Design and implementation of LLC resonant converter and high frequency transformer
LLC rezonans çeviricisi ile yüksek frekans transformatörünün tasarımı ve gerçeklenmesi
- Tez No: 553979
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜVEN KÖMÜRGÖZ KIRIŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- 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: 131
Özet
Günümüzde her türlü elektronik cihazın içerisinde kendi güç kaynağı da bulunmaktadır. Geleneksel anahtarmalı güç kaynakları, gelişen yarı iletken teknolojisi ve yumuşak anahtarlama yöntemleri sayesinde yerini rezonans topolojilerine bırakmaktadırlar. Çünkü günümüzde tüketici isterleri de yerini düşük yükseklik, düşük ağırlık, yüksek verim gibi faktörlere dönüştürmektedir. Bütün söz konusu isterleri sağlamak adına geleneksel güç kaynakları yeterli olamamaktadır. Yüksek anahtarlama frekansları gerektiren bu gereksinimler için rezonans topolojileri gerekmektedir. LLC rezonans çeviricisi de bu çevirici topolojilerinden biridir ve günümüzde diğer rezonans topolojilerine göre popülerliği daha fazla olan bir çevirici olma özelliğini de korumaktadır. LLC rezonans çeviricileri günümüzde birçok alanda kullanılmaktadırlar. Tüketici elektroniği alanında, haberleşme sistemlerinde karşımıza çıkan bu çeviriciler özellikle dizüstü bilgisayarlarda ve ince panel tipi televizyonlarda yer kısıtı ve düşük yükseklik limitleri yüzünden tercih edilmektedirler. Bu tezde de yüksek verimli ayrık rezonans tank konfigürasyonlu LLC rezonans çeviricisi tasarlanmış, prototiplenerek deneysel sonuçlarla doğrulanmıştır. İlk olarak yumuşak anahtarlama yöntemleri incelenmiş olup sıfır gerilimde ve sıfır akımda anahatarlama tanımlamalarından bahsedilmiş ve avantajları verilmiştir. Daha sonrasında LLC rezonans topolojisinden başka diğer rezonans topolojilerine de kısaca değinilmiş olup rezonans topolojilerinin transfer fonksiyonları, DC karakteristikleri çıkarılmıştır. Ayrıca, avantaj ve dezavantajları da belirtilerek kullanım alanları da verilmiştir. Tezin ana konusu olan LLC rezonans çeviricisi ise detaylı olarak incelenmiştir. Çeviricinin çalışma yapısını anlamak amacıyla temel harmonik yaklaşımı kullanılarak modellenmiş ve transfer fonksiyonu çıkarılmıştır. Transfer fonksiyonu yardımıyla DC karaketeristik grafiği farklı yük durumları için çizilmiştir. Daha sonrasında çalışma prensibi ve çalışma bölgeleri incelenmiş olup, eş değer devreleri de her bir çalışma aralığı için verilmiştir. Son olarak, LLC rezonans çeviricisi için tasarım adımları verilmiştir. Bu adımlara göre tasarım oluşturulmuştur. LLC rezonans çeviricisinde kritik elemanlardan biri de yüksek frekanslı transformatörüdür. Yüksek verim elde etmek için transformatör tasarımı düzgün bir şekilde yapılmalıdır. Bu tezin de ana amacı yüksek verim olduğu için yüksek frekans transformatörü de ayrıca ele alınmıştır. Yüksek frekans transformatörünün tasarımını etkileyen deri etkisi, yakınlık etkisi gibi faktörlerden bahsedilmiş olup tasarım için gerekli adımlar akış diyagramı şeklinde paylaşılmıştır. Verilen akış diyagramı baz alınarak 250 W LLC rezonans çeviricisi için transformatör tasarımı için sarım sayısı, iletken çapı, nüve malzemesi, nüve boyutu gibi parametreler belirlenmiştir. Ayrık rezonans tank konfigürasyonu kullanıldığından devrede ekstra seri endüktans bulunmaktadır. Bu yüzden kaçak endüktans değerinin mümkün olduğunca küçük olması gerekmektedir. Kaçak endüktans değerini düşürmek için de farklı sarım konfigürasyonlarına sahip transformatör tasarımları oluşturulmuştur. Fakat analitik çözümlerle kaçak endüktans tahmininin hata oranı yüksek olmaktadır. Bu yüzden analitik çözüme ek olarak transformatör tasarımı için sonlu elemanlar yöntemi (SEY) ile çözüm yapan paket programlardan biri olan ANSYS PEMag ve Electronics Desktop paket programları kullanılmıştır. ANSYS PEMag analitik çözüm yapan program olup Electronics Desktop programıyla birlikte çalışarak 2-boyutlu, 3-boyutlu SEY analizleri de yapabilmektedir. 