Anahtarlamalı kapasitör devrelerinin analizi
Analysis of switched capacitor circuits
Yazar: GİZEM BİRTEK
Danışman: PROF. DR. ALİ BEKİR YILDIZ
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Anahtarlama = Switching ; Anahtarlamalı sistemler = Switched systems ; Devre analizi = Circuit analysis ; Kondansatör = Capacitor

Özet:
Anahtarlamalı kapasitör devreleri, boyutun önemli olduğu güç elektroniği
uygulamalarında, kapladıkları alanın az olmasının yanında düşük güç tüketimleri ve
yüksek verimlilikleri nedeniyle ilgi odağı olmuştur. Bu teknolojinin gelişme hızı, daha az
emek sarf edilerek daha çok bilgiye en kısa zamanda ulaştıracak analiz yöntemlerine
bağlıdır. Ancak anahtarlamalı kapasitör devrelerinin analiz ve tasarımı, yapısında
bulunan anahtar ve anahtarlama işlemleri nedeniyle zor ve karmaşıktır. Anahtarlamalı
devrelerde, anahtarın konumuna bağlı olarak ayrışan topolojilerin uygun sırayla analiz
edilme gereksinimi bu zorluklardan en önemlisidir. Karmaşıklığa sebep olan bir diğer
kritik nokta, enerji depolayabilen kondansatörlerin anahtarlama anlarında gözlenen
tutarsız başlangıç değeri probleminin çözülme gerekliliğidir.
Bu tez çalışmasında; sistem denklemlerinin kolayca elde edilmesine imkân tanıyan
genelleştirilmiş düğüm denklemleri (GDD) yöntemi kullanılmıştır. Ayrıca anahtarlama
anlarında meydana gelen tutarsız başlangıç değeri probleminin üstesinden gelecek
yöntemler açıklanmıştır. Anahtarlamalı devrelerde anahtarların pozisyonlarına göre
ayrışan devre topolojilerini GDD yöntemine bağlı olarak tek denklem sistemi altında
çözmeye yarayan bir ideal anahtar modeli önerilmiştir. Model, anahtar sayısından
bağımsızdır. Anahtara ait matematiksel eşitlikler ile sistem denklemleri elde edilerek
anahtarlamalı kapasitörlerin bir uygulaması olan anahtarlamalı kapasitörlü DA-DA
dönüştürücülerin GDD modelleri elde edilmiştir. Elde edilen GDD sistemlerinin ilk
koşulu için gereken başlangıç değerleri hesaplanmıştır. Son olarak önerilen analiz
yönteminin, anahtarlamalı kapasitör devreleri ve anahtarlamalı kapasitörlü DA-DA
dönüştürücüler üzerindeki etkinliği tartışılmış, elde edilen sonuçlar açıklanmıştır.

Abstract:
Switched capacitor circuits have been the focus of attention in power electronics
applications where size is important, due to their low power consumption and high
efficiency, as well as their small size. The speed of development of this technology
depends on the analysis methods that will provide more information in the shortest time
with less effort. However, the analysis and design of switched capacitor circuits is
difficult and complex due to switching processes and the switch components in their
structures. The most important of these difficulties is the need to analyze the topologies
that diverge depending on the position of the switch in the appropriate order in switched
circuits. Another critical point that causes complexity is the necessity of solving the
problem of inconsistent initial value observed at switching times of energy-storing
capacitors.
In this thesis study; the modified nodal analysis (MNA) method, which allows the system
equations to be obtained easily, was used. In addition, methods to overcome the
inconsistent initial value problem occurring at switching times are explained. An ideal
switch model is proposed to solve the circuit topologies that differ according to the
positions of the switches in switched circuits under a single equation system based on the
MNA method. The model is independent of the number of switches. MNA models of DCDC converters with switched capacitor, which are an application of switched capacitors,
are obtained by obtaining the mathematical equations of the switch and the system
equations. The initial values required for the initial conditions of the obtained MNA
systems were calculated. Finally, the effectiveness of the proposed analysis method on
switched-capacitor circuits and switched-capacitor DC-DC converters is discussed, and
the results are explained.