Yarım köprü rezonanslı dönüştürücünün tasarımı ve uygulaması
Design and application of half bridge resonant converter
Yazar: MUSTAFA ÇAĞLAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK AKIN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anahtarlamalı güç kaynağı = Switched mode power supply ; Dönüştürücüler = Transformers ; Yumuşak anahtarlamalı inverter = Soft switching inverter

Özet:
Avrupa Birliği enerji komisyonu tarafından yayınlanan yeni mevzuat düzenlemeleri ile buzdolabı, bulaşık makinesi, çamaşır makinesi ve televizyon gibi ürünlerde enerji etiketlerinde değişikliğe gidilmiştir. Bu değişiklik ile ürünlerin genelinde ürünün enerji sınıfı seviyesi yeni ölçüm yöntemleri nedeniyle düşmüştür. Bu sebeple endüstride güç elektroniği devrelerinin verimini artırmaya yönelik çalışmalar yürütmek için yeni bir sebep doğmuştur. Enerji verimliliği ve düşük komponent sayısı açılarından alternatifleriyle karşılaştırıldığında öne çıkan yarım köprü seri rezonanslı LLC (rezonans endüktansları ve kapasitörü) dönüştürücü anahtarlamalı güç kaynağı topolojisi olarak sıklıkla tercih edilmektedir. Endüstride sıklıkla kullanılmasından ve önemli avantajlara sahip olmasından dolayı yarım köprü seri rezonanslı LLC dönüştürücü bu çalışmanın konusu dahilindedir. Yarım köprü seri rezonanslı LLC dönüştürücünün çalışma prensibi, çalışma aralıkları ve tasarım kriterleri incelenmiştir. GaN (Galyum Nitrit) transistörlerin bu dönüştürücü ile uyumu analiz edilmiş ve GaN transistörlerin bu dönüştürücüye sağlayabileceği avantajlar değerlendirilmiştir. Yeni mevzuat düzenlemeleri için daha yüksek verimli bir televizyon güç kaynağı tasarımı gerçekleştirmek amacıyla girişinde 400V çıkış gerilimine sahip bir güç faktörü düzeltme devresi olduğu varsayılan yarım köprü seri rezonanslı LLC dönüştürücü tasarımı GaN transistörler ile simülasyon ortamında gerçekleştirilmiştir, farklı çalışma koşulları için önemli dalga şekillerinin simülasyon sonuçları sunulmuştur. İkinci bir dönüştürücü simülasyon ortamında aynı devre yapısı ile sadece sürme devresi uyarlanarak MOSFET'ler ile kurulmuştur ve GaN transistörlerle kurulan dönüştürücü ile arasında yüke bağlı verim karşılaştırması yapılmıştır. Simülasyonun doğruluğunu arttırmak amacıyla GaN transistör, MOSFET'ler, sürme devresi ve kontrol devresi gibi çoğu komponent için üreticilerden sağlanan simülasyon modelleri kullanılmıştır. İki dönüştürücü için de farklı yük koşullarında sıfır gerilimde anahtarlama sağlandığı gösterilmiştir. GaN transistörler kullanılan yarım köprü rezonanslı LLC dönüştürücünün MOSFET kullanılan yarım köprü rezonanslı LLC dönüştürücüye kıyasla farklı yük koşullarında %2-%3 daha yüksek verim ile çalıştığı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
With the new legislative regulations published by the European Union energy commission, changes were made in the energy labels of products such as refrigerators, dishwashers, washing machines and televisions. Hence, the energy class level has decreased for most of the products due to the new measurement methods. As a result of this, a new reason has emerged to carry out studies to increase the efficiency of power electronic circuits in the industry. Compared to other alternative topologies half bridge resonant LLC (resonant inductors and capacitor) converter performs better in terms of energy efficiency and low component count and frequently preferred as a switch mode power supply topology. Half-bridge series resonant LLC converter is within the scope of this study because it is frequently used in industry and has significant advantages. Working principle, working ranges and design criteria of half-bridge series resonant LLC converter are investigated. The compatibility of GaN (Gallium nitride) transistors with this converter is analyzed and the advantages that GaN transistors could provide to this converter is evaluated. In order to design a higher efficiency television power supply for new legislative regulations, half-bridge serias resonant LLC converter design, which is assumed to have a power factor correction circuit with 400V output voltage at the input, is designed with GaN transistors in a simulation environment, simulation results of important waveforms for different operating conditions are presented. A second converter is built with MOSFETs by adapting only the drive circuit with the same circuit structure in the simulation environment, and a load-dependent efficiency comparison is made with the converter built with GaN transistors. Simulation models provided by the manufacturers are used for most of the components such as GaN transistor, MOSFETs, drive circuit and control circuit to increase accuracy of the simulation. For both converters zero voltage switching is demonstrated under different load conditions. It is concluded that the half-bridge resonant LLC converter using GaN transistors has 2%-3% higher efficiency compared to the half-bridge resonant LLC converter using MOSFETs overall in different load conditions.