E-mobilite uygulamaları için geniş çıkış gerilimi aralığında çalışabilen LLC rezonans dönüştürücü tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of an LLC resonant converter with wide output voltage range for e-mobility applications
- Tez No: 945299
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Elektrikli araçlar (EV) , fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltma ve çevresel kirliliği en aza indirme potansiyeliyle sürdürülebilir ulaşım seçenekleri arasında en ön plana çıkmaktadır. Ancak, bu araçların yaygınlaşması için elektrikli araç şarj altyapısının hızlı, güvenilir ve verimli olması büyük bir öneme sahiptir. Elektrikli araçların bataryalarını kısa sürede şarj edebilecek yüksek güçlü hızlı şarj istasyonlarının geliştirilmesi, bu alandaki en kritik teknolojik ihtiyaçlardan biridir. Hızlı şarj istasyonlarında, şebekeden alınan alternatif akımın (AA) bir AA/DA dönüştürücü yardımıyla doğrultulması ve ardından doğru akım (DA) seviyesinin bir DA-DA dönüştürücü kullanılarak, araç bataryasının ihtiyaç duyduğu gerilim ve akım değerlerine dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu süreçte izolasyonlu bir DA-DA dönüştürücü, güç dönüşümünü sağlamak açısından önemli bir rol üstlenmektedir. Bu bağlamda, LLC rezonans dönüştürücü topolojisi, yüksek verimlilik ve düşük anahtarlama kayıpları gibi avantajları nedeniyle dikkat çekmektedir. Yumuşak anahtarlama tekniği sayesinde LLC rezonans dönüştürücüler, yüksek anahtarlama frekanslarında çalışarak enerji kayıplarını en aza indirir ve verimi artırır. Ayrıca, bu topoloji sayesinde manyetik elemanlar (trafolar, endüktanslar vb.) daha küçük boyutlarda tasarlanabilir. Bu durum, hızlı şarj ünitelerinin toplam boyutunu ve ağırlığını azaltarak sistemin taşınabilirliğini ve kullanım kolaylığını artırır. Elektrikli araç şarj sistemlerinde LLC rezonans dönüştürücülerin kullanılması hem ekonomik hem de performans açısından önemli avantajlar sunmaktadır. Hızlı şarj istasyonlarının tasarımında, maliyet, ölçeklenebilirlik ve esneklik gibi kriterler nedeniyle modüler yapılar sıklıkla tercih edilmektedir. Modüler tasarımlar, birden fazla dönüştürücünün seri veya paralel bağlanarak daha yüksek güç seviyelerine ulaşılmasına olanak tanır. Bu çalışmada, modüler yapının avantajlarından faydalanmak amacıyla, 4 kW gücünde bir LLC rezonans dönüştürücü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Modüler yapı hem sistemin ölçeklenebilirliğini artırmakta hem de istenilen güç seviyelerine daha kolay ulaşılmasını sağlamaktadır. Tasarım sürecinde, giriş gerilimi 325-375 V aralığında, çıkış gerilimi ise 250-450 V aralığında olacak şekilde 4 kW anma gücüne sahip bir LLC rezonans dönüştürücü ele alınmıştır. İlk olarak, LLC rezonans dönüştürücünün Temel Harmonik Yaklaşımı (THY) analizi yapılmış ve rezonans tank parametreleri optimize edilmiştir. Ardından, manyetik elemanların (trafolar ve endüktanslar) tasarımı ve optimizasyonu detaylı bir şekilde ele alınmıştır. Bu süreçte, manyetik akı yoğunluğu ve kayıplar dikkate alınarak elemanların boyutlandırılması gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma, hızlı şarj istasyonları için verimli, güvenilir ve ölçeklenebilir bir LLC rezonans dönüştürücü tasarımını kapsamaktadır. Çalışma, LLC rezonans dönüştürücülerin elektrikli araç şarj sistemlerindeki performansını artırmaya yönelik önemli katkılar sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Electric vehicles (EVs) have emerged as sustainable transportation options with the potential to reduce the growing environmental pollution and dependency on fossil fuels in recent years. As the world moves toward cleaner and more renewable energy sources, EVs are considered a cornerstone of this transition. However, for EVs to be widely adopted and utilized, the development of fast, reliable, and efficient charging infrastructures has become a necessity. If charging times are too long or the infrastructure is insufficiently developed, potential users may be discouraged from investing in EV technology, which could hinder the growth of this industry. Therefore, the design of fast charging stations plays a key role in the widespread adoption of electric vehicles. These stations are designed to minimize the time needed for recharging, providing a level of convenience comparable to that of refueling traditional internal combustion engine vehicles. In particular, high-power fast charging stations require the conversion of AC voltage from the power grid to an appropriate DC level, followed by a DC/DC converter to adjust the voltage and current to meet the requirements of the EV battery. This process aims to maximize energy transfer efficiency. Additionally, the use of isolated DC-DC converters is critical for ensuring safe and stable voltage conversion. There are several isolated DC-DC converter topologies that are widely used in high-power applications, including the LLC resonant converter, the phase-shifted full-bridge converter, and the dual-active bridge converter. These topologies are commonly employed in systems requiring efficient power conversion and electrical isolation, such as electric vehicle (EV) fast chargers, renewable energy systems, and industrial power supplies. While each of these topologies has its own advantages and application areas, the LLC resonant converter stands out due to its simplicity, compact design, and ability to operate efficiently over a wide range of load conditions. The LLC resonant converter is particularly well-suited for applications where high efficiency, compactness, and reliable operation are critical. Its key feature is the resonant tank circuit, which consists of an inductor and capacitor working in tandem with the transformer's magnetizing inductance. This design enables the converter to achieve soft switching—specifically zero-voltage switching (ZVS) on the primary side and zero-current switching (ZCS) on the secondary side—significantly reducing switching losses and improving overall system efficiency. Additionally, the ability of the LLC resonant converter to operate at high frequencies allows for the use of smaller and lighter magnetic components, resulting in a more compact and lightweight design. This not only reduces system size but also enhances power density, making it an ideal choice for fast charging stations where space and efficiency are crucial. Furthermore, the LLC topology provides