Sarmaşık yapılı totem-pole güç faktörü düzeltme dönüştürücülerinin güç yoğunluğunun geliştirilmesi
Improving the power density of totem-pole power factor correction converters
- Tez No: 970920
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET FARUK BAKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Güç anahtarı, Güç elektroniği, Güç çeviriciler, Power switch, Power electronics, Power converters
- 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: Belirtilmemiş.
Özet
Elektrikli araçlar (EA), telekom sunucuları ve veri merkezlerine olan talebin artmasıyla birlikte güç kaynaklarına olan talep de hızla artmaktadır. Güç faktörü düzeltme (PFC) devreleri, modern güç kaynaklarının neredeyse yarısını kaplayarak bu kaynakların vazgeçilmez bir bileşeni haline gelmiştir. PFC dönüştürücülerin boyutunu en aza indirerek kompakt bir güç kaynağı tasarımı elde edilebilir ve bu, büyük ölçüde pasif bileşenlerin boyutunun küçültülmesine bağlıdır. PFC dönüştürücülerindeki pasif bileşenleri en aza indirmek amacıyla, anahtarlama frekansının birkaç yüz kHz'e yükseltilmesi gerekmektedir. Bu durum, sert anahtarlama koşullarında galyum nitrür (GaN) tabanlı yarı iletkenler kullanılsa dahi önemli bir zorluk oluşturmaktadır. GaN yarı iletkenlerin sıfır ters toparlanma özelliği sayesinde, yüksek verimli bir PFC konfigürasyonu olan totem-pole (TP) PFC topolojisi uygulanabilir hale gelmiştir. Bu çalışmada, sistem seviyesinde modelleme ve optimizasyon yaklaşımı kullanılarak yüksek frekanslı TP PFC için optimize edilmiş bir tasarım geliştirilmiştir. 3700W güç seviyesi için üç fazlı sarmaşık yapılı TP PFC, temel optimize edilmiş bir topoloji olarak belirlenmiş olup verimlilik, hacim ve maliyet açısından rakiplerine göre üstün performans sergilemektedir. Bu temel topolojinin güç yoğunluğunu daha da artırmak amacıyla, faz kaydırmalı asimetrik faz kolu yapısı kullanan yenilikçi bir yaklaşım sunulmuştur. Bu yöntem, giriş endüktanslarından birini yarıya düşürerek genel boyutu biraz küçültür ancak bu durumda kayıplar artar. Ayrıca elektromanyetik girişim (EMI) filtresi gibi diğer parametreler korunur. Sarmaşık yapılı TP PFC'ye uygulanan yeni yumuşak anahtarlama hücresi (SSC), dönüştürücünün 200 kHz'e varan anahtarlama frekanslarında çalışmasını sağlar. SSC, devreden bir faz kolunu ortadan kaldırarak dönüştürücünün genel boyutunu önemli ölçüde azaltır. Son olarak, bu yapıyı doğrulamak için 3700W iki fazlı sarmaşık yapılı prototip üretilmiştir. Prototip, %99,14'lük bir tepe verimliliğine ve %98,71'lik bir tam yük verimliliğine sahiptir. Böylece, önerilen yapının değişken yük koşullarında üstün performansa sahip olduğu gösterilmektedir. Ayrıntılı analiz ve karşılaştırmalar, bu topolojinin sürekli iletim modunda (CCM) çalışan temel sert anahtarlamalı (HS) TP PFC'lere göre iyi bir alternatif olduğunu ve bazı yüksek güçlü yumuşak anahtarlamalı (SS) özelliği olan topolojilerden daha iyi bir performansa da sahip olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The demand for power supplies is increasing rapidly, much like the growing demand for electric vehicles, telecom servers, and data centers. Power factor correction (PFC) circuits have become an essential component in modern power supplies, occupying nearly half of their total size. A compact power supply design can be achieved by minimizing the size of PFC converters, which largely depends on reducing the size of passive components. To minimize these passive components in PFC converters, the switching frequency must be increased to several hundred kHz, a challenge even when using gallium nitride (GaN) semiconductor devices under hard-switching conditions. The use of GaN FETs has made the totem-pole (TP) PFC topology, a highly efficient PFC configuration, feasible due to their zero reverse recovery behavior. In this research, an optimized design for a high-frequency TP PFC is developed using a system-level modeling and optimization approach. For a power level of 3700W, a three-leg interleaved TP PFC is identified as the baseline optimal topology, offering superior efficiency, volume, and cost compared to alternatives. A novel approach is then introduced to further enhance the power density of this baseline topology by employing an asymmetric leg configuration with unconventional phase shifting between the legs. This method reduces one of the input inductances by half, slightly decreasing overall size but with a trade-off of increased losses. Additionally, while maintaining other parameters such as the EMI filter, a new soft switching cell is introduced. When applied to interleaved TP PFC, it enables operation at switching frequencies as high as 200kHz, keeping the converter within thermal limits while eliminating one entire leg from the system, thereby significantly reducing the converter's overall size. Lastly, a 3700W two-leg interleaved prototype was built to validate this concept. The prototype demonstrates a peak efficiency of 99.14% and a full-load efficiency of 98.71%. Detailed analysis and comparison confirm that this topology is not only a promising alternative to traditional hard-switched TP PFCs operating in continuous conduction mode (CCM) but also outperforms some state-of-the-art soft-switching topologies in high-power applications.
Benzer Tezler
- Fotovoltaik uygulamalar için sarmaşık yapılı flyback dönüştürücü tabanlı bir evirici tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of an interleaved flyback inverter for photovoltaic applications
BİLGEHAN KIRIMER
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BÜNYAMİN TAMYÜREK
- Pem yakıt hücresi temelli sarmaşık yapılı hibrit DA-DA yükselten dönüştürücünün akım ve gerilim kontrolü
Current and voltage control of pem fuel cell-based DC-DC interlaved hybrid boost converter
KÜBRA NUR TOPRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN ÜZMUŞ
- Design, implementation, and control of a two ? stage AC/DC isolated power supply with high input power factor and high efficiency
Yüksek verimlilikte çalışan yüksek giriş güç çarpanlı, iki katlı, izolasyonlu, AA/DA güç kaynağının tasarım denetim ve imalatı
MEHMET CAN KAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
YRD. DOÇ. DR. AHMET MASUM HAVA
- Güç katsayısı düzeltmeli da/da yükseltici tip önregülatör devreleri benzetimleri
Power factor corrected dc/dc boost type preregulator circuits simulations
FATİH KARIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İRES İSKENDER
- Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemler için tek-fazlı yeni bir devre tasarımı ve analizi
Design and analysis of a new single-phase topology for grid tied photovoltaic systems
MEHMET ALİ ÇELİK
Doktora
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NACİ GENÇ