Yeni bir aktif bastırma hücreli ileri yönlü dönüştürücünün tasarımı ve simülasyonu
Analysis and simulati̇on of forward converter with a new active snubber cell
Yazar: FATİH ZÜNGÖR
Danışman: PROF. DR. HACI BODUR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM) DC-DC dönüştürücülerde kullanılan yaygın bir kontrol tekniğidir. Bu kontrol tekniği ile yüksek güç yoğunluğu, hızlı geçiş cevabı ve kontrol kolaylığı sağlanmaktadır. Güç yoğunluğu kavramı elde edilen güç ile dönüştürücünün kapladığı hacim (m3) veya dönüştürücünün ağırlığı (kg) gibi parametrelerin oranı olarak ifade edilir. Bir DC-DC dönüştürücünün güç yoğunluğunun arttırılması anahtarlama frekansının arttırılması ile de gerçekleştirilmektedir fakat anahtarlama frekansı arttığında, anahtarlama kayıpları da artmaktadır. Anahtarlama kayıplarını arttırmayarak veya makul değerlerde tutarak frekansın artırılması için ancak sert anahtarlama (HS) yerine yumuşak anahtarlama (SS) tekniklerinin kullanılması gerekmektedir.
Yumuşak anahtarlama tekniklerini basit bir sınıflandırma altında toplamak gerekirse, (ZVS) Sıfır Gerilimde Anahtarlama, (ZCS) Sıfır Akımda Anahtarlama, (ZVT) Sıfır Gerilimde Geçiş, (ZCT) Sıfır Akımda Geçiş olarak 4 başlık altında ifade edile bilinir. 
Literatürde birçok DC-DC PWM dönüştürücü bulunmaktadır ve İki anahtarlı ileri yönlü DC-DC dönüştürücü de bunlardan biridir. Bu dönüştürücü düşük ve orta güçlerde kullanımı efektif olarak görülmüştür. Bu dönüştürücünün en önemli dezavantajlarından biri %50 ile sınırlanan doluluk oranıdır (Duty Cycle). Doluluk oranı iletim aralığının, sabit frekans için periyoda oranıdır. Bu oran yükseltilerek de güç yoğunluğu arttırılmaktadır. 
DC-DC dönüştürücüler AC kaynak ile doğrultucu devreler vasıtasıyla beslenebilirler. Bu tarz devrelerde doğrultucunun çıkışına bir depolama kondansatörü konularak DC gerilim biçimlendirilir. İki anahtarlı İleri yönlü DC-DC dönüştürücü gibi maksimum doluluk oranı sınırlı olan dönüştürücülerde, girişteki bu kondansatörlerin kapasite değerleri maksimum doluluk oranını belirler. Daha yüksek doluluk oranında bu kapasite değeri daha düşük olacaktır ve bu da maliyetin düşmesine neden olacaktır.  
Bu tezde, İleri Yönlü DC-DC dönüştürücünün verimini, maksimum doluluk oranı arttıracak yeni bir aktif bastırma hücresi tasarlanması hedeflenmiştir. Doluluk oranının arttırılması aynı zamanda DC hattı biçimlendirmek için kullanılan depolama kondansatörünün kapasite değerini düşürecektir. Bu da bu tez içerisinde tasarlanan dönüştürücünün hedefleri içerisindedir. Yumuşak anahtarlama tekniklerinin uygulandığı dönüştürücülerde EMI gürültülerinin azalması da beklenmektedir fakat bu tezin ana amaçları içerisinde bulunmamaktadır.
100khz anahtarlama frekansı, 25V çıkış gerilimi, 1000W çıkış gücü olan bir ileri yönlü dönüştürücü ile 100khz anahtarlama frekansı, 25V çıkış gerilimi, 1800W çıkış gücü olan yeni aktif bastıma hücreli ileri yönlü dönüştürücü aralarında kıyaslama yapılabilmesi için tasarlanmıştır. Tasarlanan yeni aktif bastıma hücreli ileri yönlü dönüştürücü ile doluluk oranının artırıldığı, doğrultucu çıkışında bulunan depolama kondansatörlerinin kapasite değerinin düşürüldüğü ve bütün yarı iletken elemanların yumuşak bir şekilde iletime girdiği Psim benzetim programı vasıtasıyla kanıtlanmıştır.
Bu program içerisinde kullanılan elemanları gerçeğe daha fazla yaklaştırmak için elemanların katalog bilgilerinden alınan değerler ile yarı iletken elemanlar ve kondansatörler modellenmiştir. Aynı zamanda manyetik elemanlar ANSYS programı aracılığıyla benzetimi gerçekleştirilip oradan elde edilen değerlerle manyetik elemanlar Psim programında modellenmiştir.

Abstract:
Pulse Width Modulation is a common control method implemented on DC-DC converters. It is provided to high power density, fast transient response and ease of control via this method. Power density can be expressed as the ratio between obtained power and size of converter (m3) or the ratio between obtained power and weight of converter (kg). To increase power density of a DC-DC Converter can be possible by increasing switching frequency but it is also increased switching losses when increased switching frequency. For this reason, the switching frequency can be increased by using soft switching (SS) techniques instead of hard switching (HS).  
If soft switching methods need to summarize with a simple classify, it can be expressed under 4 header such as; zero voltage switching, zero current switching, zero voltage transition, zero current transition.
In literature, there are many DC-DC PWM Converters and one of them is Two-Switch Forward Converter. This converter can be used effectively in low and middle powers. One of the important disadvantage of this converter is limited duty cycle with %50. Duty cycle is described as ratio between conduction time and period in a constant frequency. Power density can be also increased by increasing duty cycle.
DC-DC converters can be supplied with AC Source via rectifier circuits. There is a storage capacitor which is in placed output of these rectifier circuits in order to re-shape DC voltage. In DC-DC converters, for example, Two-Switch Forward Converter, this storage capacitor determines to maximum duty cycle. Larger duty cycle ratio causes smaller storage capacitor values and it also decrease the cost of converter. 
In this thesis, a new snubber cell is developed in order to increase the power density, the duty cycle and the efficiency for Two-Switch Forward Converter. Increasing duty cycle causes to make the storage capacitor smaller, which is used for re-shaping to DC line. That is also one of the goals for designed converter in this thesis. It is also expected to decrease EMI noise for converters implementing soft switching methods but this is not included in scope of the thesis.
In order to make a comparison, it is designed a Forward converter which has 100 kHz switching frequency, 25 volts Output voltage, 1000W Output power and designed a forward converter with a new active snubber cell which has 100 kHz switching frequency, 25 volts Output voltage, 1800W Output power. It is proved by using Psim software that working with higher duty cycle, making storage capacitors value smaller which is placed out of rectifiers, working with soft switching.
In order to make the components in Psim software more realistic, it has been used their datasheets. For same reason, after the magnetic components of the converter are simulated in ANSYS software, they have been transferred to Psim software.