Dağıtık enerji kaynakları için yumuşak anahtarlamalı DA-DA dönüştürücü tasarımı ve analizi

T.C.

DÜZCE ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

DAĞITIK

ENERJİ

KAYNAKLARI

İÇİN

YUMUŞAK

ANAHTARLAMALI

DA-DA

DÖNÜŞTÜRÜCÜ

TASARIMI

VE

ANALİZİ

SARAH YAHYA SALIH AL-HAJM

YÜKSEK LİSANS TEZİ

ELEKTRİK- ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ

ANABİLİM DALI

DANIŞMAN

DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET UÇAR

T.C.

DÜZCE ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

DAĞITIK

ENERJİ

KAYNAKLARI

İÇİN

YUMUŞAK

ANAHTARLAMALI

DA-DA

DÖNÜŞTÜRÜCÜ

TASARIMI

VE

ANALİZİ

Sarah Yahya Salih AL-HAJM tarafından hazırlanan tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Tez Danışmanı

Dr. Öğr. Üyesi Mehmet UÇAR Düzce Üniversitesi

Jüri Üyeleri

Dr. Öğr. Üyesi Mehmet UÇAR

Düzce Üniversitesi _____________________

Prof. Dr. Ali ÖZTÜRK

Düzce Üniversitesi _____________________

Dr. Öğr. Üyesi Cihan ŞAHİN

Bilecik Üniversitesi _____________________

BEYAN

Bu tez çalışmasının kendi çalışmam olduğunu, tezin planlanmasından yazımına kadar bütün aşamalarda etik dışı davranışımın olmadığını, bu tezdeki bütün bilgileri akademik ve etik kurallar içinde elde ettiğimi, bu tez çalışmasıyla elde edilmeyen bütün bilgi ve yorumlara kaynak gösterdiğimi ve bu kaynakları da kaynaklar listesine aldığımı, yine bu tezin çalışılması ve yazımı sırasında patent ve telif haklarını ihlal edici bir davranışımın olmadığını beyan ederim.

29 Ocak 2019

TEŞEKKÜR

Yüksek Lisans öğrenimimde ve bu tezin hazırlanmasında gösterdiği her türlü destek ve yardımdan dolayı çok değerli hocam Dr. Öğr. Üyesi Mehmet UÇAR’a en içten dileklerimle teşekkür ederim.

Bu çalışma boyunca yardımlarını ve desteklerini esirgemeyen sevgili aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım.

İÇİNDEKİLER

ŞEKİL LİSTESİ ... vii

ÇİZELGE LİSTESİ ... ix

KISALTMALAR ... x

SİMGELER ... xi

ÖZET...xiii

ABSTRACT ... xiv

1.

GİRİŞ ... 1

2.

YÜKSELTİCİ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜLER ... 4

2.1.YÜKSELTİCİDA-DADÖNÜŞTÜRÜCÜKATEGOİLERİ ... 4

2.1.1.İzolesiz/İzoleli Dönüştürücü ... 4

2.1.2.Tek Yönlü/Çift Yönlü Dönüştürücü ... 5

2.1.3.Gerilim Beslemeli/Akım Beslemeli Dönüştürücü ... 8

2.1.4.Sert Anahtarlamlı/Yumuşak Anahtarlamalı Dönüştürücüler ... 10

2.1.5.En Küçük Fazlı/Karma Fazlı Dönüştürücüler ... 12

2.2.GERİLİMYÜKSELTMETEKNİKLERİ ... 14

2.3.YÜKSELTİCİDA-DADÖNÜŞTÜRÜCÜUYGULAMALARI ... 16

3.

FOTOVOLTAİK SİSTEM ... 20

3.1.FOTOVOLTAİKHÜCREMODELİ ... 20

3.2.FOTOVOLTAİKSİSTEMİÇİNMAKSİMUMGÜÇNOKTASI İZLEYİCİ ... 22

3.3.GELENKSELDEĞİŞTİR/GÖZLEALGORİTMASI ... 23

4.

