Analysis and simulation of a novel buck-boost power converter for advanced target tracking radar satellites
Gelişmiş hedef takip radar uydulari için yeni bir düşürücü-yükseltici güç çeviricinin analizi ve simülasyonu
- Tez No: 931058
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Uydu sistemleri, askeri uygulamalardan bilimsel araştırmalara kadar çeşitli kritik görevleri yerine getirir. Bu sistemlerin görev sürelerinin uzun olması, enerji yönetim sistemleri ile doğrudan ilişkilidir. Uydu enerji yönetim sistemlerinin temel bileşenlerinden biri olan bataryalar, enerji depolama ve sağlama görevini üstlenir. Bataryaların ömür sürelerinde, şarj ve deşarj işlemlerindeki yüksek ve darbeli akım genlikleri oldukça önemli etkiye sahiptir. Yüksek ve darbeli akımlar, bataryaların kimyasal yapısını bozarak termal stres yaratabilir, bu da bataryaların ömrünü kısaltarak uydu görev sürelerini sınırlayan önemli bir faktör haline gelebilir. Bu nedenle, bataryaların korunmasını sağlayacak yenilikçi çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bataryalar gibi süperkapasitörlerde enerji depolama ve boşaltma kapasitesine sahip elemanlardır, ancak işlevsellikleri ve özellikleri açısından belirgin farklılıklar gösterirler. Süperkapasitörlerin en dikkat çekici avantajı, kısa süreli enerji sağlama kapasitesinin bataryalara kıyasla çok daha yüksek olmasıdır. Bu durum, süperkapasitörlerin özellikle ani güç ihtiyaçlarının karşılanmasında tercih edilmesini sağlar. Güç yoğunluğu açısından üstün olan süperkapasitörler, sistemlerdeki ani yük değişimlerini dengelemek ve yüksek güç gereksinimlerini kısa süre içinde sağlamak için son derece etkilidir. Bununla birlikte, süperkapasitörlerin kendine özgü bazı dezavantajları bulunmaktadır. En önemli sınırlamalarından biri, kendiliğinden deşarj oranlarının yüksek olmasıdır. Bu yüksek enerji kaybı oranı, süperkapasitörleri uzun süreli enerji depolama için ideal bir seçenek olmaktan çıkarır. Enerji kayıplarını minimize etmek için, süperkapasitörlerin genellikle kısa vadeli enerji ihtiyaçlarına yönelik uygulamalarda kullanılması tercih edilir. Özellikle, sistemlerin geçici güç gereksinimlerini karşılamak veya ani yük artışlarına cevap vermek gibi durumlarda etkili bir çözüm sunarlar. Bataryalar ise süperkapasitörlerden farklı olarak düşük enerji kaybı oranlarına sahip oldukları için uzun süreli enerji depolama uygulamalarında daha avantajlıdır. Bataryalar, enerjiyi uzun süre boyunca güvenilir bir şekilde depolayarak sistemlerin temel enerji ihtiyacını karşılar. Ancak, bataryaların güç yoğunlukları genellikle süperkapasitörlerden daha düşüktür, bu da ani yüksek güç taleplerine yanıt verme kapasitelerini sınırlayabilir. Süperkapasitörlerin bu alandaki üstünlüğü, enerji sistemlerinde her iki elemanın birlikte kullanılmasını ideal bir yaklaşım haline getirir. Bataryalar ve süperkapasitörler sonuç olarak birbirlerini tamamlayan özelliklere sahiptir. Bataryalar, düşük güç yoğunluğuna rağmen uzun süreli enerji depolamada güvenilirlik sağlarken, süperkapasitörler yüksek güç yoğunlukları sayesinde anlık enerji ihtiyaçlarını karşılamada önemli bir rol oynar. Bu iki teknolojinin uyumlu bir şekilde bir araya getirilmesi, hem uzun vadeli enerji ihtiyaçlarının hem de ani güç taleplerinin verimli bir şekilde yönetilmesine olanak tanır. Böylece, enerji depolama sistemlerinin performansı artırılarak daha esnek ve etkin çözümler elde edilir. Bu çalışmada, uydu sistemlerinde batarya ömrünü uzatmayı ve görev süresini artırmayı amaçlayan yeni bir güç dönüştürücü topolojisi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu dönüştürücü, özellikle gelişmiş hedef takip radarı (ATTR) gibi yüksek darbeli akım çeken yüklerin devrede olduğu durumlarda bataryadan süperkapasitöre doğru enerji sağlamak amacıyla tasarlanmıştır. Bu tasarımın temel hedefi, bataryaların maruz kaldığı yüksek ve darbeli deşarj akım genliklerini düşürerek, bataryaların ömrünü uzatmak ve dolayısıyla uydunun görev süresini artırmaktır. Önerilen dönüştürücünün tasarımında, Weinberg dönüştürücüsü ile alçaltan dönüştürücünün avantajları birleştirilmiştir. Weinberg