PROF. DR. HACI BODUR

Sıfır gerilim geçişli faz kaydırmalı tam köprü türü bir PWM DC-DC dönüştürücünün incelenmesi ve gerçekleştirilmesi

Darbe Genişlik Modülasyon (PWM) tekniği ile kontrol edilen DC-DC dönüştürücüler, güç yoğunluğu, hızlı geçiş cevabı ve kontrol kolaylığı nedeniyle endüstride yaygın olarak tercih edilmektedirler. Tasarımlarda güç yoğunluğunun daha da artabilmesi ve sistemin cevap verme süresinin iyileşebilmesi, anahtarlama frekansının artması ile mümkündür. Anahtarlama frekansının artması, anahtarlama kayıplarının ve elektromanyetik girişimlerin (EMI) artmasına neden olmaktadır. Bu yüzden frekansın artırılması, ancak sert anahtarlama (HS) yerine yumuşak anahtarlama (SS) tekniklerinin kullanılması ile mümkün olmaktadır. Faz Kaydırmalı tam köprü türü DC-DC dönüştürücü, PWM kontrollü anahtarlamalı güç kaynakları içerisinde yüksek güçlü, izolasyonlu ve yumuşak anahtarlamalı özelliklerinden dolayı en çok tercih edilen devre topolojilerinden biridir. Temel topoloji, ilave bastırma hücreleri kullanılmaksızın, güç anahtarları için sıfır gerilim geçişinin (ZVT) sağlandığı bu devre yüksek frekanslarda çalışarak, güç yoğunluğunun artmasına olanak sağlamaktadır. Bu çalışmada yumuşak anahtarlama kavramı ile ilgili temel kavramlara yer verilmiş, temel faz kaydırmalı tam köprü DC-DC dönüştürücü ayrıntılı olarak incelenerek, tasarım kriterleri değerlendirilmiştir. Temel topolojiye ek olarak dönüştürücüde doyumlu endüktans kullanılarak ZVT aralığının arttırılması amaçlanmıştır. Laboratuvarda prototipi gerçekleştirilen devrede giriş gerilimi 311V DC, anahtarlama frekansı 100 kHz, çıkış gücü 1000 W (24V / 41.66A) olan faz kaydırmalı tam köprü DC-DC dönüştürücünün tüm yük koşulları altında çalışma durumları gözlenmiştir. Gerçekleştirilen devreden alınan deneysel sonuçlardan, topolojinin yüksek frekanslı ve yüksek güçlü uygulamalar için iyi bir seçim olduğu ve doyumlu endüktans sayesinde geniş yük aralığında ZVT’nin sağlandığı ve anahtarlama kayıplarının azaldığı doğrulanmıştır. Bununla beraber doyumlu endüktans sıcaklığındaki artış ve çıkış doğrultucu diyotlarının çok ciddi parazitik salınımlara maruz kalması, giderilmesi gereken dezavantajlar içerisinde yer almıştır.

Bir eğitim simülatöründeki çok sayıda adım motorunun PC ile hız ve konum kontrolünün gerçekleştirilmesi

Bu çalışmada, kullanıcıların eğitiminde kullanılan simülatörlerdeki ibreli göstergelerin, adım motorları kullanılarak tasarlanması amaçlanmıştır. Uygulama, bir bilgisayar arayüzü, 3 adet donanım birimi ve bu donanım birimleri ile bilgisayar arasındaki iletişimi sağlayan merkezi işlem birimi tasarımından oluşmaktadır. Bilgisayar ile merkezi işlem birimi iletişimi için RS?232, merkezi işlem birimi ile diğer donanım birimleri arasındaki iletişim için RS?485 haberleşme protokolü kullanılmıştır.

Yeni bir yumuşak anahtarlamalı tek fazlı güç faktörü düzeltme devresinin geliştirilmesi ve gerçekleştirilmesi Development and implementation of a new single phase soft switching power factor correction circuit

