Üç seviyeli T-tipi izole iki yönlü DA-DA dönüştürücü tasarımı ve gerçek zamanlı uygulaması
Three level T-type isolated bidirectional DC-DC converter design and real-time application
Yazar: ONUR DEMİREL
Danışman: PROF. DR. UĞUR ARİFOĞLU
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç çeviriciler = Power converters

Özet:
İki yönlü dönüştürücüler, enerji, otomotiv ve demiryolu, havacılık ve uzay, kesintisiz güç kaynağı gibi çeşitli endüstrilerde enerjinin depolanmasında anahtar rol üstlenmektedirler. İki yönlü dönüştürücüler için, endüstride, geleneksel topolojiler ve bu topolojilerden türetilmiş iki seviyeli karma topolojilerin yanı sıra üç seviyeli modern topolojiler de mevcuttur. Ancak mevcut topolojiler maliyet, verimlilik ve güvenilirlik açısından ele alındığında, her birinin kendine özgü eksiklikleri bulunmaktadır.
Genel olarak endüstride yönelim iki seviyeli geleneksel topolojilerden üç seviyeli modern topolojilere doğrudur. Uzun yıllar evirici, doğrultucu ve dönüştürücü uygulamalarında, I-tipi olarak bilinen üç seviyeli nötr kenetlemeli (NPC) topolojiler kullanılmıştır. Ancak maliyet ve güvenlik baskıları, endüstride I-tipi topolojinin muadili olan ve T-tipi olarak bilinen, üç seviyeli T nötr kenetlemeli (TNPC) topolojinin ortaya çıkmasını sağlamıştır. Bu çalışmada, son yıllarda evirici ve doğrultucu tasarımlarında başarılı bir şekilde uygulanan üç seviyeli T-tipi topoloji kullanılarak, simetrik yapıda, kontrolü kolay, düşük maliyetli, yüksek verim ve güvenirlikli bir izole, çift yönlü DA-DA dönüştürücünün analizi, simülasyonu, deneysel çalışması ve kapalı çevrim kontrolü sunulmuştur.
Bu çalışmada, öncelikli olarak iki yönlü DA-DA dönüştürücülerin uygulama alanlarına değinilmiştir. Ardından, literatürde karşılaşılan topolojiler ve mevcut modülasyon yöntemleri sunulmuştur. Devamında, önerilen topolojinin teorik analizinin yanı sıra sürekli hal gerilim kazancı, güç aktarım karakteristiği ve güç aktarımında kritik öneme sahip kaçak endüktansın bağıntıları türetilmiştir. Simülasyon çalışmasında, teorik analizde elde edilen çıktıların doğrulanması yapılmış ve dönüştürücüde kullanılan devre elemanlarının gerilim dalga şekilleri analiz edilmiştir. Deneysel çalışmada 2kW gücünde bir prototip kullanılarak, teori ve simülasyon aşamasındaki analizler doğrulanmıştır. Bu bağlamda dönüştürücünün giriş gerilim ve güç aktarım karakteristiği incelenmiş ve %20-%100 arası yük koşullarında elde edilen verim sonuçları paylaşılmıştır. Son olarak, dönüştürücünün kapalı çevrim kontrolü, simülasyon yardımıyla elde edilen kontrolör katsayıları kullanılarak, bir DSP ile ayrık zamanlı olarak gerçekleştirilmiştir. Dönüştürücünün kapalı çevrim performansı ise en kötü koşullar dikkate alınarak doğrulanmıştır.

Abstract:
Bi-directional converters play a key role in the storage of energy in various industries such as energy, automotive and railway, aviation and space, uninterruptible power supply. For bi-directional converters, there are also three-level modern topologies in the industry, as well as traditional topologies and two-level hybrid topologies which are derived from those topologies. However, when available topologies are considered in terms of cost, efficiency and reliability, each has its own specific deficiencies.
Generally, tendency in the industry is towards from two-level traditional topologies to three-level modern topologies. For many years, three-level neutral point clamped (NPC) known as I-type has been used in inverter, rectifier, and converter applications. However, cost and reliability pressures have led to the emergence of a three-level T neutral point clamped (TNPC) topology, known as the T-type, which is equivalent to the I-type topology in the industry. In this study, analysis, simulation, experimental study and closed-loop control of an isolated bidirectional DC-DC converter which is symmetrical, easy to control, low cost, highly efficient and reliable have been presented by using three level T-type topology that successfully applied in inverter and rectifier design in recent years.
In this study, application areas of bi-directional DC-DC converters have been addressed initially. Then, the topologies encountered in the literature, and current modulation methods have been presented. Afterwards, steady state voltage gain, power transfer characteristic and formulation of leakage inductance, which is critical in power transfer, have been derived as well as the theoretical analysis of proposed topology. In the simulation study, theoretical results have been verified and voltage waveforms of the circuit elements used in converter have been analyzed. In the experimental study, analyses in the theoretical and simulation phases have been verified using the 2kW prototype. In this context, input voltage and power transfer characteristics of the converter have been examined and the obtained efficiency results in the load conditions between 20% and 100% have been shared. Finally, closed loop control of converter has been performed in discrete time with a DSP, using the controller coefficients obtained by the help of the simulation. Closed loop performance of the converter has been verified by considering the worst cases.