YÜKSEK GERİLİM KAZANÇLI DÖNÜŞTÜRÜÇÜLER ... 25

4.1.KUPLAJLIBOBİNTABANLIYÜSEKGERİLİMKAZANÇLI DÖNÜŞTÜRÜCÜLER ... 25

4.1.1. Pasif Kenetleme-Modu Kuplajlı Bobin Düşürücü-Yükseltici Dönüştürücüsü ... 25

4.2.YUMUŞAKANAHTARLAMATEKNİĞİTABANLIYÜKSEK GERİLİMKAZANÇLIDÖNÜŞTÜRÜCÜ ... 28

4.2.1. Aktif-Kenetleme Dönüştürücü ... 28

5.

YUMUŞAK ANAHTARLAMALI YÜKSEK GERİLİM

KAZANÇLI DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ ANALİZ VE TASARIMI

...32

5.1.ÖNERİLENDÖNÜŞTÜRÜCÜÇALIŞMAMODLARI ... 32 Sayfa No

5.2. ÖNERİLENDÖNÜŞTÜRÜCÜKARALIANALİZİ ... 37

5.2.1. Dönüştürücünün Gerilim Kazancı ... 37

5.2.2. Yarıiletken Anahtarlarında Gerilim Stresi ... 38

5.3.YUMUŞAKANAHTARLAMADURUMLARI ... 38

5.3.1. Sıfır Gerilimde Anahtarlama Durumda (ZVS) ... 38

5.3.2. Sıfır Akımda Anahtarlamalı Durumda (ZCS) ... 39

5.4.ÖNERİLENDÖNÜŞTÜRÜCÜBİLEŞENLERİNİNSEÇİMİ ... 39

5.4.1. Mıknatıslama Endüktansı Seçimi (𝑳_𝒎) ... 39

5.4.2. Kuplajlı Bobin Tasarımı ... 40

5.4.3. Kondansatörlerin (𝑪_𝟏, 𝑪_𝟐) Seçimi ... 41

5.4. 4. Çıkış Kondansatörlerinin Seçimi ... 41

6.

ÖNERİLEN SİSTEMİN BENZETİM VE DENEYSEL

SONUÇLARI ... 42

6.1.BENZETİMSONUÇLARI ... 42

6.2.DENEYSELSONUÇLAR ... 46

6.2.1. %50 Yük Durumda Deneysel Sonuçlar ... 50

6.2.2. Tam Yük Durumda Deneysel Sonuçlar ... 56

7.

SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 60

8.

KAYNAKLAR... 61

ŞEKİL LİSTESİ

Sayfa No

Şekil 2.1. Yükseltici DA-DA dönüştürücülerinin sınıflandırılması. ... 4

Şekil 2.2. Farklı izolesiz ve izoleli DA-DA dönüştürücü yapıları a) ortak şase b) şasesiz çıkışlı izolesiz DA-DA dönüştürücüler c) tek aşamalı d) iki aşamalı izolesiz DA-DA dönüştürücüler. ... 5

Şekil 2.3. Tek yönlü ve çift yönlü DA-DA dönüştürücüler a) izolesiz tek yönlü b) izolesiz çift yönlü DA-DA dönüştürücüler c) izoleli tek yönlü d) izoleli çift yönlü DA-DA dönüştürücüler. ... 7

Şekil 2.4. Gerilim ve akım beslemeli DA-DA dönüştürücü yapıları a) izoleli ve izolesiz formlarda ortak bir yapı b) gerilim beslemeli tam köprü DA-DA dönüştürücü c) akım beslemeli tam köprü DA-DA dönüştürücü. ... 9

Şekil 2.5. Farklı yumuşak anahtarlama DA-DA dönüştürücüler a) genel rezonans depo hücreleri b) çeşitli yumuşak anahtarlama hücreleri. ... 11

Şekil 2.6. Minimum faz yükseltici dönüştürücülerinin çeşitli türevleri a) MGN yükseltici dönüştürücü b( iki aktif anahtarlı farklı minimum fazlı yükseltici dönüştürücüler c) manyetik kuplaj kullanan farklı minimum fazlı yükselticiler. ... 12

Şekil 2.7. DA-DA dönüştürücüler için kullanılan gerilim yükseltme teknikleri. ... 14

