Yüksek güçlü izole DA-DA dönüştürücü tasarımı, modellemesi ve kontrolü

Abstract

Hızla gelişen teknoloji ve bu teknolojiyle paralel olarak ilerleyen güç kontrol ihtiyacı sürekli olarak artmaktadır. Güç kontrol ihtiyacını en iyi şekilde yönetebilmek için DA-DA dönüştürücüler akla ilk olarak gelen yöntemdir. Böylesine elemanlar yenilenebilir enerji sistemleri, yeni nesil kaynak makineleri ve motor uygulamaları gibi oldukça geniş bir kullanım alanına sahiptir. Evlerden sanayiye kadar ihtiyaç duyulan DA-DA dönüştürücüler, kullanılan güç mertabelerine ve istenilen koruma şekline göre farklılık göstermektedir. DA-DA dönüştürücüler, yüksek veya alçak güç ihtiyaçlarına, izole veya izole olmayan şekilde cevap vermektedir. DA-DA dönüştürücüler temelde analog devre elemanlarının biraraya gelmesiyle olışmaktadır. Analog devre elemanlarının iç yapılarından ve üretildikleri malzemeden kaynaklı olarak beklenilen özellikte olmaması ve bozucu çevresel etkilerden dolayı çıkışta tam olarak arzulanılan gerilim ve akım değeri elde edilemeyebilir. Ek olarak dönüştürücü topolojilerinin bütünü düşünüldüğünde istenmeyen birçok kayıp meydana gelmektedir. Tüm bunlar göz önüne alındığında ise dönüştürücünün doğru bir şekilde kontrol edilmesi krtik hale gelmektedir. Dönüştürücülerde temel olarak ikiye ayrılan kontrol yöntemlerden biri akım mod kontrol bir diğeri ise gerilim mod kontroldür. Akım mod kontrol yöntemleri içerisinde içiçe iki kontrol döngüsü barındırmaktadır. Bu yapısından ötürü sistemin sağlamlığı ve tepkisi de diğer yöntemlere nazaran daha iyi hale gelmektedir. Akım mod kontrol yönteminin iç kontrol döngüsünü akım, dış kontrol döngüsünü gerilim kontrolü oluşturmaktadır. Gerilim döngüsünün çıkışı akım kontrolüne referans olarak kullanılmaktadır. Gerilimi kontrol edebilmek adına en çok kullanılan yöntem basit ve maliyetsiz yapısınının yanında uygulama kolaylığı da düşünüldüğünde PID olmaktadır. PID yöntemi, hata analizine dayanmaktadır ve dönüştürücü çıkışından sürekli olarak alınan ölçüm değerine ihtiyaç duymaktadır. PID yöntemi kendi içerisinde farklı tiplerde kullanılmaktadır. Dönüştürücü sistemlerinde en çok kullanılanı dönüştürücülerin doğası gereği PI yöntemidir. Akım mod kontrolcüler de kendi içerisinde ikiye ayrılmaktadır. Bunlardan bir tanesi tepe akım mod kontrol yöntemi ve diğeri ise ortalama akım mod kontrol yöntemidir. İki yöntemin de birbirerine kıyasla artı ve eksi yönleri bulunmaktadır. Bu çalışma kapsamında, yüksek güçler için ilk tercih olan tam köprü dönüştürücü tasarımı yapılacak ve kritik eleman seçimleri yapılacaktır. Tam köprü çevirici sistemsel seviyede ele alınacak ve akım mod kontrole uygun olarak küçük işaret analizi yapılacak, transfer fonksiyonları oluşturulacaktır. Ardından kontrolcüsü tasarlanacak olan tam köprü dönüştürücünün benzetim çalışması PSIM programı kullanılarak tamamlanacak ve sonuçlar irdelenecektir.

The rapidly developing technology and the necessity of power control progressing in parallel with this technology is constantly increasing. DC-DC converters are the first method that comes to mind in order to best manage the power control necessity. Such elements have a wide range of uses such as renewable energy systems, new generation welding machines and motor applications. DC-DC converters needed from homes to industry differ according to the power levels used and the desired protection type. DC-DC converters respond to high or low power necessity in an isolated or non-isolated manner. DC-DC cenverters are basically composed of analog circuit elements. Due to the internal structure of the analog circuit elements and the material from which they are produced or disruptive environmental effects, the desired output voltage and current values may not be consistent. Also, considering the whole converter topologies, many undesirable losses occur. Think about all this effects, control of the converter becomes very critical. Converter control methods are divided into two types called as current mode control and voltage mode control, basically. Current mode control includes two nested control loops. Due to this structure, robustness and dynamical behaviour of system are getting better. The inner control loop of the current mode control method is current, and the outer control loop is voltage. The most used method to control the voltage is PID, considering its simple and inexpensive sutructure as well as the ease of use. PID method is based on error analysis and requires the measurement value taken continuously from the converter output. PID method is used in different types. The most used in converter systems is the PI method due to the nature of the converter systems. Current mode controllers are also divided into two method. One of them is the peak current mode control and the other is the aveerage current mode control method. Both methods have pros and cons compared to each other. Within the scope of study, as a first choice for high power systems, full-bridge converter will be designed and critical element selections will be made. Full-bridge converter will be handled at the system level and small signal analysis will be made in accordance with the current mode control and the transfer function will be created. Then, the simulation study of the full-bridge converter whose controller will be designed will be completed using the PSIM program and the results will be examined.