a wide input and output voltage range, ensuring stable and efficient operation under varying load and battery conditions. These characteristics make LLC resonant converters a preferred solution in EV fast charging systems, delivering high performance while maintaining simplicity and reliability. In fast charging stations, modular structures are widely preferred due to several key factors, including cost-efficiency, ease of material availability, and design flexibility. Modular systems allow for scalability by enabling multiple modules to be connected in series or parallel, thereby achieving higher power levels to meet the desired voltage and current requirements. This approach not only simplifies the design process but also offers the advantage of improved system reliability and maintainability, as faulty modules can be replaced individually without disrupting the entire system. In this study, an LLC resonant converter was specifically designed to leverage the benefits of modular architectures. By utilizing a modular design, the system can be easily scaled to achieve the required power levels, making it highly adaptable to a wide range of applications and power demands. Additionally, modular designs facilitate easier system upgrades and maintenance, which is particularly advantageous for fast charging stations where reliability and uptime are critical. This scalability and flexibility ensure that the system can meet the growing demands of electric vehicle (EV) charging infrastructure while maintaining high performance and operational efficiency. As part of this study, a detailed design of an LLC resonant converter was undertaken, with key specifications including an input voltage range of 325-375 V, an output voltage range of 250-450 V, and a nominal power rating of 4 kW. The design process began with a comprehensive analysis of the LLC resonant converter, based on the Fundamental Harmonic Analysis (FHA) approach, to establish a solid theoretical foundation for the system. This initial step was crucial in understanding the operational principles and defining the key design parameters required to achieve optimal performance. Following the analysis, the resonant tank parameters, which are essential for the proper operation of the LLC converter, were carefully designed to meet the specific requirements of the system. These parameters, including the inductance and capacitance values, were optimized to ensure high efficiency, minimal power losses, and stable operation across a wide range of input and output conditions. Once the resonant tank parameters were determined, the focus shifted to the design and optimization of the magnetic components, particularly the transformers and inductors, as they play a crucial role in the overall performance of the LLC resonant converter. The design process for these components was carried out meticulously to ensure optimal system efficiency and reliability. Special attention was given to minimizing core and copper losses, as these directly impact the converter's thermal performance and efficiency. The magnetic components were carefully sized and designed, taking into account key factors such as magnetic flux density, core saturation, and operating frequency. To achieve a compact and lightweight design, high-frequency ferrite cores were selected, which allowed for reduced core volume without compromising performance. Additionally, the winding structure of the transformers and inductors was optimized to minimize skin and proximity effects, further reducing copper losses. In addition to the magnetic components, other key elements of the circuit, such as semiconductors, capacitors, and other components, were selected with great care to ensure compatibility and optimal performance. The design process involved a thorough evaluation of each component to achieve high efficiency and reliability. By the end of the design phase, a fully optimized LLC resonant converter was achieved, capable of delivering high efficiency and stable performance for fast charging applications. In conclusion, this study presents the design of an efficient, reliable, and scalable LLC resonant converter for fast charging stations, highlighting its critical role in enhancing the performance of electric vehicle (EV) charging systems. By optimizing resonant tank parameters, magnetic components, and other key elements, the design achieves high efficiency, compactness, and stable operation under varying conditions. The modular and scalable nature of the converter allows for easy adaptation to different power levels, making it ideal for a wide range of applications. This study provides valuable contributions to the development of high-performance, energy-efficient EV charging infrastructure, supporting the transition to sustainable transportation systems.
Benzer Tezler
- Çitosan-graft-poliakrilonitril/bor nanobiyokompozit sentezi
Bionanocomposite synthesis of chitosan-graft-polyacrylonitrile / boron
NERMİN SİMGE ÖZTEKİN
- GaN-on-SiC broadband driver amplifier design for C– and X–bandapplications using EM-based extrinsic parasitic extracted HEMTmodels
EM-tabanlı ekstrinsic parazitikleri çıkarılmış HEMT modeli kullanarak C– ve X–bandı uygulamaları için GaN-on-SiC geniş bant sürücü yükselteci tasarımı
ABDULLAH HANNAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Growth, characterization and fabrication of AlGaN/GaN high electron mobility transistors on silicon carbide substrates
Yüksek elektron mobiliteli transistörlerin silisyum karbür alttaşlar üzerine büyütülmesi, karakterizasyonu ve fabrikasyonu
AYÇA EMEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiDOÇ. DR. HÜSNÜ EMRAH ÜNALAN
PROF. DR. RAŞİT TURAN
- A high linearity s-band cryogenic low noise amplifier using 180 nm CMOS technology for space applications
Uzay uygulamaları için 180 nm CMOS teknolojisiyle gerçeklenmiş yüksek doğrusallı kriyojenik s-bant düşük gürültülü kuvvetlendirici
ALİCAN ÇAĞLAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA BERKE YELTEN
- Performance assessment of nonlinear active devices to design broadband microwave power amplifiers via virtual gain optimization
Doğrusal olmayan aktif elemanların performans analizi ve sanal kazanç optimizasyonuyla genişbandlı mikrodalga güç kuvvetlendiricisi tasarımı
SEDAT KILINÇ
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ
PROF. DR. BEKİR SIDDIK BİNBOĞA YARMAN
