Contributions to design of dsp controlled pulse width modulated ac-ac converters with new generation semiconductor switches
Yeni nesil anahtarlama elemanları ile sayısal işaret kontrollü, darbe genişlik modülasyonlu alternatif akım kıyıcı tasarımına katkılar
- Tez No: 535480
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 147
Özet
AA-AA çeviriciler, belirli genliği olan bir giriş geriliminden istenen genlikte çıkış alınmasını sağlayan dönüştürücü sistemlerdir. AA gerilim kaynakları ve AA yükler endüstrinin önemli parçalarından oldukları için AA çeviriciler önem arz eden bir konudur. Bu tip çeviriciler endüstriyel ısıtma, aydınlatma kontrolü, fan ve pompa motorlarının hız kontrolleri ve alternatif akım makinalarının yumuşak kalkış devreleri gibi pek çok alanda faaliyet göstermektedir. Temel anlamda AA-AA çeviriciler ototrafolar ve güç elektroniği devreleri olarak iki ana başlıkta toplanabilirler. Ototrafolar, AA-AA çevirici sistemlerin en eski ve en temel türleridirler. Bu sistemler, transistörlerden yıllar önce icat edilmiş ve endüstride kullanılmışlardır. Temel olarak voltaj regülatörlerinde sıklıkla kullanılmaktadırlar. Buna rağmen, ototrafo temelli AA-AA çevirici sistemlerin pek çok dezavantajı bulunmaktadır. Bu cihazların hacimleri ve ağırlıkları, güç elektroniği temelli çeviricilerinin hacimleri ve ağırlıklarından kat kat fazladır. Ayrıca, ototrafolar çok ağır ve hacimli sistemler olduklarından, uçak, araba ve gemi gibi ağırlık sınırları olan araçlarda kullanımları zor olmaktadır. Öte yandan, gerilim regülatörleri açısından bakıldığında, ototrafo sistemlerinin tepki süresi güç elektroniği temelli AA-AA çeviricilerin tepki süresinden ciddi miktarda daha uzundur. Bu ototrafolar ayar kanadında servo motorlar kullandıklarından, servo motorların ataletleri tepki süresini uzatmaktadır. Bu problem, tristör temelli AA-AA kıyıcıların icadı ile bir nebze de olsa çözüme kavuşmuştur. Tristörler görece“yüksek”frekansta çalışabildiklerinden, tristör temelli AA-AA kıyıcıların tepki süreleri regülatör sistemleri için çok daha uygun hale gelmiştir. Bu durumun bir diğer sebebi ise elektriksel cevap süresinin mekanik cevap süresinden çok daha kısa olmasıdır. Bunlara ek olarak, gelişen yarı-iletken teknolojisi ile bu devrelerin güç mertebeleri de yükselmiştir. Tristör tabanlı AA-AA çeviriciler tepki süresi problemini çözmüş olsa da, şebeke frekansında çalıştıklarından çok ciddi düzeylerde giriş ve çıkış harmoniklerine sebep olmaktadırlar. Çalışma frekansları sebebiyle bu harmonikler, çok büyük filtre elemanları gerektirecek kadar düşük frekanslarda oluşmaktadır. Transistörün icadından birkaç on yıl sonra, yüksek elektriksel sınırlara ve dayanıma sahip transistörler üretilebilmeye başlamıştır. İçinde bulunduğumuz yıllarda, yüksek gerilim ve akım değerlerinde çalışabilen IGBT ve MOSFET anahtarlar pazarda kolayca bulunabilmektedirler. Bahsedilen bu durum ve teknolojik gelişmeler de darbe genlik modülasyonlu AA-AA çeviricileri motor sürücüler, aydınlatma kontrol devreleri, endüstriyel ısıtma, gerilim regülatörleri ve yumuşak kalkış sistemleri gibi cihazlar için önemli bir noktaya taşımıştır. Son yıllarda, yeni nesil Galyum Nitrit tabanlı yarı-iletken güç anahtarları üretilmeye başlanmış ve çeşitli endüstriyel sistemlerde ve akademik çalışmalarda kullanılmaya başlanmıştır. Aslında, bu anahtarlar onlarca yıl boyunca yüksek frekanslı, düşük güçlü sistemlerde kullanılmıştır. Ancak, güç yarı-iletkeni üretim teknolojilerinin yüksek-voltaj/yüksek-akım GaN anahtarları üretmek için yeterince gelişmemiş olması sebebiyle güç elektroniği sistemlerinde kullanılamamışlardır. Gelişen üretim teknolojileri sayesinde bazı firmalar, yüksek-voltaj/yüksek-akım uygulamaları için yeni nesil GaN tabanlı yarı-iletken anahtarlar üretmeye başlamışlardır. Bu yeni nesil anahtarların ana avantajları, halihazırda pazarda bulunan transistörlere kıyasla düşük dirençli olmaları, düşük açılma ve kapanma sürelerine sahip olmaları, düşük güç tüketmeleri ve düşük kapı eşik