dönüştürücüsü, özellikle manyetik akı dengesizliğini önleme kabiliyeti ile öne çıkmaktadır. Bu özellik, özellikle yüksek frekansta çalışırken transformatörde oluşabilecek akı sapmalarını dengeleyerek verimliliği artırır ve bileşenlerin ısınmasını azaltır. Ayrıca, Weinberg topolojisi, yüksek gerilim kazancı sağlamasıyla, düşük giriş gerilimlerinden yüksek çıkış gerilimleri üretmek için uygundur. Bu, enerji yoğunluğu gerektiren uzay uygulamalarında büyük bir avantaj sunar. Giriş ve çıkış akımlarının sürekliliği, bataryalar ve bara kapasitörleri üzerinde daha az stres yaratır, bu da bileşenlerin ömrünü uzatırken enerji depolama elemanlarının termal yükünü azaltır. Çalışma frekansı, ana anahtarlama frekansının iki katı olduğundan, manyetik bileşenlerin boyutlarının küçülmesine olanak tanır, bu da tasarımda kullanılan manyetik bileşenlerin daha küçük olmasını sağlar ve sistemin daha hafif ve verimli çalışmasına katkıda bulunur. Ayrıca, güç anahtarlama elemanları toprak referansından sürülebilir, bu da kapı sürücü devrelerinin daha basit ve verimli olmasını sağlar. Son olarak, push pull anahtarlama elemanlarının drenaj gerilimleri çıkış gerilimine sabitlenmiş olup, bu da anahtarlama elemanlarının aşırı gerilimlere karşı korunmasına yardımcı olur ve bileşenlerin güvenilirliğini artırır. Alçaltan dönüştürücüler, tasarım basitliği, yüksek verimlilik ve düşük maliyet gibi özelliklerle ön plana çıkar. Alçaltan dönüştürücüler düşük bileşen sayısı ile hafif ve kompakt bir yapıya sahiptir, bu da özellikle uydu sistemlerinde ağırlık ve alan tasarrufu sağlamak açısından önemlidir. Daha düşük bileşen sayısı, basitleştirilmiş tasarımlara olanak sağlar, maliyeti azaltır ve güvenilirliği artırır. Kontrol devreleri genellikle daha az karmaşıktır, bu da tasarım ve hata ayıklama süreçlerini kolaylaştırır. Alçaltan dönüştürücülerin hızlı geçici yanıt verme kabiliyeti, yük koşullarındaki değişimlere uyum sağlaması açısından oldukça önemlidir. Ayrıca, alçaltan dönüştürücüler düşük çıkış gerilim dalgalanmasına sahiptir ve bu özellik, kararlı bir çıkış gerilimi gerektiren uygulamalarda büyük bir avantaj sağlar. Tüm bu özellikler, alçaltan dönüştürücüleri uydu sistemleri alanında etkin bir seçenek haline getirmektedir. Weinberg ve alçaltan dönüştürücüler, tasarımları itibarıyla sağ eksen sıfır noktası içermemeleri sayesinde kararlı bir çalışma performansı sunar. Dönüştürücülerde sağ eksen sıfır noktası bulunması, kontrol sistemlerinin performansı ve kararlılığı üzerinde olumsuz etkiler oluşturur. Sağ eksen sıfır noktası, sistemin transfer fonksiyonunda faz kaybına neden olarak kararlılığı azaltır ve kontrol tasarımını daha zor hale getirir. Bu tür bir sıfır noktası, özellikle hızlı yük değişimlerinin ve ani giriş gerilimi dalgalanmalarının sıkça yaşandığı uygulamalarda, sistemin kararsız hale gelmesine yol açabilir. Ayrıca, sağ eksen sıfır noktası, kontrolörün frekans yanıtını olumsuz etkileyerek sistemin istenen tepki süresini ve dinamik performansını bozabilir. Bu durum, sistemin dinamik yanıtının yavaşlamasına veya aşırı salınımlı bir tepki vermesine neden olabilir. Sağ eksen sıfır noktası bulunan bir dönüştürücü, geçici rejimde yeterince hızlı ve kararlı bir tepki veremez, bu da uydu gibi kritik uygulamalarda kullanılmasının uygun olmayacağı sonucunu doğurur. Uydu enerji sistemlerinde, stabilite kritik bir öneme sahiptir çünkü uydu görev sürelerini ve sistem güvenilirliğini doğrudan etkiler. Sağ eksen sıfır noktası içeren dönüştürücüler, hızlı yük değişimlerine ve giriş gerilimi dalgalanmalarına yeterince hızlı ve kararlı bir şekilde yanıt veremez. Weinberg ve alçaltan dönüştürücülerinin avantajlarının birleştirilmesiyle oluşturulan bu yeni dönüştürücünün tasarımında, detaylı matematiksel modelleme gerçekleştirilmiş ve sistemin dinamik davranışları kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Sistemin farklı çalışma koşulları altındaki performansını değerlendirmek amacıyla kapsamlı benzetim çalışmaları yapılmıştır. Bu simülasyonlar, dönüştürücünün, farklı giriş gerilimleri altında stabilite sorunları yaşamadan çalıştığını göstermiştir. Sonuç olarak, önerilen