Elektrikli araç şarj üniteleri için yüksek verimli sıc mosfet tabanlı üç fazlı üç seviyeli güç faktörü düzeltme devresi tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of a high-efficiency three-phase three-level sic mosfet-based pfc converter for electric vehicle charging units
- Tez No: 989772
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERDEM AKBOY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Elektrik güç sistemleri, Elektrikli araçlar, Güç kaynakları, Güç sistemleri, Electric power systems, Electric vehicles, Power sources, Power systems
- Yıl: 2026
- 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
Günümüzde artan çevresel kaygılar, fosil yakıtların tükenme riski, içten yanmalı motora sahip araçların yüksek bakım maliyetleri, elektrikli araçların (EA, EV) kullanımını her geçen gün daha cazip hale getirmektedir. Elektrikli araçların yaygınlaşması, beraberinde yüksek güçlü, verimli ve güvenli şarj altyapılarına duyulan ihtiyacı da artırmaktadır. Özellikle DC hızlı şarj istasyonları, kısa sürede yüksek enerji transferi gerçekleştirdiğinden dolayı, girişteki AC-DC dönüşüm aşaması oldukça kritik bir rol oynamaktadır. Bu bağlamda, güç faktörü düzeltme (GFD, PFC) devreleri hem enerji kalitesini iyileştirmek hem de sistem verimliliğini artırmak adına şarj altyapılarında vazgeçilmez hale gelmiştir. Bu tezde, elektrikli araç şarj üniteleri için yüksek verimli, üç fazlı, üç seviyeli bir PFC doğrultucu devresi tasarlanmış ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Devrede anahtarlama elemanı olarak silikon karbür (SiC) bazlı MOSFET'ler tercih edilmiştir. SiC MOSFET'ler, geleneksel silikon MOSFET'lere göre daha düşük anahtarlama kayıpları, daha yüksek çalışma sıcaklıkları ve hızlı anahtarlama karakteristikleri sunarak yüksek güçlü uygulamalarda önemli avantajlar sağlamaktadır. Üç seviyeli topoloji ise, topolojideki yarıiletkenlerin gerilim stresini azaltarak hem anahtarlama kayıplarını düşürmekte hem de elektromanyetik girişim (EMG, EMI) seviyelerini sınırlamaktadır. Tasarım aşamasında Viyana Doğrultucu olarak da bilinen üç fazlı üç seviyeli PFC Doğrultucu topoloji benimsenmiştir. Bu yapı sayesinde hem üç seviyeli gerilim profili elde edilmiş hem de MOSFET'lerin eş zamanlı sürülmesine uygun bir kontrol altyapısı sağlanmıştır. Sistemin dijital kontrolü Texas Instruments F280039C dijital sinyal işlemcisi ile gerçekleştirilmiş olup, şebeke senkronizasyonu için bir PLL algoritması uygulanmıştır. Ayrıca, gelişmiş akım kontrol algoritması ile her bir fazın akımı bağımsız olarak düzenlenmiş ve sistemin güç faktörü 0.99'un üzerine çıkarılmıştır. Simülasyon çalışmaları PSIM ve Ltspice yazılımları üzerinde gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar deneysel uygulama ile karşılaştırılmıştır. Deneysel prototip 3x400 V AC giriş, 800 V DC çıkış gerilim aralığında çalışacak şekilde tasarlanmış ve 20 kW çıkış gücü elde edilmiştir. Ölçümler sonucunda sistemin verimliliği \%99'un üzerine çıkarken, toplam harmonik bozulma (THD, Total Harmonic Distortion) değeri \%5'in altında kalmıştır. Ayrıca, sistemde kullanılan filtre tasarımları ve anahtarlama stratejileri sayesinde EMG düzeyleri, ilgili standartlarının (EN 61000-3-12) sınırları içerisinde olması hedeflenmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasıyla elektrikli araç DC hızlı şarj sistemlerine entegre edilebilecek, yüksek verimli, düşük harmonikli ve dijital kontrollü bir GFD çözümü sunulmuştur. Çalışma, hem akademik hem de endüstriyel düzeyde uygulanabilirliği yüksek, geleceğin şarj altyapıları için önemli bir referans niteliğindedir.
