Yol aydınlatma M2 ve M3 sınıfı için yüksek verimlilikli LLC resonant sürücü
High efficiency LLC resonant driver for M2 and M3 class street lights
Yazar: CENGİZ TARHAN
Danışman: DOÇ. DR. ALİ BULDU
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education

Özet:
Son beş yılda yaşanan yarı iletken teknolojisindeki gelişmeler aydınlatma amaçlı LED'lerin piyasada hızla önemli bir yer edinmesini sağladı. Genel olarak sarı fosfor ile kapatılmış mavi LED'den oluşan güçlü beyaz ışık kaynakları ev tipi aydınlatmadan otomotiv aydınlatma çözümlerine kadar çok geniş bir yelpazede kendine yer buldu. Yol aydınlatmasın kullanılan, LED'li ürünler güçlü ve köklü rakip teknolojiler karşısında yeni yeni pazar payını genişletmektedir. Bu güçlü rakiplere sodyum buharlı lambalar, metal halide lambalar, civa buharlı lambalar ve halojen lambalar örnek olarak verilebilir. LED ürünler bu güçlü rakipler karşısına daha yüksek güvenilirlik, verim ve ışık kalitesi gibi parametreler ile çıkmaktadır. Ayrıca, düşen maliyetler de LED ürünlerini gittikçe daha fazla rekabetçi hale getirmektedir. LED'liürünler günümüzde M2 ve M3 sınıfı yollarda verimlilik bakımından rakipleriyle başa baş konumdadır. Bahsedilen parametrelerden verim ve güvenilirlik sadece LED ile değil aynı zamanda LED sürücü devre ile de doğrudan ilgilidir. Özellikle yol aydınlatmada 10 yıl ve 45,000 saat düzeyinde bir güvenilirlik beklenmektedir. Aynı şekilde çok farklı hava koşullarında çalışabilmesi ve çok yüksek Watt başına lümen değerleri öngörülmektedir. Aynı zamanda akım harmonikleri bakımından da şebekeyi kirletmemesi istenmektedir.
Yukarıda bahsedilen parametreler temel alınarak, literatürdeki metotlar incelendikten sonra, yeni bir sürücü tasarımı gerçekleştirilererek tüm sistem verimi %94,5'in üzerinde olan kompakt bir LED sürücü devresi tasarlanmıştır. Verim ve hacim başına güç gibi parametreler anlamında da literatürdeki ve pazardaki ürünlerin üzerinde bir tasarım gerçeklenmiştir. Üç blok halinde gerçeklenen tasarımın ilk kısmı PFC katı olup kompanzasyonu gerçekleştirir. Bu kısımda 60kHz ile 170kHz arasında anahtarlama yapan DCM Quasi Rezonantta bir topoloji kullanılmıştır. Çıkış bara gerilimi 393 V ve blok verimi ise %98 olarak hedeflenmiştir. İkinci blok LLC yarım köprü anahtarlama yapan ve aynı zamanda izolasyonu sağlayan anahtarlama katıdır. Bu katın tasarımında %96,6 verim hedeflenmiş olup 97kHz ile 420kHz anahtarlama frekans aralığı korunmuştur. Tasarımın üçüncü ve son katı ise senkron doğrultma katı olup sekonder tarafta yer almaktadır. Genel olarak AC-DC bir çevirici olan devre, gerilim ve akım kaynağı olarak çalışmakta olup 33V ile 42V arasında sabit 3,5A akım verebilmektedir. Ancak, sadece tam 42V çıkış geriliminde sabit gerilim moduna geçmekte olup, daha yüksek gerilimlerde ise koruma devresi aktive olmaktadır.
Yine yol aydınlatmasındaki 15kV'ye kadar gelen darbelere karşı anlık gerilim yükselmelerine karşı koruyucular koruma sağlamaktadır. İdeal bir yol aydınlatma sürücü kartının tasarımı için bu üç farklı topolojideki bloklar yeni bir yöntem izlenerek birleştirilmiştir. Gerçekleştirilen tasarıma LPW05 ismi verilmiştir. Sonuç olarak, LPW05 ilgili testlerden başarıyla geçmiştir.

Abstract:
Significant improvements in semiconductor techonology for the last five years lead to LED products have got an important area quickly in market. In general, the robust white  light sources that consist of blue LEDs covered by yellow phosphorus have got an important applications  in market  such as residential, household and automotive lighting solutions. In road lighting area, LED products have been widening their market share incremantally despite of their strong competitors. Sodium vapor lamps, metal halide lamps, mercury vapor lamps and halogen lamps are some of these strong competitors. LED products have some superior features to competitors in terms of  reliability, efficiency and high light quality. In addition, low product costs make LED products more competitive in lighting market. Today LED lighting products are head to head with their competitors in terms of efficiency in M2 and M3 class roads. Among the parameters that mentioned above;  efficiency and reliability are not just related with LED type, they are also related with LED driver strongly. Especially in road lighting ten years life and 45,000 hours  warranty is expected. Moreover It is expected that perform its functions even at bad or very different weather conditions and it is also expected very high Watt per lümen value in these weather conditions. In addition, it is expected that total harmonic distortion value of the drivers should be under the maximum limit that is specified in harmonic standarts related with lighting equipments.
By examining the methods in the literatüre, a new and compact LED driver have designed with %94,5 overall system efficiency value. At the same time , a new design is superior  to competitors in markets and literatüre in terms of efficiency per Watt and volume per Watt values respectively. LED driver design includes three stages. The first stage of the LED driver design is PFC. In this stage, DCM Quasi Rezonant topology was used and expected switching frequency interval is 60kHz