Silisyum karbür (SİC) güç anahtarı kullanan tek aşamalı çift aktif köprü AA-DA dönüştürücü
Single-stage dual active bridge AC-DC converter using silicon carbide (SIC) power switches
Yazar: SİNAN ZENGİN
Danışman: DOÇ. MUTLU BOZTEPE
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç elektroniği = Power electronics ; Güç çeviriciler = Power converters

Özet:
Alternatif akımdan doğru akıma (AA-DA) dönüşüm gerçekleştiren güç elektroniği dönüştürücüleri; elektrik şebekelerinin, elektrikli araçların ve yenilenebilir enerji kaynaklarının temel elemanlarından birisi olarak günümüzde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu dönüştürücüler topolojik açıdan değerlendirildiğinde, tek aşamalı veya iki aşamalı olarak tasarlandığı görülmektedir. İki aşamalı dönüştürücülerin her aşamasının ayrı ayrı optimize edilebilmesi ve bu aşamalar için fazlaca topolojinin literatürde bulunması gibi avantajlarından dolayı iki aşamalı AA-DA dönüştücüler üzerine literatürde sıklıkla çalışılmıştır. Fakat tek aşamalı AA-DA dönüştürücüler; girişte daha düşük filtreleme elemanları kullanması, dönüşüm yapılan aşama sayısını azaltması ve anahtarlama kayıplarını düşürebilmesinden dolayı son zamanlarda iki aşamalı AA-DA dönüştürücülere tercih edilebilir duruma gelmiştir.
Literatürde tek aşamalı AA-DA dönüştürücüler için yumuşak anahtarlama, izolasyon ve yüksek verim özelliği sunan Çift Aktif Köprü (ÇAK) dönüştürücüler üzerine çalışmalar yoğunlaşmıştır. Bu çalışmalardan, Üçlü Faz Kayma Modülasyonu (ÜFKM) ve Değişken Anahtarlama Frekanslı Çift Faz Kayma Modülasyonu (DAF ÇFKM) metotları tüm çalışma bölgesinde yumuşak anahtarlama yapabildiği için önemli bir yere sahiptir. ÜFKM, sabit anahtarlama frekansında çalışma ve düşük Toplam Harmonik Bozulma'ya (THB) sahip giriş akımı elde edebilmesine karşılık, anahtarlama elemanları ve trafo üzerinde yüksek rms ve tepe akımı oluşturmaktadır. Diğer taraftan DAF ÇFKM ise, ÜFKM'nin bu problemlerini çözerken, değişken anahtarlama frekansında çalışma ve giriş akımında yüksek THB dezavantajlarını beraberinde getirmektedir. Ayrıca her iki modülasyon metodu da, düşük güçlerde yüksek sirkülasyon akımı dolayısıyla düşük verime sahiptir.
Bu tez çalışmasında, tek aşamalı izolasyonlu Çift Aktif Köprü (ÇAK) AA-DA dönüştürücü için; Kesikli Akım Kipinde (KAK) çalışan dolayısıyla açık çevrim kontrol edilebilen, geniş bir yumuşak anahtarlama bölgesi sunan, düşük güçlerde yüksek verime sahip, sirkülasyon akımı bulunmayan üçgen akım (ÜAM) ve yamuk akım (YAM) modülasyon metotları incelenmiştir. Bu metotlardan ÜAM metodu, giriş akımında düşük THB sağlayabilmesine rağmen yüksek tepe ve rms akımlara sahiptir. Bu metodun yerine daha düşük rms ve tepe akımları sunan YAM metodu AA-DA ÇAK dönüştürücüler için uygulanabilir. Fakat YAM metodu, şebeke akımının sıfır geçişleri civarında bozulmalar oluşturmakta, dolayısıyla yüksek THB'ye yol açmaktadır. Bu bozulmaları, trafonun sarım oranını küçülterek çözmek mümkündür. Fakat bu durumda trafonun ve anahtarlama elemanlarının rms akımları önemli derecede artmaktadır. Sadece YAM metodu kullanarak hem düşük THB hem de düşük rms akımlar elde edilememektedir. Bu problemi çözmek için, bir şebeke periyodunda ÜAM ve YAM metotlarını beraber kullanan hibrit akım modülasyonu (HAM) bu tez kapsamında literatüre önerilmiştir. Bu metot YAM'ın yüksek THB problemini çözmesine rağmen, YAM metodundan daha yüksek rms akımlar oluşturmaktadır. Rms akımları düşürmek için ise Geliştirilmiş Hibrit Akım Modülasyonu (GHAM) literatüre önerilmiştir. Önerilen bu metotta uygun görev oranları ve çalışma bölgesi değişim açısı hesaplanarak minimum rms akımlar oluşturulmaktadır. Bu metot yardımıyla, hem YAM'ın THB problemi çözülmüş hem de yüksek sarım oranlarında daha düşük, düşük sarım oranlarında ise YAM ile aynı mertebelerde rms akımlar elde edilebilmiştir. Ayrıca önerilen metodun, iki yönlü enerji transferi ve reaktif güç katsayısı ile çalışmasının detaylı analizi yapılmış olup, optimum görev oranlarının ve çalışma bölgesi değişim açısının hesapları tezde sunulmuştur.
