Yeni nesil anahtarlama elemanları kullanarak yüksek verimli ve geniş çalışma aralıklı LLC rezonans çevirici tasarımı
LLC resonance converter design with high efficiency and wide operating range using new generation switching elements
Yazar: İBRAHİM ŞARA
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anahtarlamalı güç kaynağı = Switched mode power supply ; Etkinlik = Efficiency ; Güç çeviriciler = Power converters ; Rezonans çevirici teknoloji = Resonant converter technology ; Yüksek frekanslı trafo = High frequency transformer

Özet:
Günümüzde hafif elektrikli araçlar, kentsel ortamlarda sağladığı kullanım rahatlığı ve verimli ulaşım çözümleri getirmesi gibi sebeplerle yoğun ilgi görmektedir. Hafif elektrikli araçlar, kişisel ulaşım, işe gidip gelme ve kısa mesafeli seyahat için tasarlanmış bir dizi elektrikle çalışan aracı kapsar. Bunlar tipik olarak elektrikli bisikletleri (e-bisikletler), elektrikli scooterları, elektrikli kaykayları ve elektrikli kick scooterları içerir. Pil teknolojisi, güç elektroniği ve elektrikli motorlardaki gelişmelerle hafif elektrikli araçlar, geleneksel araçlara uygun bir alternatif sunmaktadır. Bununla beraber artan hafif elektrikli araç talebiyle aynı oranda bu araçlar için kullanılan ve gereken enerji miktarı da doğru orantılı olarak artmaktadır.
Lityum-iyon pil teknolojilerindeki gelişmeler, hafif elektrikli araçların performansını ve menzilini önemli ölçüde artırmıştır. Bu noktada batarya ve batarya şarj teknolojileri ve bunların verimliliği de gündeme gelmektedir. Bu sebeple batarya şarj devrelerinin güç yoğunluğunun ve verimliliğinin artırılması için çalışmalar artırılmıştır
Artan enerji ihtiyaçları ve istenen yüksek verimlilik gibi sebeplerden güç elektroniği devreleri daha çok önem kazanmıştır. Bu çalışmada hafif elektrikli araçlarda sıkça rastlanan bir batarya grubu olan 36 V bataryalara yönelik bir şarj devresi tasarlanmıştır. 36V bataryaların gerilimleri 36-42V arasındadır ve tam şarjlı halde 42V gerilime ulaşmaktadırlar bu sebeple yapılan batarya şarj devresi 36-42V aralığında çalışabilmektedir.
Literatür incelemesi gerçekleştirildiğinde batarya şarj devreleri için kullanılan üç ana grup ile karşılaşılmıştır. Bunlar: lineer çeviriciler, geleneksel PWM çeviriciler ve rezonans çeviricilerdir. Rezonans çeviriciler bu üç grup içerisinde en yüksek verime sahip olan çevirici türleridir. Bununla birlikte devre yapıları ve kontrolleri çok daha karmaşıktır. Rezonans çeviriciler sahip oldukları sıfır gerilim altında anahtarlama ve sıfır akım altında anahtarlama gibi avantajlardan dolayı çok düşük anahtarlama kayıplarına sahiptir ve özellikle bu yönü ile yüksek verime sahiptir. 
Bu çalışmada da batarya şarj devresi için bir rezonans çevirici türü olan yarım köprü LLC rezonans çevirici topolojisi seçilmiştir. Rezonans çeviriciler temel olarak anahtarlama ağı, rezonans tankı ağı, doğrultucu ağı ve filtre ağından oluşmaktadırlar. Bu çalışmada öncelikle rezonans çeviricilerin özelliklerinden, temel yapılarından bahsedilmiş ve gerekli matematiksel eşitlikler elde edilmiştir. Daha sonra bir LLC rezonans çeviricinin tasarımına başlanmıştır. Bu çalışmada tasarlanan LLC rezonans çevirici yüksek frekansta çalışmaktadır. Rezonans frekansı 450 kHz olup sıfır gerilim altında anahtarlama koşulunu elde edebilmek amacıyla 450 kHz ve üstündeki frekanslarda çalışmaktadır. 
Tasarlanan devrenin çalışma frekansı ve frekans aralığı yüksek olduğundan dolayı özel devre elemanlarına ihtiyaç duyulmaktadır. GaN transistörlerin kapı kapasitansları aynı özelliklerdeki silikon tabanlı bir alan etkili transistöre nazaran çok daha düşük olduğundan dolayı çok yüksek anahtarlama hızları sağlamaktadırlar. Bu sebepten dolayı bu çalışmada da bu yeni tip GaN transistörler kullanılmıştır. Bunun yanında GaN transistörler ters toparlanma süresinin olmayışı ve jonksiyon üzerinden ters yönde akım iletimi gibi birtakım özelliklere de sahiptir. 
