Ev tipi endüksiyonlu ocaklar için çok çıkışlı güç devresi tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of a multi-output power circuit for domestic induction hobs
- Tez No: 960608
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NİHAN ALTINTAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 199
Özet
Endüksiyonla ısıtma teknolojisi, yüksek enerji verimliliği ve hassas sıcaklık kontrolü sağlaması nedeniyle modern mutfak uygulamalarında giderek daha yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ancak, ev tipi çok çıkışlı endüksiyonla ısıtma sistemlerinde yaygın olarak kullanılan geleneksel rezonanslı inverter topolojileri; rezonans elemanlarına bağımlılık, kontrol karmaşıklığı ve yük değişimlerine karşı yüksek hassasiyet gibi önemli sınırlamalara sahiptir. Bu tez çalışmasında, söz konusu sınırlamaların üstesinden gelmek amacıyla üç yeni rezonanssız çok çıkışlı endüksiyonla ısıtma topolojisi önerilmiştir: Si-IGBT tabanlı tam köprü doğrultuculu topoloji, ters seri bağlı SiC-MOSFET topoloji ve elektromekanik röle kontrollü topoloji. Önerilen topolojiler, rezonans kondansatörü ihtiyacını ortadan kaldırarak hem sistem maliyetini azaltmakta hem de kontrol yapısını sadeleştirmektedir. Aynı zamanda bu topolojiler; yüksek frekanslı çalışmaya uygun, modüler, esnek ve gerçek zamanlı kontrol altyapısıyla entegre olacak şekilde tasarlanmıştır. Literatürde ilk kez, rezonanssız endüksiyonla ısıtma sistemleri için geçici ve kararlı durum dinamiklerini birlikte dikkate alan özgün bir bobin tasarım yöntemi geliştirilmiş; bu yöntem elektromanyetik analizlerle desteklenerek uygulamalı olarak doğrulanmıştır. Böylece bobin parametreleri, hedef çıkış gücü, maksimum akım değeri ve frekans sınırları temel alınarak sistematik bir yaklaşımla belirlenmiştir. Güç kontrolü kapsamında, PDM (Darbe Yoğunluk Modülasyonu) tabanlı bir kontrol algoritması ilk kez rezonanssız çok çıkışlı topolojilere uyarlanmıştır. Bu sayede her bir yük için bağımsız güç kontrolü sağlanmış ve çok çıkışlı sistemde homojen güç dağılımı ve etkin enerji yönetimi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, anahtarlama verimliliğini artırmak amacıyla rezonanssız topolojiler için yeni bir ölü zaman kontrol yöntemi geliştirilmiştir. Yük karakterizasyonu amacıyla ise, mikrodenetleyici tabanlı DFT (Ayrık Fourier Dönüşümü) algoritması uygulanmış ve bu yük kestirim yöntemi başarıyla entegre edilmiştir. Yürütülen kapsamlı deneysel çalışmalar sonucunda, önerilen topolojilerin 50–190 kHz geniş bir frekans aralığında kararlı şekilde çalıştığı ve yüksek verimlilik sağladığı gözlemlenmiştir. Özellikle ters seri bağlı SiC-MOSFET topolojisinin ortalama %97,41 verimlilikle en yüksek performansı sunduğu; elektromekanik röle kontrollü topolojinin %96,95 ve Si-IGBT tabanlı topolojinin ise %93,97 ortalama verimlilik sağladığı tespit edilmiştir. Bu tez kapsamında geliştirilen yaklaşımlar, ev tipi endüksiyonla ısıtma sistemleri için yüksek verimlilik, gelişmiş kontrol esnekliği ve modüler yapı sunan güçlü bir alternatif ortaya koymakta; aynı zamanda literatüre rezonanssız çok çıkışlı endüksiyonla ısıtma topolojileri, bobin tasarım metodolojileri, ölü zaman kontrolü ve yük kestirim algoritmaları alanlarında özgün katkılar sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Induction heating technology has become increasingly prevalent in modern kitchen applications due to its high energy efficiency and precise temperature control capabilities. However, conventional resonant inverter topologies widely used in household multi-output induction heating systems suffer from significant limitations such as dependence on resonant components, control complexity, and high sensitivity to load variations. In this dissertation, three novel non-resonant multi-output induction heating topologies are proposed to overcome these limitations: a full-bridge rectifier topology based on Si-IGBTs, a reverse-series-connected SiC-MOSFET topology, and an electromechanical relay-controlled topology. The proposed topologies eliminate the need for resonant capacitors, thereby reducing system cost and simplifying the control architecture. Additionally, these structures are designed to be compatible with high-frequency operation and are integrated with a modular, flexible, and real-time control infrastructure. For the first time in the literature, an original coil design methodology that simultaneously considers both transient and steady-state dynamics in non-resonant induction heating systems has been developed. This method has been validated through electromagnetic analyses and practical implementation. Consequently, coil parameters are determined systematically based on target output power, maximum current levels, and frequency limits. In terms of power control, a Pulse Density Modulation (PDM)-based control algorithm has been adapted to non-resonant multi-output topologies for the first time. This enables independent power control for each load, ensuring uniform power distribution and efficient energy management in multi-load systems. Furthermore, a novel dead-time control method has been developed to enhance switching efficiency in non-resonant topologies. For load characterization, a microcontroller-based Discrete Fourier Transform (DFT) algorithm has been implemented and successfully integrated into the system. Comprehensive experimental studies demonstrate that the proposed topologies operate stably across a wide frequency range of 50–190 kHz and achieve high efficiency. Notably, the reverse-series-connected SiC-MOSFET topology delivers the highest performance with an average efficiency of 97.41%; the electromechanical relay-controlled topology achieves 96.95%, and the Si-IGBT-based topology achieves an average efficiency of 93.97%. The approaches developed in this study present a strong alternative for household induction heating systems, offering high efficiency, enhanced control flexibility, and modular structure. Moreover, this dissertation provides original contributions to the literature in the fields of non-resonant multi-output induction heating topologies, coil design methodologies, dead-time control strategies, and load estimation algorithms.
Benzer Tezler
- Manyetik olmayan tencereleri ısıtabilen ev tipi endüksiyon ocak uygulaması
A domestic induction cooker which can heat non magnetic pans
SERDAR GÖKHAN DOĞANAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
- Yeni nesil hızlı güç anahtarları ile yüksek verimli tek anahtarlı paralel rezonans endüksiyonlu ısıtma sistemi tasarımı
High-efficiency single switch quasi resonant induction heating system design with wide bandgap switching devices
KADİR CAN ATICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
- Ev tipi indüksiyonlu ocak bobinlerinin tasarımı ve homojen pişirme parametrelerinin incelenmesi
Design of household induction cooker coils and examination of homogeneous cooking parameters
ALİ BUĞRA BUĞDAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELİN ÖZÇIRA ÖZKILIÇ
- Seri rezonanslı yarım köprü inverterli ev türü endüksiyon ocaklarının analizi ve yeni bir tasarım metodolojisinin geliştirilmesi
Analysis of household induction cookers with series resonant half bridge inverter and development of a new design methodology
FATİH ZÜNGÖR
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HACI BODUR
- İndüksiyonlu ocak uygulamaları için geniş yumuşak anahtarlama aralığına sahip kısmi rezonanslı inverter tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of wide soft switching range quasi resonant inverter for induction cooker applications
AZAT ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM AKBOY