Geri Dön

Design and optimization of a high-power density multi-level totem pole power factor correction converter

Yüksek güç yoğunluklu çok seviyeli totem pole güç faktörü düzeltme dönüştürücüsünün tasarımı ve optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 933197
  2. Yazar: ENİS BARIŞ BULUT
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ, DR. SERKAN DÜŞMEZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 117

Özet

Güç Faktörü Düzeltme (PFC), modern elektrik sistemlerinin temel bir unsuru olup, güç kalitesini artırır, kayıpları en aza indirir ve enerji dağıtım ağlarının genel verimliliğini yükseltir. Elektrik sistemlerinde yükler, genellikle gerilim ve akım arasında bir faz farkı oluşturarak verimsizliklere neden olur. Bu faz farkı da daha düşük güç faktörleriyle sonuçlanır ve enerji tüketimini artırarak elektrik şebekesine aşırı yük bindirebilir. PFC teknikleri, akım dalga formunu gerilim dalga formu ile hizalamayı amaçlayarak enerji transferini optimize eder ve sistemde reaktif gücü azaltır. Güç kaynakları, motor sürücüleri ve diğer elektronik ekipmanlar gibi doğrusal olmayan yüklerin kullanımının artmasıyla birlikte PFC'nin önemi önemli ölçüde artmıştır; bu yükler akım dalga formunu bozarak güç kalitesi sorunlarına yol açabilir. Totem Pole (TP) PFC dönüştürücüler, özellikle yüksek frekanslı uygulamalarda yüksek verimlilik ve güç faktörü düzeltmesi sağlama yetenekleri nedeniyle dikkat çekmektedir. TP PFC mimarisi, geleneksel giriş diyot köprüsüne olan ihtiyacı ortadan kaldırarak iletim kayıplarını azaltır ve daha yüksek verimlilik sağlar. Geniş bant aralıklı yarı iletkenler, örneğin GaN (Gallium Nitride) ve SiC (Silicon Carbide) ile birleştirildiğinde, TP PFC dönüştürücüler daha düşük anahtarlama kayıplarıyla daha yüksek frekanslarda çalışabilir, bu da onları modern yüksek performanslı güç sistemleri için ideal hale getirir. Bu tez, modern güç dönüşüm sistemlerinin ana bileşenlerinden biri olan yüksek güç yoğunluklu çok seviyeli TP PFC dönüştürücüsünün tasarımı ve eniyileştirilmesine odaklanmaktadır. Artan küresel enerji talebi ve enerji kullanımında verimliliği artırma ihtiyacı, gelişmiş güç dönüştürücülerinin geliştirilmesine yönelik büyük bir baskı yaratmıştır. Güç sistemleri, harmonikler, gerilim dalgalanmaları ve yüklerin doğrusal olmayan davranışları gibi güç kalitesi sorunları nedeniyle genellikle zayıf performans gösterir. Bu faktörler yalnızca verimliliği düşürmekle kalmaz, aynı zamanda tüm elektrik şebekesinin güvenilirliğini ve kararlılığını da etkiler. Bu zorluklarla başa çıkmak için, güç faktörü düzeltme dönüştürücüleri hem endüstriyel hem de tüketici uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu daha geniş bağlamda, TP PFC dönüştürücüler, özellikle GaN ve SiC gibi geniş bant aralıklı yarı iletkenlerle birleştirildiğinde, güç faktörü ve enerji verimliliğinde önemli iyileştirmeler sunarak umut verici bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Bu cihazlar, geleneksel silikon bazlı FET'lerde (Alan Etkili Transistörler) yüksek frekanslı anahtarlamada karşılaşılan ters geri kazanım kayıplarını hafifleterek daha yüksek verimlilik ve güç yoğunluğu sağlar. Tez, özellikle güç yoğunluğunu eniyileştirilmeyi, kayıpları azaltmayı ve termal yönetimi iyileştirmeyi amaçlayan çok seviyeli ve iç içe tasarımlar üzerinde durarak bu TP PFC dönüştürücülerinin potansiyelini araştırmayı amaçlamaktadır. Bu çalışmada, TP PFC dönüştürücü topolojilerinin detaylı bir araştırmasının yapılmasını ve sağlam bir eniyileştirilme algoritmasının geliştirilmesini içeren