Tasarlanan LLC rezonans çevirici devresinin çalışma frekansının çok yüksek olmasından dolayı devrede kullanılan transformatör ve bobinin de özel olarak seçilmesi gerekmektedir. Çünkü yüksek frekanslarda transformatör ve bobin çekirdeklerini oluşturan nüvelerde güç kayıpları artmaktadır. Nüve materyalinde karar kılındıktan sonra çalışma frekansı ve çıkış gücü özelinde yeterli bir nüve çeşidi ve boyutu seçilmiştir. 
Devrede yüksek frekanslarda çalışıldığından dolayı bu yüksek frekanslara yanıt verebilmesi amacıyla yüksek saat hızına, yüksek hızlı ADC'ye, yüksek hızlı PWM üretebilen ve yüksek işlem kapasitesine sahip dijital işaret işleyici işlemcileri olan dsPIC33CK serisi işlemcilerden bir çeşit seçilmiştir. Tasarımın en büyük kısımlarından olan kontrol stratejisi mikroişlemcinin programlanması ile gerçekleştirilmiştir. Çıkış gerilimi, giriş gerilimi ve rezonans tankı ağındaki akımın sürekli olarak mikroişlemci ile izlenmesi ile bir kontrol stratejisi oluşturulmuş ve bu strateji ile devredeki anahtarlama elemanları kontrol edilmiştir. 
Gerekli devre elemanlarının seçilmesinin ardından baskı devre tasarımına başlanmıştır. Bilgisayar ortamında baskı devre çizilerek ürettirilmiş ve ürettirilen kartlara gerekli devre elemanlarının dizilmesi işlemi gerçekleştirilmiştir. Nihai devrenin elde edilmesiyle test düzeneği kurulup devrenin testleri gerçekleştirilmiştir. Testler rezistif yük altında gerçekleştirilmiştir. Testler boyunca osiloskop vasıtası ile rezonans tankı akımının dalga şekilleri, çıkış akımı dalga şekilleri incelenmiştir. Yapılan ölçüm ve incelemelerde çıkış gerilimin istendiği ölçüde tutulması gözlenmiştir. Ayrıca yüzde 90'dan fazla verimle devrenin çalıştığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
In recent years, light electric vehicles attract great attention due to the ease of use and efficient transportation solutions they provide in urban environments. Due to the intense interest in light electric vehicles, the use of light electric vehicles is increasing day by day. Light electric vehicles encompass a range of electrically powered vehicles designed for personal transportation, commuting and short-distance travel. These typically include electric bicycles (e-bikes), electric scooters, electric skateboards and electric kick scooters. With advances in battery technology, power electronics and electric motors, lightweight electric vehicles offer a viable alternative to conventional vehicles by promoting the use of clean energy and reducing carbon emissions. However, with the increasing demand for light electric vehicles, the amount of energy used and required for these vehicles also increases in direct proportion.
Advances in lithium-ion battery technologies have significantly increased the performance and range of lightweight electric vehicles. Higher energy densities and faster charging features provided by lithium-ion batteries make electric vehicles more practical and reliable. In addition to these advantages, improved energy efficiency and reduced losses have been achieved with the developments in DC-DC converters. At this point, battery and battery charging technologies and their efficiency come to the fore. For this reason, studies have been increased to increase the power density and efficiency of battery charging circuits.
Power electronic circuits have gained more importance due to the increasing energy needs and the desired high efficiency. For this reason, a charging circuit, which is generally used in light electric vehicles, is designed in this article. When light electric vehicle battery systems are examined, it is seen that there are batteries with various voltages such as 12V, 24V, 36V, 48V, 52V and 60V. Increasing the voltage of the battery not only increases the efficiency and power density, but also complicates the design of the battery pack. In this study, a charging circuit for 36V batteries, which is a common battery group in light electric vehicles, is designed. The voltages of 36V batteries are between 36-42V and they reach 42V voltage when fully charged, so the designed battery charging circuit can work in the range of 36-42V.
When the literature review was carried out, three main groups used for battery charging circuits were encountered. These are: linear converters, conventional PWM converters and resonant converters. Linear converters are the most inefficient among these groups, but they are frequently used in special applications and low energy consuming applications due to the very simple circuit structure and the absence of output ripple. Conventional PWM converters can be divided into many subgroups. The efficiency of PWM converters is much higher than linear converters, but they have more complex circuit structure and output ripple is higher than linear converters. Another and last group used in battery charging circuits is resonant converters. Resonant converters are the converter types with the highest efficiency among these three groups. However, circuit structures and controls are much more complex. For such reasons, resonance converters are encountered in high-power applications. Resonant inverters have very low switching losses due to their advantages such as switching under zero voltage and switching under zero current, and especially with this aspect they have high efficiency.