gerilimlerine sahip olmaları olarak sıralanabilir. Mühendisliğin her alanında olduğu gibi, avantaj olarak ortaya çıkan durumlar yanlarında bazı dezavantajlar da getirmektedir. Yeni nesil güç anahtarlarının belirtilen özellikleri, kapı sürüş devresine ve PCB (Baskı devre) güzergahlarına daha fazla dikkat edilmesini gerektirmektedir. GaN anahtarlarının tepki süresi ve eşik voltajı çok düşük olduğundan, filtrelenemeyen herhangi bir gürültü, AA dönüştürücü için tehlikeli durumlara neden olabilir. Bu nedenle, kapı sürüş devresinin gürültü sınırları çok dardır ve baskı devre tasarımı dikkatle yapılmalıdır. Darbe genişlik modülasyonlu AA-AA çeviricilerin temel avantajları arasında çok hızlı cevap süresi, kolayca filtrelenebilen yüksek frekans harmonikleri, düşük harmonik bozunum, yüksek kaliteli çıkış sinyalleri ve daha küçük boyutlarda filtre ve soğutma elemanları ile çalıştırılabilmeleri yer almaktadır. Yukarıda bahsedilen tüm bu etmenler, darbe genişlik modülasyonlu AA-AA çeviricileri literatürde ve endüstride önemli bir yere taşımaktadır. Bu nedenle bu tezde, yeni nesil yarı-iletken anahtarlama elemanları kullanılarak tek fazlı darbe genişlik modülasyonlu bir AA- AA çevirici benzetim ortamında tasarlanacak, üretilecek ve deneysel sonuçlar analiz edilerek literatüre değerli katkılar sunulacaktır. Darbe genişlik modülasyonlu AA çeviriciler tasarlanırken bu çeviricilerin kullanım alanları ve yük tipleri incelenmeli ve çeviricilerin tasarımı bu parametreler göz önünde bulundurularak yapılmalıdır. Endüstriyel uygulamalarda kullanılan AA çeviricilerin yükleri genellikle endüktif özellik göstermektedirler. Bu çeviricilerin kullanım alanları arasında asenkron makine sürücüleri, aydınlatma sistemleri, yumuşak yol verme devreleri ve endüstriyel ısıtıcılar büyük çoğunluğu oluşturmaktadır. Tüm bu sistemlerin ortak özelliklerinin en başında yük koşullarının endüktif olması gelmektedir. Darbe genişlik modülasyonlu AA çeviriciler, tristör tabanlı çeviricilere göre çok daha yüksek frekanslarda çalışmakta ve her iki alternans için ayrı ayrı yarım köprü bağlantı şemaları ile oluşturulmaktadırlar. Yarım köprü şeması ile bağlanmış şekilde çalışan yarı iletken anahtarların kullanımında dikkat edilmesi gereken pek çok önemli nokta mevcuttur. Bunlardan en önemlisi birbirini tümleyen şekilde çalışmakta olan bu iki yarı iletken anahtarın aynı anda açılmamasını sağlayacak kontrol algoritmalarının tasarlanması gerekliliğidir. Bu durumun çözümü olarak ölü zaman adı verilen, genellikle nanosaniye mertebelerinde olan zaman aralıkları iki anahtarın açılma ve kapanma zamanları arasına kasten eklenmektedir. Ancak bu çözüm beraberinde komutasyon problemi adı verilen bir sorunu getirmektedir. Komutasyon problemi, endüktif karakterde yükler ile yüklenmiş AA kıyıcılarda yıkıcı sonuçlara sebep olabilir. Yarım köprü şeması ile bağlanmış ve birbirine zıt ve tümleyen sürüş sinyalleri ile anahtarlanan iki yarı iletken anahtarın açılma ve kapanma zamanları arasına kasten yerleştirilen bu kısa boşluk yük endüktansının akımının kesilmesine sebep olmaktadır. Bilindiği üzere, akımı kesilen endüktans bir gerilim darbesi üretir. Bu darbenin genliği, gerilime karşı hassas olan alan etkili transistörler için son derece tehlikeli mertebelere ulaşabilmekte ve yarı iletken anahtarı çalışamaz hale getirebilmektedir. Oluşan bu gerilim darbeleri yarı iletken anahtarlara zarar vermeyecek mertebelerde olsalar dahi, bu gerilim sıçramalarının anahtarlama anındaki kayıpları arttırarak toplam evirici verimini azaltacağı aşikardır. Literatürde yer alan sönümleyiciler (komutatörler) AA ve DA sönümleyiciler olmak üzere ikiye ayrılmaktadırlar. DA sönümleyici yapılar, yalnızca kapasitif elemanlar içerdiklerinden çok daha düşük enerji kayıpları ile gerilim darbesi sönümleme görevlerini yerine getirebilmektedirler. Bu sebeple, bu çalışmada üretilen ve deneysel sonuçları elde edilen AA çevirici için DA sönümleyici tasarımı yapılarak komutason problemi çözüme kavuşturulmuş ve çeviricinin endüktif