Güç elektroniği dönüştürücüsü için FPGA tabanlı gerçek zamanlı benzetim sisteminin geliştirilmesi
Development of FPGA based real-time simulation system for power electronics converter
Yazar: ENVER ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET DEMİRTAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Güç dönüşüm sistemleri havacılık, yenilenebilir enerji, otomotiv, elektrikli araçlar vb. gibi çeşitli endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu kullanımın yaygınlaşması ile beraber yeni tasarımlara ihtiyaç duyulmuştur. Tasarım aşamasında dönüştürücü devrelerinin gerçekleştirilme süreleri ve sistem maliyetleri artmaktadır. Bu ihtiyaçlardan dolayı da gerçek zamanlı simülasyonların kullanımı büyük avantajlar sağlamaktadır. Güç elektroniği dönüştürücülerinin tasarımı ve uygulamasının gerçek zamanlı simülasyonu, dijital kontrolörlerinin ve sistemin ilk gerçekçi doğrulamasını sağlar. Gerçek zamanlı benzetim (GZB) sisteminin tasarımında doğruluk düzeyinin artırılması, hesaplama süreleri ve sayısal işlem yükleri ile ilişkili olduğundan yüksek işlem hızına sahip dijital yapılar kullanılmalıdır. Bu tez çalışmasında, geleneksel bir DC-DC yükseltici dönüştürücünün tasarım aşamasında; kart basılmadan önce oluşabilecek problemleri gözlemlemek, tasarımın ucuz, esnek, hızlı ve güvenilir bir şekilde olabilmesi için gerçek zamanlı bir simülasyon FPGA tabanlı olarak gerçekleştirilmiştir. Sistemin FPGA ortamında gerçeklenmesi aşamasında, hesaplama kolaylığı ve sistem güncellemelerinin hızlı yapılabilmesi avantajlarıyla bilinen Geriye Euler yöntemi ve gerçek sonuçlara yakınlığı ile yüksek hassasiyet sağlayan Runge Kutta metodu kullanılmıştır. Bu doğrultuda, Geriye Euler ve Runge Kutta yöntemlerini kullanarak bir yükseltici dönüştürücü devresindeki elemanların dinamik davranışları incelenmiş ve sistem tasarımı optimize edilmiştir. FPGA üzerindeki sayısal hesaplamalar, kaynak kullanımını optimize etmek ve güç tüketimini azaltmak amacıyla, gerçek sayılar yerine tam sayılar kullanılarak sabit nokta aritmetiği ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın karşılaştırılabilmesi için MATLAB ortamında da tasarım yapılmış ve sonuçlar sunulmuştur. Karşılaştırma, önerilen GZB modelinin güç elektroniği dönüştürücülerinin gerçek zamanlı simülasyonlarına uygulanabilir olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Power conversion systems are widely used in various industrial applications such as aerospace, renewable energy, automotive, electric vehicles, etc. With this widespread use, new designs are needed. During the design phase, the realization times of converter circuits and system costs increase. Due to these needs, the use of real-time simulations provides great advantages. Real-time simulation of the design and implementation of power electronic converters provides the first realistic verification of the digital controllers and the system. Since increasing the accuracy of the design of a real-time simulation system is related to the computation time and computational overhead, digital structures with high processing speed should be used. In this thesis, in the design phase of a conventional DC-DC boost converter, a real-time simulation is performed based on FPGA in order to observe the problems that may occur before the board is printed and to make the design cheap, flexible, fast and reliable. In the implementation phase of the system in the FPGA environment, the Backward Euler method, which is known for its ease of calculation and fast system updates, and the Runge Kutta method, which provides high precision with its proximity to real results, were used. Accordingly, the dynamic behaviors of the elements in a boost converter circuit is investigated and the system design is optimized by using Backward Euler and Runge Kutta methods. Numerical calculations on the FPGA are performed with fixed-point arithmetic using integers instead of real numbers in order to optimize resource utilization and reduce power consumption. In order to compare the work, the design is also performed in MATLAB environment and the results are presented. The comparison shows that the proposed RTS model is applicable to real-time simulations of power electronic converters.