Şekil 2.8. Farklı gerilim yükseltme tekniklerinin karşılaştırmalı analizi. ... 14

Şekil 3.1. Bir fotovoltaik güneş hücresinin elektrik eşdeğer devresi [79]. ... 20

Şekil 3.2. Perlight FV panelin standart test koşullarında I-V eğrileri. ... 21

Şekil 3.3. Bir fotovoltaik hücrenin I-V eğrisi. Burada (0, 𝐼𝑆𝐶) kısa devre noktası, (𝑉_𝑚𝑝, 𝐼_𝑚𝑝) maksimum güç noktası ve (𝑉_𝑜𝑐, 0). ... 22

Şekil 3.4. Gerilim ve akım sensörleri kullanarak MGNİ sisteminin uygulanması. ... 23

Şekil 3.5. P&O algoritmasının akış şeması. ... 23

Şekil 4.1. Pasif kenetleme-modu kuplajlı bobin düşürücü-yükseltici dönüştürücünün analiz modeli [7]. ... 25

Şekil 4.2. Pasif kenetleme-modu kuplajlı bobin düşürücü-yükseltici dönüştürücünün anahtar dalga şekilleri [7]. ... 26

Şekil 4.3. Dönüştürücünün farklı çalışma modlarıa) Mod 1 [t₀–t₁] b) Mod 2 [t₁–t₂] c) Mod 3 [t₂–t₃] d) Mod 4 [t₃–t₄] e) Mod 5 [t₄–t₅] f) Mod 6 [t₅–t₀][82]. . 27

Şekil 4.4. Aktif-kenetleme dönüştürücünün analiz modeli [83]. ... 28

Şekil 4.5. Aktif-kenetleme dönüştürücünün anahtar dalga şekilleri [7]. ... 30

Şekil 4.6. Dönüştürücünün farklı çalışma modlarıa) Mod 1 [t0–t1] b) Mod 2 [t1–t2] c) Mod 3 [t₂–t₃] d) Mod 4 [t₃–t₄] e) Mod 5 [t₄–t₅] f) Mod 6 [t₅–t₆] g) Mod 7 [t₆–t₀][83]. ... 31

Şekil 5.1. Önerilen ZVS-ZCS entegre yükseltici dönüştürücü [84]. ... 32

Şekil 5.2. Dönüştürücünün anahtar dalga şekilleri [84]. ... 35

Şekil 5.3. Dönüştürücünün farklı çalışma modlarıa) Mod 1 [t0–t1] b) Mod 2 [t1–t2] c) Mod 3 [t2–t3] d) Mod 4 [t3–t4] e) Mod 5 [t4–t5] f) Mod 6 [t5–t6] g) Mod 7 [t₆–t₇] h) Mod [t₇–t₈] i) Mod 9 [t₈ –T + t₀][84] ... 36

Şekil 6.1. PSIM tabanlı önerilen sistem blok diyagramı. ... 42

Şekil 6.2. FV paneli P-V eğrisi. ... 43

Şekil 6.3. Güneş ışınımının 1000 W/m2 _{ila 600 W/m}2 _{arasındaki değişimi dalga şekli.} ... 44

Şekil 6.4. (𝑉_𝐺1, 𝑉_𝐺2) , kuplajlı bobinin mıknatıslama (𝐼𝐿_𝑚) ve primer (𝐼_𝑃) akımları benzetim dalga şekilleri. ... 44

Şekil 6.5. 𝑆₁ ve 𝑆₂ MOSFET anahtarların ZVS iletim durumda benzetim dalga şekilleri. ... 45

Şekil 6.6. Diyotların ZCS kesim girmesi durumunda sırasıyla a) 𝐷𝑂1 ve 𝐷1 b) 𝐷𝑂2 ve 𝐷2 benzetim dalga şekilleri. ... 45

Şekil 6.7. PSIM benzetim sonuçları a) FV paneli akımı (𝐼𝐹𝑉) ve gerilimi (𝑉𝐹𝑉) b) sistem çıkış akımı (𝐼𝑜𝑢𝑡) ve gerilimi (𝑉𝑜𝑢𝑡) dalga şekilleri. ... 46