ana hedefler tanımlanmıştır. Bu algoritma, yüksek güç yoğunluğuna ulaşırken yüksek verimliliği koruma amacıyla en uygun topolojileri, anahtarlama frekanslarını ve pasif bileşenleri seçmeye yardımcı olmak için tasarlanmıştır. TP PFC dönüştürücülerinin tasarımındaki temel zorluklardan biri, özellikle hızlı anahtarlama uygulamalarında yüksek ters toparlanma kayıplarından muzdarip olan silikon FET'ler ile gerçeklenmelerinin çok verimsiz olmasıdır. Bu sınırları yeni nesil GaN FET'ler kullanarak aşmak mümkündür. Araştırma metodolojisi, sistem seviyesinde kapsayıcı bir yaklaşımla kurgulanmıştır. Bu yaklaşım, performansı etkileyen ana değişkenlerin, anahtarlama frekansı, bileşen seçimi ve pasif eleman tasarımı dahil olmak üzere, kapsamlı bir analizini sağlar. ANSYS, MATLAB, PSIM ve LTSpice gibi ileri düzey benzetim araçları, dönüştürücünün çeşitli çalışma koşulları altındaki davranışını modellemek için kullanılır ve tasarım seçimlerinin fiziksel üretim aşamasına geçmeden önce ayrıntılı bir şekilde doğrulanmasını sağlar. Ayrıca, verimlilik, maliyet ve bileşen boyutu arasındaki değiş tokuşları modellemek için ayrıntılı bir matematiksel analiz gerçekleştirilmiştir ve bu sayede nihai tasarım tüm ana parametreler açısından eniyileştirilmiştir. Bu araştırmanın önemli bir bileşeni, kritik bileşenlerin, örneğin PFC indüktörleri, FET'ler, soğutucular ve EMI filtrelerinin seçiminde rehberlik eden bütüncül bir sistem seviyesinde tasarım ve eniyileştirme aracının geliştirilmesidir. Araç, verimlilik, maliyet ve hacim arasında denge kurarak belirli uygulama gereksinimleri için en uygun çözümü bulmak üzere bir dizi tasarım yapılandırmasını değerlendirir. Bu eniyileştirme süreci iteratiftir ve farklı gerilim seviyeleri, PFC indüktans değerleri ve anahtarlama frekansları arasında tarama yaparak en iyi yapılandırmayı belirlemek için çok döngülü bir algoritma kullanır. Önerilen araç son derece esnektir ve çok seviyeli ve çok fazlı topolojiler dahil olmak üzere çeşitli TP PFC dönüştürücü türlerine uyarlanabilir. Bu eniyileştirme sürecinin sonuçları, daha sonra kapsamlı testlere tabi tutulan yüksek frekanslı, çok seviyeli bir TP PFC dönüştürücüsünün tasarımı ve inşası ile deneysel olarak doğrulanmıştır. Dönüştürücünün deneysel doğrulaması, tasarımın başarısını doğrulamıştır. Üretilen dönüştürücü, 67 W/in³ güç yoğunluğuna ve çeyrek yükte %99.6 verimliliğe ulaşmıştır ve tam yükte (%3.7 kW) %99.05 verimlilik seviyesini korumuştur. Bu sonuçlar, geliştirilen eniyileştirme algoritmasının sadece teorik olarak sağlam değil, aynı zamanda gerçek dünyadaki uygulamalarda da son derece pratik olduğunu göstermektedir. Dönüştürücünün performansı geniş bir çalışma koşulları aralığında test edilmiş ve özellikle güç faktörü düzeltmesi açısından geleneksel tasarımlardan üstün performans göstermiştir. Giriş güç faktörü, tüm yük aralığı boyunca 0.99'un üzerinde kalmıştır. Ayrıca, dönüştürücü termal zorlanma altında da kararlı ve verimli kalmış, GaN FET'ler çekirdek kayıplarını azaltmış ve 400 LFM hava akışı ile soğutulduğunda FET başına maksimum 2.3 W'lık yönetilebilir bir ısı dağılımı sağlamıştır. Çok fazlı tasarım, termal yükü eşit şekilde dağıtarak, yüksek güç seviyelerinde bile güvenilir performans sağlamıştır. Matematiksel modelleme açısından, tez, alana önemli katkılarda bulunmuştur. Bu araştırmada geliştirilen sistem seviyesindeki eniyileştirme algoritması, TP PFC dönüştürücülerinin performansını etkileyen ana faktörlerin matematiksel analizine dayanmaktadır. Bu faktörler arasında FET kayıpları, giriş akımı dalgalanması, diferansiyel mod (DM) ve ortak mod (CM) gürültü spektrumları ve elektromanyetik girişim (EMI) filtreleme gereksinimleri yer alır. Önerilen algorithma bu değişkenleri eniyileştirme sürecine dahil ederek, TP PFC dönüştürücülerinin tasarımına bütüncül bir yaklaşım sağlar ve tüm ilgili denge noktalarının dikkate alındığından emin olur. Bu tezde geliştirilen matematiksel modeller, geniş bir güç dönüşüm sistemine uygulanabilmektedir ve hem akademik araştırmacılar hem de endüstriyel mühendisler için değerli bir kaynak oluşturmaktadır. Tezde önerilen manyetik model, çok fazlı çok seviyeli TP PFC dönüştürücülerinde indüktörlerin tasarımını eniyileştirmenin bir diğer önemli unsurudur. Önerilen tasarım yaklaşımı, hem öz hem de kaçak indüktansları dikkate alarak indüktans değerlerini hesaplamak için bir relüktans tabanlı yöntem kullanır. Bu yaklaşım, çekirdek için geometrik verileri, boyutları ve malzeme özelliklerini kullanarak manyetik akının çekirdek boyunca nasıl dağıldığını tahmin ederek hesaplamayı basitleştirir. Manyetik model, hem EI hem de EE çekirdek türleri için geliştirilmiş olup, akının çekirdeğin farklı bölümlerinde, örneğin merkez ve yan bacaklarda nasıl davrandığına özel dikkat göstermektedir. Bu yaklaşım, genellikle birkaç faz ve farklı indüktans kurulumlarını içeren çok fazlı dönüştürücü tasarımlarındaki karmaşıklığı yönetmeye yardımcı olur. Teorik hesaplamalara ek olarak, model ANSYS gibi araçlarla benzetim yoluyla doğrulanmıştır. Bu benzetimler, modelin doğruluğunu, özellikle akım dalgalanmasını tahmin etme ve çekirdek kayıplarını azaltma konularında desteklemektedir. Benzetimler, modelin faz akımı dalgalanması gibi sorunları etkili bir şekilde yönettiğini ve bunun dönüştürücünün verimliliğini ve ısı üretimini doğrudan etkilediğini doğrulamaktadır. Modelin bir diğer önemli unsuru, indüktörler arasındaki kuplaj katsayısıdır. Bu katsayı, diferansiyel mod gürültüsü ve çekirdek kayıplarını dengelemek için kritik bir rol oynar. İndüktörler doğrudan veya ters olarak bağlandığında, dönüştürücü ya gürültüyü azaltabilir ya da çekirdek kayıplarını düşürebilir. Bu iki faktör arasındaki değiş tokuş, tasarımcıların uygulama ihtiyaçlarına dayalı olarak en uygun bağlanma stratejisini seçmelerine yardımcı olmak için dikkatlice modellenmiştir. Son olarak, manyetik model, çekirdek doygunluğunu ele alır ve indüktörlerin yüksek akımları çekirdek doygunluğuna ulaşmadan kaldırabilmesini sağlar. Model, çekirdek içindeki akı yoğunluğunu hesaplayarak, dönüştürücünün yüksek güç ve yüksek frekans koşullarında bile güvenilir çalışmasını garanti eder. Bu, özellikle yüksek yoğunluklu dönüştürücülerde çekirdek doygunluğunun önemli bir sorun haline gelebileceği durumlar için oldukça önemlidir. Sonuç olarak, bu tez, çok seviyeli ve çok fazlı TP PFC dönüştürücülerinin avantajlarını göstererek güç elektroniği alanına önemli katkılar sağlamaktadır. Teorik analiz, matematiksel modelleme ve deneysel doğrulamanın bir kombinasyonu aracılığıyla, bu araştırma, bu dönüştürücülerin verimlilik ve güç yoğunluğunda önemli iyileştirmeler sunduğunu göstermektedir. Geliştirilen eniyileştirme algoritması, sadece son derece verimli değil, aynı zamanda gerçek dünya uygulamaları için de pratik olan TP PFC dönüştürücülerin tasarımı için değerli bir araç sağlamaktadır. Bu çalışma European Union's Horizon 2020 Research and Innovation Programme proje numarası 101031029, TÜBİTAK 2232-A Uluslararası Lider Araştırmacılar Programı proje numarası 118C374 ve İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri proje numarası 43760 tarafından desteklenmiştir.