Özet (Çeviri)
Today, increasing environmental concerns, the depletion risk of fossil fuels, and the high maintenance costs of internal combustion engine vehicles are making the use of electric vehicles (EVs) more attractive than ever. As electric vehicles become more widespread, the demand for high-power, efficient, and safe charging infrastructure also grows. Particularly, DC fast charging stations play a critical role by enabling high energy transfer in a short time, which makes the AC-DC conversion stage at the input extremely important. In this context, power factor correction (PFC) circuits have become indispensable in charging infrastructure, both to improve power quality and to increase system efficiency. In this thesis, a high-efficiency, three-phase, three-level PFC rectifier circuit has been designed and implemented for electric vehicle charging units. Silicon carbide (SiC)-based MOSFETs were selected as the switching elements. Compared to conventional silicon MOSFETs, SiC MOSFETs offer lower switching losses, higher operating temperatures, and faster switching characteristics, providing significant advantages in high-power applications. The three-level topology reduces the voltage stress on semiconductors, thus decreasing switching losses and limiting electromagnetic interference (EMI) levels. During the design phase, a three-phase, three-level PFC rectifier topology was adopted, utilizing six diodes and back-to-back connected MOSFETs at the midpoint of the DC bus. This configuration enabled a three-level voltage profile and established a control infrastructure suitable for simultaneous MOSFET gate driving. The digital control of the system was implemented using the Texas Instruments F280039C digital signal processor (DSP), and a PLL algorithm was employed for grid synchronization. In addition, an advanced current control algorithm was applied to regulate the current of each phase independently, achieving a power factor above 0.99. Simulation studies were carried out using PSIM software, and the results were validated against experimental implementations. The experimental prototype was designed to operate with a 3x400 V AC input and an 800 V DC output, delivering up to 20 kW output power. Measurements showed that the system efficiency exceeded 95\%, and the total harmonic distortion (THD) remained below 5\%. Furthermore, thanks to the filter designs and switching strategies employed in the system, EMI levels were targeted to remain within the limits specified by relevant standards (EN 61000-3-12). As a result, this thesis presents a high-efficiency, low-harmonic, and digitally controlled PFC rectifier solution suitable for integration into electric vehicle DC fast charging systems. The work offers a highly applicable reference for both academic and industrial levels, contributing to the future of charging infrastructure.
Benzer Tezler
- Elektrikli araç şarj istasyonları için görünür ışık haberleşme altyapısını kullanan yenilikçi bir haberleşme sistemi geliştirilmesi
Development of an innovative communication system utilizing visible light communication infrastructure for electric vehicle charging stations
MURAT DAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖKAY BAYRAK
- Kendi elektriğini üretebilen tam otonom elektrikli araç şarj istasyonu tasarımı
Design of a full autonomous electric vehicle charging station that can produce its own electricity
EMRE ŞENGÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
UlaşımBursa Teknik ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ASLI AYTEN KAYA
- Elektrikli araç şarj istasyonlarının yapay zeka destekli şebeke uyarlaması
Grid integration of electric vehicle charge stations using artifical intelligence
AYŞE TUĞBA YAPICI
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURETTİN ABUT
- Design and implementation of phase-shifted full-bridge converter with a current doubler for HV to LV battery charger in electric vehicles
Elektrikli araçlarda YG bataryadan AG bataryayı şarj eden akım katlayıcılı faz kaymalı tam köprü dönüştürücünün tasarımı ve gerçeklemesi
TEVHİDE DAYIOĞLU YURDAKONAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT YILMAZ
- An agent-based energy management approach for V2X-capable charger clusters
V2X özellikli şarj kümeleri için etmen-tabanlı enerji yönetim yaklaşımı
GÜLEN AKYÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT YILMAZ