In this study, a half-bridge LLC resonant converter topology, which is a type of resonant converter, was chosen for the battery charging circuit. Resonant converters are called resonant converters because of the resonance tank they contain in the circuit structure. Resonant inverters are mainly composed of switching network, resonant tank network, rectifier network and filter network. In addition, LLC resonant converters also contain a transformer. In resonant converters, the current oscillates sinusoidally in the resonance tank. In this study, first of all, the properties and basic structures of resonant converters are mentioned and the necessary mathematical equations are obtained. All parts of the half bridge LLC resonant converter topology are discussed in detail and necessary mathematical expressions are obtained. Then the design of an LLC resonant converter was started. The LLC resonant converter designed in this study operates at high frequency. The high operating frequency has a great effect on reducing the size of the elements used in the circuit, especially in the resonance network. Its resonant frequency is 450kHz and it operates at frequencies of 450kHz and above in order to achieve the switching condition under zero voltage because LLC resonant converters provide the switching condition under zero voltage when operated at a frequency above the resonant frequency. The operating frequency range is as wide as the 450kHz and 550kHz range. Working in this range is to have a wide output voltage range while the output has a high quality factor. Since it can operate in this wide range, it can operate in a wide voltage range. In the LLC design, necessary parameters were obtained by performing step-by-step mathematical operations. In resonance converters, the quality factor of the resonance tank and normalized inductance are very important. For this reason, the conversion ratios of the circuit were obtained in various normalized inductance and quality factors and were drawn graphically in the computer environment.
Since the working frequency and frequency range of the designed circuit is high, special circuit elements are needed. In order to operate at such high frequencies, GaN transistors, one of the new generation transistor types, are used in the switching network of the circuit. Since the gate capacitance of GaN transistors is much lower than a silicon-based field-effect transistor with the same characteristics, they provide very high switching speeds. For this reason, this new type of GaN transistors is used in this study. In addition, GaN transistors have some features such as no reverse recovery time and reverse current conduction through the junction. GaN transistors used in the designed resonant converter circuit are driven in isolation.
Since the operating frequency of the designed LLC resonant inverter circuit is very high, the transformer and coil used in the circuit must also be specially selected. Because at high frequencies, power losses increase in the cores that make up the transformer and coil cores. In order to reduce the power loss in transformer and coil cores, special core core materials have been selected. After deciding on the core material, an adequate core type and size was selected in terms of operating frequency and output power. In order to reduce the magnetization currents in the circuit, the magnetization inductance was tried to be increased as much as possible. The winding numbers for the primary and secondary sides were obtained by making the necessary calculations. In addition, special windings are used in order to minimize the skin effect that will occur on the transformer windings. Apart from this, features such as being able to work under high current and responding well to high frequencies were sought in the selection of the resonant capacitor.
A digital signal processor was chosen to control the circuit. Since the circuit works at high frequencies, a variety of dsPIC33CK series processors, which are digital signal processors with high clock speed, high speed ADC, high speed PWM generation and high processing capacity, have been selected in order to respond to these high frequencies. dsPIC33CK series processors can generate PWM signals at very high resolutions. Since the frequency band of the LLC resonant converter designed in this study is between 450 and 550kHz, high precision PWM signals are of great importance. In addition, the dead time to be used in driving GaN transistors will also be controlled by the microprocessor. Controlling dead time is of great importance both in terms of ZVS technique and battery charging strategies. In the designed circuit, a DC voltage is obtained by rectifying and filtering the voltage taken from the AC network. A current transformer is used to monitor the current in the resonance tank in the circuit. The control strategy, which is one of the biggest parts of the design, is realized by programming the microprocessor. A control strategy was created by continuously monitoring the output voltage, input voltage and current in the resonant tank network with a microprocessor, and with this strategy, the switching elements in the circuit were controlled. Various charging techniques have been examined and explained for charging the battery pack.
After the necessary circuit elements were choosen, the printed circuit design was started. It was produced by drawing a printed circuit in the computer environment and the necessary circuit elements were placed on the produced cards. After obtaining the final circuit, the test setup was set up and the circuit tests were carried out. The tests were carried out under resistive load. During the tests, the waveforms of the resonant tank current and the output current waveforms were examined by means of an oscilloscope. In the measurements and examinations, it has been observed that the output voltage is kept to the desired extent. In addition, it has been observed that the circuit works with more than 90 percent efficiency.