Özet (Çeviri)

Power Factor Correction (PFC) is an essential aspect of modern electrical systems, as it improves power quality, minimizes losses, and enhances the overall efficiency of power distribution networks. In electrical systems, loads often introduce inefficiencies by causing a phase difference between voltage and current. This lag or lead in phase results in lower power factors, which can increase energy consumption and stress the electrical grid. PFC techniques aim to align the current waveform with the voltage waveform, thereby optimizing energy transfer and reducing reactive power in the system. The importance of PFC has grown significantly with the increasing use of non-linear loads, such as power supplies, motor drives, and other electronic equipment, which can distort the current waveform and cause power quality issues. Power Factor Correction converters are widely implemented in a variety of applications, from industrial equipment to consumer electronics, to ensure efficient energy use. By improving the power factor, these converters help reduce electricity costs, enhance the longevity of electrical components, and comply with regulatory standards. In recent years, as energy efficiency has become a global priority, advancements in PFC technology have focused on increasing the power density and efficiency of these converters while maintaining high levels of performance. Totem Pole (TP) PFC converters have gained attention due to their ability to achieve high efficiency and power factor correction, especially in high-frequency applications. The Totem Pole architecture eliminates the need for a traditional input diode bridge, reducing conduction losses and enabling higher efficiency. When combined with wide-bandgap semiconductors such as GaN (Gallium Nitride) and SiC (Silicon Carbide), TP PFC converters can operate at higher frequencies with lower switching losses, making them ideal for modern high-performance power systems. The increasing global demand for energy, combined with the growing need to improve efficiency in energy use, has put very high pressure on the development of advanced power converters. Power systems often experience reduced performance due to poor power quality, which is caused by issues such as harmonics, voltage fluctuations, and the non-linear behavior of loads. These factors not only compromise efficiency but also affect the reliability and stability of the entire power grid. To address these challenges, power factor correction converters are widely used to enhance the quality of power in both industrial and consumer applications. Within this broader context, TP PFC converters have emerged as a promising solution, offering significant improvements in power factor and energy efficiency, especially when combined with wide-bandgap semiconductors like GaN and SiC. These devices enable higher efficiency and power density by mitigating the reverse recovery losses that plague traditional silicon-based FETs (Field Effect Transistors) in high-frequency switching. The thesis sets out to investigate the potential of these TP PFC converters, with a specific focus on multi-level and interleaved designs that aim to optimize power density, reduce losses, and enhance thermal management. This thesis is centered on the design and optimization of a high-power density multi-level TP PFC converter, a key component in modern power conversion systems. The study begins by defining primary objectives, which include a detailed investigation of TP PFC converter topologies and the development of a robust optimization framework. This framework is designed to assist in selecting optimal topologies, switching frequencies, and passive components, with the ultimate goal of achieving high power density while maintaining high efficiency. A key challenge in the design of TP PFC converters is overcoming the limitations of silicon FETs, which suffer from high reverse recovery losses, especially in fast-switching applications. By addressing this limitation through the use of GaN FETs, this research contributes to the field of power electronics, both in terms of theoretical understanding and practical application. The research methodology used in this thesis adopts a system-level approach, incorporating both multi-level and interleaved topologies in the design of the TP PFC converter. This approach allows for a comprehensive analysis of the key variables that impact performance, including switching frequency, component selection, and passive element design. Advanced simulation tools, such as ANSYS, MATLAB, PSIM, and LTSpice, are used to model the behavior of the converter under various operating conditions, allowing for a thorough validation of the design choices before moving into the physical manufacturing phase. In addition, a detailed mathematical analysis was conducted to model the trade-offs between efficiency, cost, and component size, ensuring that the final design is optimized across all key parameters. A key component of this research is the development of a holistic system-level design and optimization tool to guide the selection of critical components, such as PFC inductors, FETs, heatsinks, and EMI filters. The tool evaluates a range of design configurations, balancing efficiency, cost, and volume to find the optimal solution for a given set of application requirements. This optimization process is iterative, using a multi-loop algorithm that sweeps through different voltage levels, PFC inductance values, and switching frequencies to identify the best configuration. The tool is highly flexible and can be adapted to various types of TP PFC converters, including multi-level and interleaved topologies. The results of this optimization process led to the design and construction of a high-frequency, multi-level TP PFC converter. The experimental validation of the converter confirmed the success of the design. The manufactured converter achieved a high power density of 67 W/in³ and an efficiency of 99.6% at quarter load, maintaining 99.05% efficiency at full load (3.7 kW). These results demonstrate that the developed optimization framework is not only theoretically sound but also highly practical in real-world applications. The converter's performance was tested across a wide range of operating conditions, and it outperformed traditional designs, particularly in terms of power factor correction, maintaining an input power factor above 0.99 throughout the entire load range. Furthermore, the converter remained stable and efficient even under thermal stress, with GaN FETs reducing core losses and contributing to a manageable heat dissipation of 2.3 W per FET when cooled with 400 LFM airflow. The multi-phase design further distributed thermal stress evenly, ensuring reliability even at high power levels. In terms of mathematical modeling, the thesis made important contributions to the field. The system-level optimization framework developed in this research is based on mathematical analysis of the key factors influencing the performance of TP PFC converters. These factors include FET losses, input current ripple, differential mode (DM) and common mode (CM) noise spectrums, and electromagnetic interference (EMI) filtering requirements. By incorporating these variables into the optimization process, the framework provides a holistic approach to the design of TP PFC converters, ensuring that all relevant trade-offs are accounted for. The mathematical models developed in this thesis can be applied to a wide range of power conversion systems, making them a valuable resource for both academic researchers and industrial engineers. The magnetic model proposed in the thesis is another key part of optimizing the design of inductors for multi-phase multi-level TP PFC converters. The proposed design approach uses a reluctance-based method, considering both self and leakage inductances. This approach simplifies the calculation by using geometric data for the core, like dimensions and material properties, to predict how the magnetic flux will distribute through the core. The magnetic model is developed for both EI and EE core types, with specific attention to how flux behaves in different parts of the core, such as the center and side legs. This approach helps manage the complexity that comes with multi-phase converter designs, which often involve several phases and different inductance setups. In addition to the theoretical calculations, the model is verified through simulation. These simulations support the accuracy of the model, particularly in predicting current ripple and reducing core losses. The simulations confirm that the model effectively manages issues like phase current ripple, which directly impacts the efficiency. Another important aspect of the model is the coupling coefficient between inductors. This coefficient plays a critical role in balancing differential mode noise and core losses. Depending on how the inductors are coupled (directly or inversely), the converter can either reduce noise or lower core losses. The trade-off between these two factors is carefully modeled to help designers choose the optimal coupling strategy based on their specific application needs. Finally, the magnetic model addresses core saturation, ensuring that the inductors can handle high currents without reaching their saturation limits. By calculating the flux density in the core, the model makes sure that the converter operates reliably, even under high power and high-frequency conditions. This is particularly important for high-density converters, where core saturation can become a significant issue. In conclusion, this thesis makes significant contributions to the field of power electronics by demonstrating the benefits of multi-level and interleaved TP PFC converters. Through a combination of theoretical analysis, mathematical modeling, and experimental validation, the research shows that these converters offer substantial improvements in efficiency and power density. The developed optimization framework provides a valuable tool for designing TP PFC converters with high power density values that are not only highly efficient but also practical for real-world applications. This study is supported in part by European Union's Horizon 2020 Research and Innovation Programme under the Grant 101031029, 2232 International Fellowship for Outstanding Researchers Program of TUBİTAK under Grant 118C374 and the Scientific Research Projects Unit of Istanbul Technical Univerisity under Grant MDK-2022-43760.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    676744

