Pı Kontrolör Tabanlı Yüksek Çıkış Gerılımı Üreten İzolelı Güç Yüksekltıcısı Tasarımı

Abstract

Günümüzde elektronik sektörünün gelişmesiyle birlikte güç dönüştürücü devrelere olan gereksinim artmaktadır. Çeşitli sektörlerde kullanılan düşük gerilimden yüksek gerilime enerji dönüşümü son zamanlara en çok ihtiyaç duyulan dönüşüm şeklidir. Yüksek gerilim ihtiyacı bulunan sistemler için doğru akım ve gerilimi sağlayan kaynaklardan biri de DC-DC yükseltici güç dönüştürücüleridir. Çok sayıda DC-DC yükseltici dönüştürücü tipi ve dönüştürücüler için kullanılan çok sayıda kontrolör tipi bulunmaktadır. Bu nedenle birçok tasarım kombinasyonu yapılabilmektedir. Yüksek gerilim dönüşümü yapılırken güç kayıplarının en az seviyede olması ve çalışma modlarında hata olmaması tasarım açısından önemli kriterler arasındadır. Ayrıca tasarımın bütünlüğü ve doğruluğu adına tek bir sistemde üzerinde yapılan çalışmaların birbirine olan etkilerini gözlemlemek gerekir. Bu çalışmada 30V civarı giriş geriliminden 500V seviyesinde çıkış gerilimi üreten kontrolör tabanlı DC-DC yükseltici dönüştürücü tasarımı yapılmıştır. Verimliliği artırmak için boost dönüştürücü ve flyback dönüştürücü topolojisinin birlikte kullanıldığı boost-flyback dönüştürücü devresi tasarlanmıştır. Çalışmanın sunduğu diğer bir farklılık ise devre tasarımı ve kontrolcü tasarımı birbirini etkileyen yapılar olduğu için bu çalışmada bütün olarak ele alınmıştır ve kontrolör tasarımı ile hibrit devre yapısının uyumu ve performansı analiz edilmiştir. Çıkış geriliminin üretilme süresi, gerilim seviyesi ve kalıcı hal durumu PI kontrolcü ile kontrol edilmektedir. Tasarlanan kontrolör, farklı çıkış yüklerinde test edilerek doğrulanmıştır. Kontrolör tasarımında durum uzayı ortalama metodu kullanılarak boost-flyback dönüştürücünün durum uzayı denklemleri hesaplanmıştır. İki dönüştürücü sistemin seri bağlantısı ile oluşturulan boost-flyback dönüştürücünün analizini tek bir sistem olarak yapmak bazı zorluklara sahiptir. Matematiksel hesaplama sürecini basitleştirmek için boost ve flyback dönüştürücüleri ayrı ayrı analiz edilmiştir ve bir dönüştürücünün analizi yapılırken diğer dönüştürücü eşdeğer akım kaynağı olarak modellenmiştir. Sistemin kontrolör tasarımı için durum uzay denklemleri, küçük sinyal modeli ve transfer fonksiyonu hesaplanmıştır. Sistemin kontrolör ve devre tasarımına ait gerekli matematiksel hesaplamaları yapıldıktan sonra Matlab ve Simulink programı üzerinde sistemin simülasyonu ve analizi yapılmıştır.

Power converter, used in diverse electronics areas has gained importance with increasing demand and developing technology. DC-DC converters with high output voltage are one of the most needed part in power control. The efficiency and accuracy of power converters, which produce low voltage to high voltage, are the most important design part. Classical power converters with high voltage output have high power loss lead to heating. Therefore, efficiency is one of the most important parameters in power controller design. Classical power amplifiers are not efficient. Since DC-DC converters have higher switching frequencies, the efficiency of system shall be increased by reducing circuit components and designing precise controller. DC-DC step-up converters are electronic circuits that convert input voltage by switching to output voltage higher than the input voltage level. There are many types of DC-DC step-up converters and diverse design combinations are possible to apply. In this study, PI controller-based DC-DC boost-flyback converter that provide 500V output voltage from an input voltage of around 30V has been designed. Owing to combination of the boost-flyback converter, the efficiency of step-up converter get increase. The PI controller conduct transformation time, voltage level and steady state. The designed controller is confirmed by testing with different output loads. In controller design, state space equations of the boost-flyback converter are calculated by using the state space averaging method. The state space equations of the boostflyback converter were calculated using the state space averaging method. Analyzing the boost-flyback has difficulties since the system consist of two converter systems in series. To simplify the mathematical calculation process, the boost and flyback converters are analyzed individually. State space equations, small signal model and transfer function are calculated for the controller design of the system. Afterwards, the simulation and analysis of the system are executed in Matlab and Simulink.