Son yıllarda daha da sık kullanılan güç elektroniği sistem ve cihazlarının şebekeden çektiği harmonikli akımlar, şebekeyi bozmakta ve güç faktörü değerini düşürerek şebekeyi gereksiz yere yüklemektedir. Harmonikler, aynı şebekeden beslenen diğer alıcıların çalışmasını da olumsuz olarak etkilemektedir. Bu sebeple harmonik standartlarıyla ilgili yönetmelikler her geçen gün gelişmekte ve sınırlamalar artmaktadır. Güç faktörünün değeri, kayma faktörü ile şebekeden çekilen akımdaki harmonik bozulmanın çarpımına bağlıdır. Kayma faktörü, akım ile gerilim arasındaki faz farkından ortaya çıkar ve omik yük için ?1? değerini alır. Bu durumda güç faktörünü iyileştirmek için yapılması gereken, şebekeden çekilen akımdaki harmonik içeriği azaltmaktır. Bu sebeple geliştirilen yumuşak anahtarlamalı tek fazlı güç faktörü düzeltme devresinde, diyot köprüsünden sonra yumuşak anahtarlamalı yüksek çıkışlı ZVT-ZCT PWM dönüştürücü kullanılmıştır. Uygun algoritmalar ile kontrol edilen dönüştürücünün, şebekeden düşük harmonikli sinüzoidal bir akımın çekmesi sağlanmıştır. Geliştirilen dönüştürücü devresi ile, ana anahtar ZVT ile iletime ZCT ile kesime girmekte ve üzerinde hiçbir ilave akım veya gerilim stresi oluşmamaktadır. Yardımcı anahtar ZCS ile iletime ve ZCS ile kesime girer ve anahtarın üzerinde hiçbir gerilim stresi oluşmaz. Yardımcı anahtarın üzerinden akacak olan rezonans akımının bir kısmı kuplajlı endüktans ile çıkışa yönlendirilerek, yardımcı koldaki akım stresi azaltılmıştır. Bu topoloji kullanılarak çalıştırılan 300 W ve 100 kHz’lik sistemdeki toplam verim %98 değerini alırken, güç faktörü de 0.99 değerinde olmakta ve şebekeden sinüzoidal bir akım çekilmektedir. Anahtar kelimeler: Güç faktörü, harmonik, yumuşak anahtarlama, yüksek çıkışlı dönüştürücü, ZCS, ZCT, ZVT.

Yeni bir yumuşak anahtarlamalı ve yüksek güç faktörlü AC-DC dönüştürücünün geliştirilmesi ve gerçekleştirilmesi

Günümüzde, gelişen teknoloji ve yükselen refah düzeyi sayesinde, elektrikli cihazların kullanımı giderek artmakta ve daha fazla enerji tüketilmektedir. Aynı zamanda, dünyamızın enerji kaynakları da hızlıca tükenmektedir. Bu sebeple enerjinin daha verimli ve tasarruflu kullanılması gerekmektedir. Ayrıca, günümüzde kullanılan Kesintisiz ve Anahtarlamalı Güç Kaynakları (UPS ve SMPS), Elektronik Balastlar (EB) gibi lineer olmayan alıcıların çektiği harmonikli akımlar şebekeyi bozmaktadır. Bu da aynı şebekeye bağlı olan bilgisayarlar, mikroişlemciler gibi hassas cihazlarda hata ve bozulmalara sebep olmaktadır. Bu nedenle enerjinin daha kaliteli kullanılması da oldukça önemlidir. Kullanılan enerjinin verim ve kalitesi açısından, ulusal ve uluslararası düzeyde, güç faktörü ve harmonik içerik için sınırlama ve standartlar geliştirilmektedir. İstenen verim ve kalitenin sağlanabilmesi için, cihaz üreticileri Güç Faktörünün Düzeltilmesi (PFC) olarak bilinen farklı teknikler kullanmaktadır. Güç faktörü, oldukça hantal ve pahalı olan pasif filtreler veya oldukça karmaşık ve pahalı olan aktif filtreler ile düzeltilebilmektedir. Ancak, son zamanlarda bu konuda yapılan akademik ve endüstriyel çalışmalar, pek çok avantaja sahip olan yüksek frekanslı AC-DC dönüştürücü temelli PFC devreleri üzerinde yoğunlaşmaktadır. Kaliteli bir PFC yapılabilmesi, AC-DC dönüştürücünün yüksek anahtarlama frekansında çalıştırılması ile mümkün olmaktadır. Frekansın yükselmesi ise, anahtarlama kayıpları ile Elektro Manyetik Girişimin (EMI) artması, aşırı gerilim ve akım streslerinin oluşması, devrenin uygulanabilme yeteneğinin zayıflaması, toplam verimin düşmesi gibi sorunlara yol açmaktadır. Bu sorunlar, Sert Anahtarlama (HS) yerine Yumuşak Anahtarlama (SS) tekniklerinin kullanılması ile aşılabilmektedir. Yumuşak anahtarlama teknikleri, temel olarak Sıfır Gerilimde Anahtarlama (ZVS), Sıfır Akımda Anahtarlama (ZCS), Sıfır Gerilimde Geçiş (ZVT) ve Sıfır Akımda Geçiş (ZCT) şeklinde sıralanmaktadır. Bu tezde, PFC uygulamalarında kullanılmak üzere, yeni bir Yumuşak Anahtarlamalı ve Yüksek Güç Faktörlü (SS-HPF) AC-DC dönüştürücü geliştirilmiştir. Bu yüksek güç faktörlü ve yumuşak anahtarlamalı dönüştürücüde, ana anahtar ZVT ile iletime ve ZVS ile kesime girer. Yardımcı anahtar ZCS ile iletime ve ZVS ile kesime girer. Ana diyot ile diğer bütün diyotlar da SS ile çalışır. Aynı zamanda bu dönüştürücüde, endüktansta biriken SS enerjileri bir transformatör vasıtasıyla etkili bir şekilde çıkışa aktarılır ve yardımcı anahtarın akım stresi önemli ölçüde düşürülür. Bu dönüştürücüde, hiçbir yarı iletken eleman ilave bir gerilim stresine maruz kalmaz ve geniş bir hat gerilimi ve yük akımı aralığında SS şartları korunur. Geliştirilen yeni SS-HPF AC-DC dönüştürücünün detaylı bir kararlı durum analizi yapılmış ve bu teorik analiz uluslararası hat gerilimi (85 -265 Vac) aralığında 100 kHz ve 1 kW’lık bir prototip ile doğrulanmıştır.