    Cogging torque and performance optimization of an interior permanent magnet synchronous motor used in commercial washing machines

    Ticari çamaşır makinelerinde kullanılan gömülü daimi mıknatıslı senkron motorların tutunma momenti ve performans en uygunlaştırması

    EGE ÜNLÜTEPE KESKİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ

  2. Tez No

    674769

    Gemilerde organik rankine çevrimine dayalı atık ısı geri kazanım sistemlerinin ileri termal analizleri ve termo-ekonomik optimizasyonu

    Advanced thermal analyses and thermo-economic optimization of waste heat recovery systems based on organic rankine cycle onboard ships

    MEHMET AKMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELMA ERGİN

  3. Tez No

    920588

    Shape optimization of concave armature for electromagnetic launchers using finite element method and multi-objective genetic algorithm

    Elektromanyetik fırlatıcıların içbükey armatür şeklinin çok amaçlı genetik algoritma ve sonlu elemanlar yöntemi ile optimizasyonu

    FERHAT YURDAKONAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET CANSIZ

  4. Tez No

    112262

    Görüntü sınıflandırması için yapay sinir ağlarının analiz ve optimizasyonu

    Analysis and optimization of artificial neural networks for image classification

    OZAN ARSLAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2001

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF. DR. OĞUZ MÜFTÜOĞLU

    PROF. DR. CANKUT ÖRMECİ

  5. Tez No

    530235

    Design and implementation of an interface circuit for piezoelectric energy harvesters

    Piezoelektrik enerji üreteçleri için arayüz devresi tasarımı ve uygulaması

    SALAR CHAMANIAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALUK KÜLAH

    DOÇ. DR. ALİ MUHTAROĞLU

Geri Dön