yapının uydu enerji yönetim sistemleri gibi kritik uygulamalarda kullanımına uygun olduğu gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Satellite systems perform various critical tasks ranging from military applications to scientific research. The long operational lifetimes of these systems are directly related to energy management systems. Batteries, one of the key components of satellite energy management systems, are responsible for energy storage and supply. High and pulsating current amplitudes during charging and discharging significantly impact battery lifetimes. These high and pulsating currents can create thermal stress by damaging the chemical structure of the batteries, which may shorten their lifespan and become a limiting factor for satellite mission durations. Therefore, innovative solutions are needed to protect the batteries. Supercapacitors, like batteries, are energy storage and discharge elements but differ significantly in functionality and characteristics. The most notable advantage of supercapacitors is their much higher short-term energy delivery capacity compared to batteries. This makes supercapacitors particularly suitable for meeting sudden power demands. With superior power density, supercapacitors are highly effective in balancing sudden load changes and meeting high power requirements in a short period. However, supercapacitors have certain drawbacks. One of the main limitations is their high self-discharge rate. This high energy loss rate makes supercapacitors less ideal for long-term energy storage. To minimize energy losses, supercapacitors are typically used for short-term energy needs. They provide an effective solution, particularly for addressing temporary power requirements or responding to sudden load increases. In contrast, batteries are more advantageous for long-term energy storage due to their lower energy loss rates. Batteries reliably store energy over long periods, meeting the system's basic energy needs. However, batteries typically have lower power densities than supercapacitors, limiting their ability to respond to sudden high power demands. The superiority of supercapacitors in this area makes it ideal to combine both elements in energy systems. Batteries and supercapacitors, therefore, possess complementary characteristics. Batteries provide reliable long-term energy storage, despite their low power density, while supercapacitors play a crucial role in meeting instantaneous energy needs due to their high power density. Combining these two technologies allows for the efficient management of both long-term energy needs and sudden power demands. This improves the performance of energy storage systems, leading to more flexible and effective solutions. In this study, a new power converter topology has been developed with the aim of extending the battery lifetime and increasing the mission duration of satellite systems. The proposed converter is designed to provide energy from the battery to the supercapacitor, especially in situations where loads with high pulsed current demands, such as Advanced Target Tracking Radar (ATTR), are present. The main goal of this design is to reduce the high and pulsating discharge current amplitudes that batteries are exposed to, thereby extending battery life and increasing the satellite mission duration. The design of the proposed converter combines the advantages of the Weinberg converter and the buck converter. The Weinberg converter is particularly notable for its ability to prevent magnetic flux imbalance. This feature enhances efficiency and reduces component heating by balancing flux deviations in the transformer, especially during high frequency operation. Additionally, the Weinberg topology, with its high voltage gain, is suitable for generating high output voltages from low input voltages, offering a significant advantage in energy-dense space applications. The continuity of input and output currents places less stress on the batteries and bus capacitors, extending component lifetimes while reducing thermal stress on energy storage elements. Since