Yüksek frekanslı izole DC-DC dönüştürücü tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of a high-frequency isolated DC-DC converter
- Tez No: 1014075
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HULUSİ KARACA, PROF. DR. İBRAHİM SEFA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Selçuk Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Teknolojik dönüşümlerle birlikte mobil cihazlar, elektrikli araçlar ve yenilenebilir enerji sistemleri için yüksek verimli enerji depolama ve dönüşüm çözümlerine duyulan ihtiyaç kritik bir boyuta ulaşmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının çoğunun doğal DC çıkış karakteristiği ve batarya tabanlı depolama ünitelerinin bu sistemlere entegrasyonu, güç şebekelerinde DC mikro şebeke ve akıllı şebeke mimarilerine olan ilgiyi artırmıştır. Bu dönüşüm süreci, farklı DC gerilim seviyeleri arasında güvenilir geçiş, galvanik izolasyon ve hassas regülasyon sağlayan, yüksek güç yoğunluğuna sahip DC-DC dönüştürücü teknolojilerini modern enerji altyapısının vazgeçilmez bir temel bileşeni haline getirmiştir. Bu tez çalışması kapsamında, söz konusu gereksinimleri karşılamak amacıyla SiC MOSFET tabanlı, tam köprü LLC rezonans dönüştürücü ve bu sistemin manyetik bileşeni olan yüksek frekanslı transformatör (YFT) tasarımı ele alınmıştır. YFT tasarım sürecinde, yüksek anahtarlama frekansında çalışmanın getirdiği histerezis ve eddy akımı kayıplarını minimize etmek amacıyla nüve malzemesi seçimi üzerine kapsamlı bir analiz yapılmıştır. Bu kapsamda nüvenin akı yoğunluğu, özdirenç ve geçirgenlik karakteristikleri bakımından ferrit, nanokristal ve amorf malzemeler karşılaştırılmıştır. Yüksek frekans performansı ve maliyet optimizasyonu analizi sonucunda, kullanılacak YFT için ferrit nüve malzemesi seçilmiştir. Artan anahtarlama frekansının manyetik nüve hacmini küçülterek güç yoğunluğunu artırdığı teorik olarak gösterilmiştir. Ayrıca, deri (skin effect) ve yakınlık etkilerinden (proximity effect) kaynaklanan sargı kayıplarını kontrol altına alarak toplam verimi korumak için optimize edilmiş sargı yapısı ve litz teli kombinasyonu tercih edilmiştir. Geliştirilen YFT tasarımı, Ansys Maxwell programı kullanılarak sonlu elemanlar analizi (FEA) yöntemiyle modellenmiştir. Manyetik akı dağılımı ve Steinmetz denklemi tabanlı nüve kayıplarının analizleri yapılarak rezonans tankı bileşenleriyle uyumu doğrulanmıştır. Dönüştürücünün anahtarlama kayıplarını en aza indirmek üzere birinci rezonans frekansının üzerindeki endüktif bölgede çalışma tercih edilmiştir. Tüm çalışma şartları için ZVS (Sıfır Gerilim Anahtarlama) ve ZCS (Sıfır Akım Anahtarlama) koşullarının sağlanmasıyla sistem veriminin arttırılması hedeflenmiştir. Tasarlanan dönüştürücü, Faz Kaydırma Modülasyonu (Phase Shift Modulation, PSM) ve önerilen Modelsiz Kayan Kipli Kontrol (Model Free Sliding Mode Control, MFSMC) teknikleri kullanılarak kontrol edilmiştir. Önerilen MFSMC tekniği, LLC dönüştürücülerin doğrusal olmayan karmaşık dinamiklerine karşı üstün özellikler sunmuştur. MFSMC stratejisi sistemin kesin matematiksel modeline ihtiyaç duymadan, yalnızca giriş-çıkış verilerini kullanarak toplam belirsizlik tahmini yapmaktadır. Üretilen prototip üzerinde, önerilen MFSMC tekniği ile gerçekleştirilen deneysel çalışmalar, değişken yük koşulları altında sistemin dinamik kararlılığını koruduğunu ve geçici rejim tepkilerinin minimize edildiğini açıkça ortaya koymaktadır. Elde edilen sonuçlar, tasarlanan YFT ve önerilen yumuşak anahtarlama sayesinde transformatörün nüve ve sargı kayıpları ile SiC MOSFET anahtarlama kayıplarının önemli ölçüde azaldığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