yük koşulları altında da güvenle çalışması sağlanmıştır. Tek fazlı darbe genişlik modülasyonlu AA çeviricilerde komutasyon işleminin verimli ve güvenilir bir şekilde yapılabilmesi için geliştirilecek anahtarlama algoritması da en az kapasitif elemanların yerleşimi kadar önemlidir. Geliştirilen anahtarlama algoritmasının ölü zaman aralıklarında yük endiktansı akımına olabilecek en hızlı şekilde bir akış rotası sağlaması gerekmektedir. Bu sebeple, geliştirilen anahtarlama algoritmasının, giriş geriliminin yönünü olabildiğince az gecikme ve yüksek isabet ile belirleyebilmesi ve giriş geriliminin kutbuna göre anahtarlama sinyallerini ayarlaması hedeflenmiştir. Yapılan laboratuvar testlerinde, giriş geriliminin kutbuna bağlı olarak ayarlanan ve çalışan anahtarlama algoritmasının yarı iletken anahtarlama elemanları üzerinde oluşan gerilim stresini azalttığı ve bu sayede toplam verimi arttırdığı görülmüştür. Tasarlanan AA çevirici devre için düşük kayıplı bir faz geçiş algılama sistemi tasarlanmıştır. Referans alınan hatta göre pozitif ve negatif olarak belirlenen kutuplardan gelen düşük gerilimli faz bildirim sinyalleri, bir sayısal işaret işleyici ve gerekli mantık devreleri ile istenen anahtarlama algoritmasını oluşturabilecek şekilde tasarlanmıştır. Alan etkili transistörler sundukları yüksek verim ve düşük harmonik bozunum değerleri ile AA çeviricilerin de aralarında bulunduğu pek çok güç elektroniği devre topolojisi için güçlü adaylardır. Ancak, özellikle yüksek gerilim ve yüksek akımlı uygulamalarda alan etkili transistörlerin parazitik karakterleri çalışma bölgelerini olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Tasarımı yapılan ve üretilen AA çevirici baskı devresinde bu parazitik etkilerin azaltılması için kapı (gate) ve kaynak (source) bağlantıları özenle tasarlanmıştır. Ayrıca anahtar sürüş devresi için gerekli süzgeç ve düzenleme elemanları kullanılarak çeviricinin güvenli ve verimli çalışması sağlanmıştır. Tez çalışması sürecinde öncelikle son 25 yılda AA kıyıcılar ve sürüş devreleri üzerine yayınlanmış akademik çalışmalar incelenmiştir. Bu akademik çalışmalar ışığında, AA çevirici topolojileri içerisinden diferansiyel ve diferansiyel olmayan iki farklı topoloji seçilmiş ve üretilmiştir. Yapılan düşük gerilim/düşük akım testleri sonucunda diferansiyel devre topolojisinin sönümleme yeteneğinin diferansiyel olmayan topolojiye göre çok daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu sebeple, diferansiyel devre topolojisinin merkez kıskaçlı sönümleyici kapasitelerle ve faz algılayıcı temelli anahtarlama algoritması ile desteklenmesine karar verilmiş ve prototip üretim basamağına geçilmiştir. Üretilen devrenin laboratuvar testleri İTÜ Elektrik Makinaları Laboratuvarında yapılmıştır. Yapılan bu testlerde, dijital osiloskop ve enerji analizörü yardımıyla görsel ve sayısal sonuçlar elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, tasarlanan AA çeviricinin düşük harmonik bozunumlu, yüksek verimli ve son derece yüksek sönümleme yeteneğine sahip bir çevirici olduğunu ortaya koymuştur. Yapılan bu çalışmada elde edilen sonuçlar ile yeni nesil anahtarlama elemanları ve AA çeviriciler hakkındaki literatüre değerli katkıların sunulması amaçlanmıştır. Tezin akışı içerisinde yarı iletken anahtarlama elemanlarının çalışma prensipleri ve karakteristik özellikleri, tristör tabanlı AA kıyıcı topolojilerinin ve darbe genişlik modülasyonlu çevirici topolojilerinin tanıtılması, seçilen topolojinin detaylı olarak incelenmesi ve topolojiye yapılan katkılar sunulmuştur. Devamında gelen bölümlerde ise tasarım sürecinde göz önünde bulundurulan ve çözüme kavuşturulan problemler anlatılmış ve elektronik eleman seçimlerinin sebepleri/sonuçları basamak basamak açıklanmıştır. Son olarak, benzetim ortamının tanıtılmasını takip eden bölümde elde edilen deneysel sonuçlar görseller ve tablolar ile açıkça ortaya konulmuştur. Tartışma bölümünde ise tasarlanan ve gerçeklenen AA kıyıcı devresi anahtarlama frekansı, yük akımı, yük