the operating frequency is twice the main switching frequency, the magnetic components can be smaller, leading to a lighter and more efficient system. Moreover, power switching elements can be driven from a ground reference, simplifying gate driver circuits and improving efficiency. Finally, the drain voltages of the push-pull switching elements are fixed to the output voltage, protecting the switching elements from overvoltage and enhancing component reliability. Buck converters stand out for their simplicity, high efficiency, and low cost. They feature a light and compact design with fewer components, making them particularly important for weight and space savings in satellite systems. Fewer components also lead to simpler designs, reducing cost and improving reliability. Control circuits are typically less complex, facilitating design and debugging processes. The fast transient response capability of buck converters is critical for adapting to load condition changes. Furthermore, buck converters have low output voltage ripple, which is a significant advantage for applications requiring stable output voltage. All these features make buck converters an effective option for satellite systems. Both Weinberg and buck converters offer stable performance because they do not contain right-half plane zeroes in their design. A right-half plane zero can negatively affect the performance and stability of control systems. It introduces phase loss in the system's transfer function, reducing stability and complicating control design. In applications with frequent rapid load changes and input voltage fluctuations, such a zero can cause the system to become unstable. Moreover, right-half plane zeros negatively impact the controller's frequency response, distorting the system's desired response time and dynamic performance. A converter with a right-half plane zero cannot respond quickly and stably in transient modes, making it unsuitable for critical applications like satellites. In satellite energy systems, stability is crucial as it directly impacts mission durations and system reliability. Converters with right-half plane zeros cannot adequately respond to rapid load changes and voltage fluctuations. The new converter design, combining the advantages of Weinberg and buck converters, has been mathematically modeled in detail, and the dynamic behavior of the system has been thoroughly analyzed. Extensive simulation studies have been conducted to evaluate the system's performance under different operating conditions. These simulations have shown that the converter operates without stability issues under varying input voltages. Consequently, the proposed design has been demonstrated to be suitable for use in critical applications, such as satellite energy management systems.
Benzer Tezler
- A novel passive snubber cell constructed for dc-dc buck converter
Dc-dc düşürücü devresi için kurulan yeni pasif bastırma hücresi
MERT TURHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYeditepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CANBOLAT UÇAK
- A novel approach for synthesising sinus waveforms at power level
Güç seviyesindeki sinüs dalga şekillerinin sentezlenmesinde yeni bir yaklaşım
SERKAN PAKİ ŞEDELE
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜLENT ERTAN
- Digitally controlled buck converters for current regulated applications
Akım regülasyonlu uygulamalar için sayısal kontrollü alçaltıcı çeviriciler
ABDULKERİM UĞUR
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- Akım modlu DC/DC buck dönüştürücü devresine yönelik yeni bir empedans çarpıcı tabanlı tip-II kompanzasyon devresi tasarımı
A novel impedance multiplier-based type-II compensation circuit design for a current-mode DC/DC buck converter
DURMUŞ ERSOY
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT KAÇAR
DR. ÖĞR. ÜYESİ METİN ÖZTÜRK
- Mıknatıslı senkron makinanın magnetik analizi ve modellenmesi
Magnetic analysis and modelling of permanent magnet synchronous machine
H.TARIK DURU
Doktora
Türkçe
1997
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATIF URAL