3-boyutlu simülasyonlar uzun simülasyon süreleri ve yüksek ram gücü gerektirdiğinden transformatör tasarımlarının 1-boyutlu (analitik) ve 2-boyutlu simülasyonları yapılarak koşturulmuştur. Her iki analiz sonucundan da mıknatıslanma endüktansı elde edilmiştir. Fakat ANSYS PEMag kaçak endüktans değerini direkt olarak vermesine rağmen Electronics tool direkt olarak bu bilgiyi vermemektedir. Bu yüzden kaçak endüktans değeri toplam enerjiden gidilerek elde edilmiştir. Toplam enerji formülü kullanılarak kaçak endüktans değeri hesaplanmıştır. Daha sonrasında simülasyon sonuçlarını teyit etmek için tasarımı yapılan transformatöler prototiplenmiştir. Simülasyon sonuçları gerçek ölçüm değeriyle karşılaştırılmış olup kaçak endüktans değeri en küçük olan transformatör tasarımı 250 W LLC rezonans çeviricisi için seçilmiştir. Ayrıca, manyetik akı yoğunluğu dağılımı ile akı çizgileri dağılımı da 2-boyutlu simulasyon sonucundan elde edilmiştir. Fakat SEY ile çözüm yapan programların bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Örneğin, gerçeklenen tasarımda yüksek frekansta çalışma söz konusu olduğundan, deri etkisinden etkilenmemek için hem primer hem de sekonder tarafta litz teli kullanılmıştır. Ama koşturulan simülasyonda simülasyon süresini çok artırdığından ve bilgisayarda yüksek ram gücü gerektirdiğinden litz teli kullanılamamaktadır. Bu yüzden litz teli yerine tek bir iletken çizilmiş fakat çok telli olarak tanımlanmıştır. ANSYS programında çizilen iletkenler tek telli veya çok telli olarak tanımlanabilirler. Çok telli tanımlanan iletkenlerde deri etkisi ihmal edilir. Deri etkisinden etkilenmeyecek sayıda çok küçük iletkenlerden oluştuğu farz edilir. Gerçek tasarımda da iletken çapı, deri etkisinden küçük olacak şekilde seçildiği için deri etkisi ihmal edilebilmiştir. Ayrıca, çıkış gerilimi kontrolü için analog kontrol tercih edilmiş olup Infineon Technologies firmasına ait olan LLC kontrolör entegresi kullanılmıştır. Kullanılan entegre birincil taraf için gereken kapı sinyallerini üretme, senkron doğrultma yapabilme imkanı veren ikincil taraf için kapı sinyallerini üretme, ölü zaman ayarlaması, yüksek akım koruma gibi birçok kuvvetli özelliklere sahiptir. Bu çalışma da senkron doğrultma yapılmamış olup ikincil tarafta doğrultma işlemi diyotlarla gerçekleştirilmiştir. Bu yüzden ikincil taraf kapı sinyalleri kullanılmamıştır. Çıkış gerilimi regüle etme işlemi anahtarlama frekansı değiştirilerek gerçekleştirildiği için minimum ve maksimum anahtarlama frekans değerleri, kullanılan entegre de söz konusu pinlere dışarıdan bağlanan direnç değerleriyle belirlenmiştir. Direnç değerleri entegreye ait katalogda verilen bilgilere göre seçilmiştir. Çıkış geriliminin regüle edilebilmesi için gerekli olan geri bildirim patikası ise TL431 referans entegeresi ve optokoplör kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca birincil taraftaki MOSFET anahtarların sürülmesi için yarım-köprü kapı sürme entegre devreleri de devreye eklenmiştir. Şematik ve PCB tasarımları Altium Designer programında gerçekleştirilmiştir. PCB tasarımı iki katmanlı olup 100x100 mm boyutlarındadır. Son olarak deneysel sonuçlar paylaşılmıştır. Deneysel sonuçlarda düşük yük durumları da dahil olmak üzere sıfır gerilimde anahtarlamanın gözlenebilmesi için kapı sinyalleri ile tank gerilim dalga formları gözlenmiştir. Deneyler düşük, yarım ve tam yük durumları için tekrarlanmıştır. Ayrıca rezonans akımının dalga formları ve ikincil taraftaki diyot geriliminin ve akımının dalga formları verilmiştir. Çıkış gerilimi ve çıkış akımı da gözlenmiştir. Verim ölçümü de farklı yük durumları için yapılmış olup verim grafiği paylaşılmıştır. Tepe verim değeri ile tam yükteki verim değeri hesaplanmıştır.