Diğer taraftan, Silisyum karbür (SiC) MOSFET, silisyum anahtarlama elemanlarına kıyasla; düşük iç dirence, kısa iletime ve kesime girme zamanlarına sahiptir. Dolayısıyla, daha düşük kayıplar oluşturmaktadır. Bundan dolayı, SiC MOSFET kullanımının GHAM metodunda çalışan tek aşamalı ÇAK AA-DA dönüştürücüde uygulaması gerçekleştirilmiş ve sadece Si IGBT kullanıldığı duruma göre verim karşılaştırmaları yapılmıştır.

Abstract:
Current to Direct Current (AC-DC); is widely used today as one of the basic elements of electricity networks, electric vehicles and renewable energy sources. When these converters are evaluated from the topological point of view, they can be classified as single-stage or two-stage. Two-stage AC-DC converters have been frequently studied in the literature because of the advantages that each stage can be individually optimized and many available topologies exist for these stages. However, single-stage AC-DC converters have become more preferable recently to two-stage AC-DC converters since it uses lower filtering elements at the input, reduces the number of stages and switching losses.
In the literature, the studies on Dual Active Bridge (DAB) based converters which offer soft switching, isolation and high efficiency for single-stage AC-DC converters, are increased. Among these studies, Variable Switching Frequency Dual Phase Shift Modulation (VSF DPS) and Triple Phase Shift (TPS) modulation methods are the most important ones due to providing soft switching for whole operating range. Altough TPS offers constant switching frequency and low Total Harmonic Distortion (THD) in the input current, it suffers from high rms and peak currents which flows from transformer and switches. On the other hand, VSF DPS solves these problems of the TPS. However, it brings disadvantages of operating at variable switching frequency and high THD in the input current. In addition, both modulation methods have high circulation current at low power levels and therefore they provide low efficiency.
In this thesis, the Triangular and Trapezoidal current modulation (TRM and TZM, respectively) methods are analysed for the single-stage DAB AC-DC converters. These methods operates at Discontinuous Conduction Mode (DCM). Hence they can provide; open loop control, high efficiency in low power, no circulating current and wide soft switching region. Among these methods, TRM method can provide low THD at the input current, although it has high peak and rms currents. The TZM method, which offers lower rms and peak currents, can be applied to AC-DC DAB converters. However, the TZM method creates distortions around the zero crossings of the grid current, thus causing high THD. It is possible to solve these distortions by reducing the winding ratio of transformer. But in this case, the rms currents of the transformer and the switching elements increase significantly. By using only the TZM method, both low THD and low rms currents cannot be obtained. In order to solve this problem, Hybrid Current Modulation (HCM), which uses both TRM and TZM methods in a grid period, has been proposed in this thesis. Although this method solves the high THD problem of the TZM, it produces higher rms currents than the TZM method. To solve this problem, improved Hybrid Current Modulation (iHCM) has been proposed to the literature. In this method, minimum rms currents are provided with calculating suitable duty ratios and mode changing angle. By the help of this method, the THD and rms current problem of the TZM has been solved. Additionally at high winding ratios, the rms currents are decreased, and at low winding ratios nearly the same rms current levels are obtained when compared to TZM. In addition, a detailed analysis of the proposed method with bi-directional energy transfer and operating with non-unity power factor has been carried out, and the optimum duty ratios with calculations of mode changing angle have been presented.
On the other hand, Silicon Carbide (SiC) MOSFET, has low internal resistance, short turn on and turn off times, thus resulting less losses when compared to Silicon switching elements. Therefore, the application of using SiC MOSFET was performed in a single-stage DAB AA-DA converter which is operating with the iHCM method, and efficiency comparisons were made with the case that only using Si IGBT in all switches.