Rezonans devreli ve yumuşak anahtarlamalı yeni bir tek aşamalı PFC devresinin geliştirilmesi

Gün geçtikçe artan teknolojik gelişmeler ve toplumların refah düzeyleri sayesinde, elektrikli cihazların kullanım alanları artmakta, daha fazla enerji tüketilmekte ve enerji kaynakları hızla tükenmektedir. Bu nedenle enerjinin daha verimli kullanılması gerekmektedir. Günümüzde sıkça kullanılan anahtarlamalı güç kaynakları, kesintisiz güç kaynakları, elektronik balastlar v.b. lineer olmayan yükler, çektikleri harmonik akımlar nedeniyle şebekeyi bozmaktadır. Lineer olmayan bu yükler, aynı şebekeye bağlı olan bilgisayar, mikroişlemci v.b. hassas cihazların çalışmasını olumsuz yönde etkilemektedir. Bu nedenle enerjinin daha kaliteli kullanılmasının önemi gün geçtikçe artmaktadır. Enerjinin verimli ve kaliteli kullanılması açısından ulusal ve uluslar arası düzeyde, sınırlamalar ve standartlar geliştirilmiştir. İstenilen standartlara uygun güç faktörü ve harmonik değerlerini sağlamak üzere, son yıllarda hem akademik hem de endüstriyel olarak güç faktörü düzeltme devreleri üzerinde yoğun bir şekilde çalışılmaktadır. Güç faktörünün düzeltilmesinde, pasif filtreler yıllarca yaygın olarak kullanılmıştır. Bu amaçla, son yıllarda aktif filtrelerin yanında, yüksek frekanslı AC-DC dönüştürücü temelli güç faktörü düzeltme (PFC) devreleri üzerinde çalışılmaktadır. Pasif filtrelerin ağır ve hantal ve aktif filtrelerin karmaşık ve pahalı olmaları nedeniyle, AC-DC dönüştürücü temelli PFC devrelerine olan ilgi hızlı bir şekilde artmaktadır. Yüksek frekanslı AC-DC dönüştürücü tabanlı PFC devreleri, temel olarak iki ve tek aşamalı olabilmekte, sürekli akım modu (CCM) ve kesintili akım modu (DCM) ile çalışabilmektedir. İki aşamalı PFC devrelerinde, iki adet anahtar ile iki adet kontrol çevrimi bulunmakta ve güç iki defa işlenmektedir. Tek aşamalı olanlarda ise, tek kontrol çevrimi ile genellikle tek anahtar kullanılmakta ve gücün bir kısmı bir defa işlenerek doğrudan çıkışa aktarılmaktadır. Özellikle CCM ile çalışmada, anahtarların kayıpları ve elektro manyetik girişim (EMI) öne çıkmaktadır. İki aşamalı olanlarda fiyat artmaktadır. Bu nedenle, özellikle düşük güçlü uygulamalarda, yumuşak anahtarlama (SS) ve doğrudan güç transferi (DPT) sağlayan ve DCM ile çalışan tek aşamalı PFC devreleri son yıllarda çok ilgi çekmektedir. Bu çalışmada, rezonans devre ve yumuşak anahtarlama temelli olan, doğrudan güç transferini sağlayan ve DCM ile çalışan yeni bir tek aşamalı PFC devresi ortaya konulmuştur. Bu devrede, PFC ve regülasyon amaçlı iki anahtar ile tek kontrol çevrimi kullanılmıştır. Birinci anahtar ve rezonans devresi yardımıyla, şebekeden genliği şebeke gerilimiyle orantılı yüksek frekanslı sinüzoidal akım darbeleri çekilerek, PFC ve SS sağlanmıştır. İkinci anahtar vasıtasıyla, yine rezonans temelli olarak, hem DPT hem de gerilim regülasyonu sağlanmıştır. Sunulan devrenin etraflı olarak teorik analizi yapılmış ve bu teorik analiz simulasyon ve deneysel sonuçlar ile doğrulanmıştır.