Özet (Çeviri)
Todays, every electronic devices have a power supply. With the developing semi-conductor technology and soft switching technique, resonant power supplies operating at high frequency can be designed simply. Therefore, low profile, low weight, high power density, and high efficiency converters are obtained. As a resonant converter, LLC resonant converter are the most popular topology. It is used many different applications like consumer electronics, communication systems, or computers. Especially, in laptops or flat-panel TVs, due to smaller spaces, LLC resonant converters are preferred. Higher power density and efficiency values are obtained. In the thesis, LLC resonant converter with discrete solution is designed and verified with the aim of high efficiency. First of all, soft switching concept and resonant converters are investigated. Besides LLC resonant converter, other resonant topologies are researched and their advantages and disadvantages are explained briefly. Then LLC resonant converter is researched in detail. LLC resonant converter's model and its transfer function is found out. Also, operating principles, operating regions and operating modes are also explained. Dominant features of LLC resonant converter over the other topologies are given. Secondly, since designing high efficiency LLC resonant converter is the target of the thesis, design considerations and design steps are given. Based on design steps, specifications of the LLC resonant converter are determined. One of the main components of the LLC resonant converter is its transformer. To obtain high efficiency, its design is getting more crucial part. Thus, high frequency transformer design is investigated exclusively. Main factors, which affect the transformer design are given and explained. Analytical equations for the transformer design can be insufficient to understand real behavior of the transformer. Especially, leakage inductance value cannot be estimated accurately. Thus, FEM based design is applied to design the transformer. ANSYS PEMag and Electromagnetics tools are used for the design. ANSYS PEMag is analytical tool and it can work integrated with ANSYS Electronics Desktop tool. Electronics Desktop tool is used for FEM solutions. Therefore, both analytical and FEM based solutions are obtained. To keep minimum leakage inductance, different winding configurations are obtained, 1D and 2D FEM simulations are conducted. ANSYS PEMag tool gives the user both leakage and magnetizing inductances directly. On the other hand, ANSYS Electronics Desktop gives the user magnetizing inductance directly. Leakage inductance is obtained from total energy. Using total energy formula, leakage inductance is provided. Then to verify simulation results, transformers are also prototyped. At prototype transformers, litz wires are used as primary and secondary windings due to operating at high frequency. However, in simulations, litz wires are not simulated because of high complexity and longer simulation times. Windings are represented as solid wires, but they assigned as stranded. In ANSYS environment, windings can be assigned as solid or stranded. Stranded wire means it includes many conductors, like litz wires. Thus, skin depth is ignored. As a result, both experimental and simulation results are obtained and compared based on leakage and magnetizing inductances. Also, magnetic flux density distributions and flux lines distributions are given for all designed transformers. According to results, transformer with the lowest leakage inductance is selected to design a 250 W LLC resonant converter with discrete solution. Besides, design of the 250W LLC resonant converter with discrete solution is realized. Open loop simulation of the circuit is given then hardware design of the circuit given. Schematic design including controller circuit, gate driver circuit, and feedback circuit are explained. As a controller, half bridge LLC controller IC is implemented to circuit. To drive primary side MOSFETs, half bridge gate driver is used for the circuit. Then, to regulate output voltage a feedback path is designed. TL431 reference IC and optocoupler circuit is implemented. PCB design is also stated. A two layer 100x100 mm PCB is designed. Finally, experimental results are shared. Experimental results include gate voltage and tank voltage waveforms to observe ZVS switching for light, half, and full load conditions. Also, resonant tank current waveform is given. Secondary side diode voltage and current waveforms are also given. Then, for different load conditions, efficiency measurements are obtained. Peak efficiency and efficiency at full load condition are calculated.
Benzer Tezler
- Yüksek güç faktörlü yükseltici tür dönüştürücü beslemeli LLC rezonans devresi tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of high power factor boost type converter feed LLC resonant converter
RAMAZAN ÖNDER YAŞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM AKBOY
- Dijital kontrollü LLC rezonans güç dönüştürücüsü tasarımı ve uygulaması
Digitally controlled LLC resonant converter design and implementation
BURAK GÖKÇEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
- Rezonanslı doğru akım kaynaklarının incelenmesi ve iki trafolu bir uygulamanın gerçekleştirilmesi
Investigation of resonant dc sources and implementation of a two transformers application
ÇAĞATAY ÖZÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ATİYE HÜLYA OBDAN
- LLC rezonans dönüştürücü tasarımı
Design of LLC resonant converter
YUNUS EMRE BULUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK AKIN
- Rezonanslı dönüştürücülerin incelenmesi ve izoleli bir uygulamasının gerçekleştirilmesi
Investigation of resonant converters and implementation of an isolated application
SÜMEYYE BÜYÜKTORUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET FARUK BAKAN