Şekil 6.8. Deneysel blok diyagram. ... 47

Şekil 6.9. Laboratuvar prototipinin fotoğrafı. ... 47

Şekil 6.10. Dönüştürücü güç devresi. ... 48

Şekil 6.11. PSIM/SimCoder tabanlı kod üretim blok diyagramı. ... 48

Şekil 6.12. TMS320F28335 kontrol kartı ve USB bağlantı istasyonu. ... 49

Şekil 6.13. Semikron SKYPER 32 Pro sürücüsü. ... 49

Şekil 6.14. Tampon ve seviye kaydırma kartı. ... 50

Şekil 6.15. 𝑆1 ve 𝑆2 MOSFET anahtarlarının (𝑉𝐺1, 𝑉𝐺2) dalga şekilleri. ... 51

Şekil 6.16. %50 yük deney sonuçları a) 𝑆₁ ve b) 𝑆₂ MOSFET anahtarlarının ZVS iletim durumda dalga şekilleri. ... 51

Şekil 6.17. %50 yük deney sonuçları a) 𝐷𝑂1, b) 𝐷1, c) 𝐷𝑂2 ve d) 𝐷2 diyotlarının ZCS kesim durumda dalga şekilleri. ... 53

Şekil 6.18. %50 yük durumunda dönüştürücünün a) giriş gerilimi (𝑉𝑖𝑛) ve akımı (𝐼𝑖𝑛) b) çıkış gerilimi (𝑉𝑜𝑢𝑡) ve akımı (𝐼𝑜𝑢𝑡) dalga şekilleri. ... 55

Şekil 6.19. Tam yükte deney sonuçları a) 𝑆1 ve b) 𝑆2 MOSFET anahtarlarının ZVS iletim durumda dalga şekilleri. ... 56

Şekil 6.20. Tam yük deney sonuçları a) 𝐷_𝑂1, b) 𝐷₁, c) 𝐷_𝑂2 ve d) 𝐷₂ diyotlarının ZCS kesim durumda dalga şekilleri. ... 57

Şekil 6.21. Tam yük durumunda dönüştürücünün a) giriş gerilimi (𝑉_𝑖𝑛) ve akımı (𝐼_𝑖𝑛) b) çıkış gerilimi (𝑉_𝑜𝑢𝑡) ve akımı (𝐼_𝑜𝑢𝑡) dalga şekilleri. ... 59

ÇİZELGE LİSTESİ

Sayfa No Çizelge 2.1. Farklı DA-DA dönüştürücü yapıların özeti. ... 13 Çizelge 2.2. DA-DA dönüştürücülerde yükseltme tekniklerinin ve uygulamalarının

özeti. ... 15 Çizelge 3.1. Perlight FV panel elektriksel özellikleri PLM-250M-60. ... 21 Çizelge 6.1. Önerilen dönüştürücü özellikleri. ... 43

KISALTMALAR

AA Alternatif Akım

AMOLED Aktif Matris Organik LED

CCPS Capacitor Charging Power Supply (Kondansatör şarj güç _kaynağı)

DA Doğru Akım

DGM Darbe Genişlik Modülasyonu

DÜ Dağıtık Üretim

EV Electric Vehicles (Elektrikli taşıtlar)

EMI Electromagnetic Interference (Elektromanyetik girişim) ESR Equivalent Series Resistance (Kondansatör iç direnci) FC Fuel Cell (Yakıt hücresi)

FC-EV Fuel Cell Electric Vehicle (Yakıt hücresi elektrikli taşıtlar)

FV Fotovoltaik

HEV Hybrid Electric Vehicle (Hibrit elektrikli taşıtlar)

HVDC High Voltage Direct Current (Yüksek gerilim doğru akım) ICT Information and CommunicationTechnology (Bilgi ve _{iletişim teknolojileri)} LCD Liquid Crystal Displays (Sıvı kristal ekranlar)

LED Light Emitting Diode (Işık yayan diyot) LHP Left Half Plane (Sol yarı düzlem)

MGN Maksimum Güç Noktası

MGNİ Maksimum Güç Noktası İzleme

MOSFET Metal Oxide Field Effect Transistor (Metal oksitli alan etkili transistör)