With ongoing technological transformations, the demand for high-efficiency energy storage and conversion solutions for mobile devices, electric vehicles, and renewable energy systems has become critical. The inherent DC output characteristics of most renewable energy sources, together with the integration of battery-based storage units into these systems have increased interest in DC microgrids and smart grid architectures. This transformation has made high-power-density DC–DC converter technologies, capable of providing reliable voltage conversion between different DC voltage levels, galvanic isolation, and precise regulation, indispensable building blocks of modern energy infrastructure. Within the scope of this thesis, a SiC MOSFET-based full-bridge LLC resonant converter and its magnetic component, namely a high-frequency transformer (HFT), have been designed and investigated to meet these requirements. In the HFT design process, a comprehensive analysis of core material selection has been conducted to minimize hysteresis and eddy-current losses associated with operation at high switching frequencies. In this context, ferrite, nanocrystalline, and amorphous core materials have been compared in terms of flux density, resistivity, and permeability. Based on analyses of high-frequency performance and cost, ferrite has been selected as the core material for the HFT. It has been theoretically demonstrated that increasing the switching frequency reduces magnetic core volume, thereby increasing power density. Additionally, an optimized winding structure combined with litz wire has been employed to mitigate winding losses caused by skin and proximity effects, thereby preserving overall efficiency. The developed HFT has been modeled in Ansys Maxwell using finite element analysis (FEA). Magnetic flux distribution and Steinmetz-equation-based core losses have been analyzed, and compatibility with the resonant tank components has been verified. To minimize switching losses, operation in the inductive region above the first resonant frequency has been preferred. To enhance system efficiency, the converter has been designed to ensure zero-voltage switching (ZVS) and zero-current switching (ZCS) under all operating conditions. The designed converter has been controlled using Phase Shift Modulation (PSM) and the proposed Model-Free Sliding Mode Control (MFSMC) technique. The proposed MFSMC method provides superior performance in handling the nonlinear and complex dynamics of LLC converters. The MFSMC strategy estimates the total system uncertainty using only input-output data, without requiring an exact mathematical model of the system. Experimental studies conducted on the developed prototype using the proposed MFSMC technique clearly demonstrate that the system maintains dynamic stability under varying load conditions and that transient responses are effectively minimized. The results obtained indicate that, owing to the designed HFT and the proposed soft-switching approach, both transformer core and winding losses, as well as SiC MOSFET switching losses, have been significantly reduced.
Benzer Tezler
- Sıfır gerilimde anahtarlamalı, faz kaydırmalı rezonant PWM kontrollü, tam köprü DC-DC dönüştürücü tasarımı ve uygulanması
Design and application of zero voltage switching, phase shifted resonant PWM controlled, full bridge DC-DC converter
AKİF HAKKI POLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
- Full-Bridge DC-DC Converter Design For Water Pump Applications
Su Pompası Uygulamaları İçin Tasarlanmış Tam Köprülü DC-DC Dönüştürücü
MEHMET CAN ÖCAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Okan ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER CİHAN KIVANÇ
PROF. RAMAZAN NEJAT TUNCAY
- İki yönlü üç seviyeli T-tipi LLC rezonans izole DA-DA dönüştürücünün tasarımı ve analizi
Design and analysis of bidirectional three level T-type LLC resonant isolated DC-DC converter
KEMAL KALAYCI
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. UĞUR ARİFOĞLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR DEMİREL
- Design of an isolated fast charging system for EVS based on three-phase bidirectional AC-AC matrix converter
EA'lar için üç fazlı çift yönlü AC-AC matris dönüştürücü tabanlı izole hızlı şarj sistemi tasarımı
MOSSAB AL ARYAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET METE VURAL
- Design and implementation of phase-shifted full-bridge converter with a current doubler for HV to LV battery charger in electric vehicles
Elektrikli araçlarda YG bataryadan AG bataryayı şarj eden akım katlayıcılı faz kaymalı tam köprü dönüştürücünün tasarımı ve gerçeklemesi
TEVHİDE DAYIOĞLU YURDAKONAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT YILMAZ