Yüksek doluluk oranlı ve yüksek verimli tek fazlı ve tek aşamalı bir izoleli güç faktörü düzeltme devresinin tasarımı
Design of a high duty cycle and high efficiency single phase and single stage isolated power factor correction circuit
Yazar: IŞILAY BALCI
Danışman: PROF. 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

Özet:
Son yıllarda teknolojideki gelişmeler ile toplum refahındaki artış beraberinde enerjiye olan talebi de arttırmıştır. Bu durum, enerjinin nasıl daha verimli ve kaliteli kullanılabileceği konularını gündeme getirmektedir. LED sürücü devreleri, kesintisiz güç kaynakları, kaynak makinaları vb. lineer olmayan alıcılar şebekede harmonikler oluşturmaktadır. Şebekede oluşan harmonikler ve Elektromanyetik Girişim (EMI), kontrol sistemleri ile bilgisayarlar gibi hassas cihazlarda bozulmalara neden olmaktadır. Bu nedenle enerjinin kaliteli ve yüksek verimle kullanılması önem kazanmaktadır. Kaliteli enerji için ulusal ve uluslararası düzeyde birçok kısıtlamalar ve standartlar geliştirilmiştir. Yüksek Güç Faktörü (PF) ve düşük Toplam Harmonik Distorsiyon (THD) sağlayan, standartlara uygun cihazlar üretmek amacıyla Güç Faktörü Düzeltme (PFC) devreleri kullanılmaktadır. PFC devreleri üzerine endüstriyel ve akademik alanda çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Güç faktörü,  pasif ve aktif filtreler kullanılarak düzeltilebilmektedir. Yarı iletken teknolojisi ve güç elektroniği alanındaki gelişmelerle birlikte yapılan çalışmalar, pasif ve aktif filtreler yerine yüksek frekanslı, basit yapılı ve kolay kontrolü AC-DC dönüştürücü tabanlı PFC devreleri üzerinde yoğunlaşmaktadır. PFC devreleri, temelde iki aşamalı ve tek aşamalı olmak üzere iki ayrı grupta incelenir. Genellikle yüksek güçlü uygulamalarda iki aşamalı devreler ve Sürekli Akım Modlu (CCM) çalışma tercih edilmektedir. Düşük güçlü uygulamalarda ise tek aşamalı devreler ve Kesintili Akım Modlu (DCM) çalışma kullanılmaktadır. Aynı zamanda devrelerde yarı iletken elemanlarda oluşan kayıpları elimine etmek, üzerlerinde gerilim ve akım streslerinin oluşmasını önlemek amacıyla bastırma hücreleri tasarlanmaktadır.
Bu çalışmada, Yüksek Doluluk Oranlı ve Yüksek Verimli Tek Fazlı ve Tek Aşamalı Bir İzoleli Güç Faktörü Düzeltme Devresi sunulmuştur. PFC işlemini gerçekleştirmek amacıyla düşürücü-yükseltici (Buck-Boost) dönüştürücü ile izolasyon ve çıkış gerilim regülasyonunu sağlamak amacıyla ileri yönlü (Forward) dönüştürücünün kombinasyonu kullanılmıştır. Devrede tek güç anahtarı ve tek kontrol çevrimi bulunmaktadır. Bir rezonanslı pasif bastırma hücresiyle, devrede yarı iletken güç elemanlarının yumuşak anahtarlama ile çalışması sağlanmış ve frekans arttırılmıştır. Önerilen devrenin detaylı teorik analizi verilmiştir ve PSIM simülasyon programıyla benzetimi yapılmıştır.

Abstract:
In recent years, the developments in technology and the increase in social welfare have increased the demand for energy. This raises the issue of how energy can be used more efficiently and with high quality. LED driver circuits, uninterruptible power supplies, welding machines, etc. non-linear receivers generate harmonics in the network. Harmonics and Electromagnetic Interference (EMI) occurring in the network cause deterioration in control systems and sensitive devices such as computers. For this reason, it is important to use energy with high quality and high efficiency. Many restrictions and standards have been developed at the national and international level for quality energy. Power Factor Correction (PFC) circuits are used to produce devices that comply with standards, providing high Power Factor (PF) and low Total Harmonic Distortion (THD). Various studies are carried out in the industrial and academic field on PFC circuits. The power factor can be corrected using passive and active filters. With the developments in semiconductor technology and power electronics, the studies focus on high frequency, simple structure and easy control AC-DC converter based PFC circuits instead of passive and active filters. PFC circuits are basically examined in two separate groups as two-stage and single-stage. Generally, two-stage circuits and Continuous Current Mode (CCM) operation are preferred in high power applications. In low-power applications, single-stage circuits and Intermittent Current Mode (DCM) operation are used. At the same time, suppressor cells are designed in order to eliminate the losses in the semiconductor elements in the circuits and to prevent the formation of voltage and current stresses on them.
In this study, a High Duty Cycle and High Efficiency Single Phase and Single Stage Isolated Power Factor Correction Circuit is presented. A combination of a buck-boost converter and a forward converter is used to provide isolation and output voltage regulation to perform the PFC operation. The circuit has a single power switch and a single control loop. With a resonant passive suppression cell, soft switching of semiconductor power elements in the circuit is provided and the frequency is increased. Detailed theoretical analysis of the proposed circuit is given and simulated with the PSIM simulation program.