component, 1 pcs 350V 3300 µF input capacitor, 2 pcs 650V 200A IGBTs, 2 pcs 650V 200A diodes, 1 pcs 750 µH inductance, 1 pcs 350V 3300 µF output capacitor and 1 pcs 400Ω 200W Dummy load have been used. In order to decrease the component costs, instead of 4 different components for 2 pcs IGBTs and 2 pcs diodes, 2 different IGBT Modules having 2 pcs IGBTs with freewheeling diode per each have been preferred. In each of them, one IGBT is used as a switching device, and the other IGBT is used as a diode (thanks to parallel connected freewheeling diode on IGBT) by short circuiting the gate and emitter of IGBT.  On the control circuit side, 1 pcs supply PCB, 1 pcs control PCB and 1 pcs IGBT driver PCBs were designed. Supply PCB is used to obtain internal feeds such as the supply of the cards in the converter structure (5V) and the supply of the IGBT Driver Module (15V). Structure of Supply PCB basically consists of a simple Push-Pull converter, a 400Hz transformer, and 5 simple bridge rectifiers. Control PCB provides the necessary parameters to be determined and transmitted to the IGBT driver circuit in order to create the desired voltage value at the output according to the voltage value at the input of the converter. IGBT driver PCB generates the necessary PWM and enables the switching operation to achieve the desired output voltage were designed. The structure of the IGBT driver PCB basically consists of 2 pcs IGBT driver modules (M57962CL) and 2 pcs IGBT driver module power supplies (M57145L) since two separate PWM structures will be used for buck and boost operating modes. By making all physical connections in the power circuit, control circuit, and between these power and control circuits, the physical installation of the designed buck boost converter has been completed. After completing all hardware processes, a software algorithm was created according to the working principle of the designed buck boost converter. And, a code was written in C++ software language according to this software algorithm. The calculated PID controller coefficients were integrated with this code. The PIC, 18F2331, which is on the control PCB has been programmed based on the code that was integrated with PID coefficients. Thanks to this PIC, the circuit prototype setup has been completed in terms of both hardware and software.
On the prototype, electrical values such as input voltage, input current, output voltage, output current, output voltage ripple, efficiency, and temperature were observed for different voltage and load situations between 180V and 300V input voltage values. Also, dynamic responses of the system from 100% load to %0 load and %0 load to 100% load were observed for both buck and boost working modes. As a result of all these measurements, it has been observed that the designed buck boost converter circuit provides 220V output voltage with a maximum 0.7V ripple (means 0.32% of output voltage) in buck mode and a maximum 1.9V ripple (means 0.86% of output voltage) in boost mode in case of the input voltage between 180V and 300V and load values between 0% and 97%. Meanwhile, the efficiency values of the converter vary between 99% and 97% while providing these voltage values. In order to prove that the measured efficiency values are correct, the losses belong to each component in the buck boost converter were also calculated theoretically for both buck and boost working modes. As a result of this calculation, the loss in buck mode with 300V input voltage and full load (97A) was found to be 518W (means 97.63% efficiency), while the loss in boost mode with 180V input voltage and full load (97A) was found to be 695W (means 96.85% efficiency). Also, by considering the uncertainty of the measurement devices that were used to measure the input and output voltage and current values, measurement errors were calculated.