açısı ve verimlilik başlıkları altında incelenmiş ve bu parametrelerin herbirinde yapılan değişimin bir diğerini ne ölçüde etkilediği incelenmiştir. Yapılan tüm bu çalışmalar sonucunda, 110V giriş gerilimine uygun, alçaltıcı tip, darbe genişlik modülasyonlu sayısal işaret işleyici kontrollü tek fazlı AA-AA çevirici, yeni nesil GaN anahtarlama elemanları ile tasarlanmış ve gerçeklenmiştir. Elde edilen osiloskop sonuçlarında, yarı-köprü bağlantı şeması içeren ve zıt yönlü tümleyen darbeler ile sürülen yarı-iletken anahtarlama elemanlarından oluşan tüm güç elektroniği devrelerinde ortaya çıkan istenmeyen gerilim darbelerinin başarıyla sönümlendirildiği görülmüştür. Bu sayede tasarlanan devrenin, endüktif yüklerle yüklendiğinde dahi sağlıklı ve güvenli şekilde çalışabilmesi sağlanmıştır. Tasarlanan deneylerden enerji analizörü ile elde edilen veriler kullanılarak çeviricinin veriminin ve giriş güç faktörünün değişen anahtarlama frekansı, yük akımı ve yük açısına bağlı değişimi incelenmiş ve yorumlanmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar, artan anahtarlama frekansının giriş güç faktörünü olumlu yönde etkileyerek iyileştirdiğini, ancak anahtarlama kayıplarının artışına sebep olarak toplam çevirici verimini olumsuz yönde etkilediğini göstermiştir. Bunun yanı sıra, artan yük akımının toplam çevirici verimini olumlu yönde etkileyerek arttırdığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, artan endüktifliğin, yani artan yük açısının devre verimini olumsuz yönde etkileyerek azalttığı görülmüştür. Sonuç olarak, bu tezde yeni nesil GaN anahtarlama elemanları kullanılarak darbe genişlik modülasyonlu, sayısal işaret işleyici kontrollü tek fazlı AA-AA çevirici tasarlanmış, üretilmiş ve çeşitli çalışma koşulları altında deneysel olarak incelenerek literatüre değerli katkılar sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
AC-AC Converters are the circuits designed for providing adjustable output voltages from a fixed or variable input voltage. As AC sources and loads are the main parts of the industry, AC-AC Converter is an important topic. These converters have a wide range of application areas such as lighting control, industrial heating, soft starters for induction machines and speed control of pump or fan motors. Basicly, AC-AC Converters could be grouped in two main topics, which are autotransformers and power electronic converters. Autotransformers are conventional forms of AC-AC Conversion systems. They were invented decades ago from the semiconductor switches. They have been widely used in regulation systems. However, there are some important disadvantages of autotransformer based AC converter systems. Size and weight of those devices are significantly higher than the power electronic converters. As autotransformers are heavy and massive devices, it is impossible to use them in weight-restricted systems such as planes, cars or ships. In voltage regulation manner, the response time of the transformers are quite long when comparing with the power electronic converters. The intertia of those servo motors limits the response time of them as servo motors are used for regulation tap changing. To solve this problem, with developing semiconductor technology, thyristor based solid-state power converters have been invented. Their response time is very short when compared to that of autotransformers. Also, with the other developments in semiconductor technology, their power-range is also increased. Although the thyristor based converters solved the slow response problem, they were causing crucial low frequency harmonics in both output and input sides. Besides, their filter size and weight requirements are very high as they are operating at low frequency levels without changing the utility frequency (due to the nature of thyristor). Several decades ago, power transistors having fast response and high electrical limits are started to be produced. In these days, numerous types of high-power IGBT's and MOSFET's can be found in the market. As control techniques are improved, previously mentioned developments in semiconductor technology made AC-AC PWM Converters a beneficial choice for numerous cases needing less harmonic distortion such as motor drive applications, lighting control, industrial heating, regulators and soft starting systems of alternating current machines. In the last decade, Gallium Nitride (GaN) based new generation power semiconductor switches has been announced with their low conduction and switching losses. They are started to be used in several industrial systems and academical studies. Actually, those switches has been used in high-frequency, low-power systems such as radio applications for decades. From the beginning of 2010's, semiconductor production technologies allowed to develop high-voltage/high-current GaN switches and several companies started to produce commercial new generation GaN based semiconductor switches for high-voltage/high-current applications. Main advantages of these new generation switches can be listed as their low on-state-resistance, low turn-on and turn-off times, low power consumptions and lower gate threshold voltages when compared to state-of-art transistors. As in every aspects of engineering, advantages result in some trade-offs, too. These mentioned properties of new generation power switches demand extra attention on the gate drive circuit and PCB routes. As the response time and threshold voltage of the GaN switches are very low, any unfiltered noise may cause dangerous situations for the converter. Due to that reason, noise margin of the gate drive circuit is very narrow and PCB must be designed carefully. To sum up, the main advantages of PWM Power Converters are their lower input and output harmonics, low size, low weight, high quality outputs and high response time. Also, as these transistors can operate at high switching frequencies, size and weight of the filtering elements are also becomes smaller. Since abovely mentioned properties are making PWM AC-AC Converters a good choice for AC-AC Conversion systems, the advantages and disadvantages of installing GaN switches to the PWM AC-AC converters are needed to be investigated. In this thesis, a pulse width modulated digital signal processor controlled single-phase AC-AC converter was designed by GaN switches. The circuit was designed and analysed both in simulation environment and laboratory. The circuit design was improved according to the simulation results and the optimised circuit was tested practically. The relations of load current, load angle, switching frequency between total converter efficiency and input power factor were obtained. Efficient operational limits and performance for a low power PWM controlled AC-AC converter designed by GaN switches were achieved.
Benzer Tezler
- Driver design for asynchronous motors: Digital signal processing, control and data acquisition
Asenkron motorlar için sürücü tasarımı: Sayısal sinyal işleme, kontrol ve veri edinme
HABİB ÖZER ÖZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÇankaya ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KLAUS WERNER SCHMİDT
- Asenkron motorların düşük hızlarda duyargasız vektör kontrolü
Sensorless vector control of induction motors at low speed
HAYRETTİN CAN
Doktora
Türkçe
2003
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERHAN AKIN
- Hücresel Yapay Sinir Ağı işlemcisi tasarımı ve FPGA gerçeklemesi
Design and FPGA implementation of Cellular Neural Network processor
VOLKAN MERİÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN
- Various perspectives of loop pipelining
Başlık çevirisi yok
HASAN FATİH UĞURDAĞ
Doktora
İngilizce
1995
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiCase Western Reserve UniversityPROF. CHRİSTOS A. PAPACHRİSTOU
- GPU üzerinde yazılım tabanlı anten gerçeklenmesi
Realization of software-defined antenna on GPU
ABDULLAH BAKIRTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELÇUK PAKER