NMP Non Minimum Phase (Karma evreli dizge) PFC Power Factor Correction (Güç faktörü düzeltme) P&O Pertube&Observe (Değiştir/gözle)

RHP Right Half Plane (Sağ yarı düzlem) SS Soft Switching (Yumuşak anahtarlama)

UPS Uninterruptible Power Supply (Kesintisiz güç kaynağı)

VSC-HVDC

Voltage Source Converter High Voltage (Gerilim kaynağı dönüştürücü yüksek gerilim)

WPT Wireless Power Transfer (Kablosuz güç aktarım) ZCS Zero Current Switching (Sıfır akımda anahtarlama) ZCT Zero Current Transition (Sıfır akımda geçiş)

ZVS Zero Voltage Switching (Sıfır gerilimde anahtarlama) ZVT Zero Voltage Transition (Sıfır gerilimde geçiş)

SİMGELER

Ac Nüvenin kesit alanı

Ap Manyetik nüve alanı

Aw Nüvenin pencere alanı

C Kondansatör Cc Kenetleme kondansatörü Cf Filtrekondansatörü Cin Giriş kondansatörü Co Çıkış kondansatörü Co1, Co2 Dörtleyici çıkış kondansatörü

Co3 Kenetleme devresini çıkış kondansatörü

Cr Rezonans kondansatörü

Cr1 S1 Anahtar kaçak kapasitesi

Cr2 S2 Anahtar kaçak kapasitesi

D Görev devrisi

Dc Kenetleme diyotu

di/dt Akım yükselme hızı

Dmax Dönüştürücü maksimum görev devrisi Dmin Dönüştürücü minimum görev devrisi

dv/dt Gerilim yükselme hızı

dp/dv Gerilimin güçte değişiminin miktarı

D1 Diyot fs Anahtarlama frekansı G Güneş radyasyonu I Akım ID Diyot akımı IFv Fotovoltaik akımı Imp Maksimum güç gerilimi Iout Çıkış akımı Iph Foton akımı

Isc Kısa devre akımı

J Akım yoğunluğu K Boltzman sabiti Ku Pencere faktörü L Endüktans Lf Filtre endüktansı lg Hava boşluğu Lin Giriş endüktansı Lk Kaçak endüktansı Lm Mıknatılama endüktansı Lr Rezonansendüktansı M Gerilim kazancı N Dönüş oranı

Ns Transformatör sekonder sarım sayısı

N1 Kuplajlı bobin primer sarım sayısı N2 Kuplajlı bobin sekonder sarım sayısı

P Güç PFV Fotovoltaik güçü RS Seri direnç Rsh Paralel direnç S1 Dönüştürücü ana anahtarı S2 Dönüştürücü yardımcı anahtarı T Sıcaklık Ts Anahtarlama periyodu V Gerilim VFV Fotovoltaik gerilimi

VG1 Ana anahtarın kapı

VG2 Yardımcı anahtarın kapı

Vin Giriş gerilimi

Vmp Maksimum güç akımı

Voc Açık devre gerilimi

Vout Çıkış gerilimi

Vref Refrans gerilimi

ΔT Ölü zaman süresi

ÖZET

DAĞITIKENERJİKAYNAKLARIİÇİNYUMUŞAKANAHTARLAMALI DA-DADÖNÜŞTÜRÜCÜTASARIMIVEANALİZİ

Sarah Yahya Salih AL-HAJM Düzce Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi

Danışman: Dr. Öğr. Üyesi Mehmet UÇAR Ocak 2019, 67 sayfa

Yenilenebilir enerji kaynaklarına dayanan düşük gerilimli Dağıtık Üretim (DÜ) sistemleri, yüke maksimum enerji sağlamak için yüksek kazançlı ve yüksek verimli yükseltici tip DA-DA dönüştürücülere ihtiyaç duyar. Bu tez çalışmasında, dağıtık enerji kaynakları için bir kuplajlı bobin, aktif kenetleme ve rezonant gerilim dörtleyici devresini kullanılarak yumuşak anahtarlamalı yüksek gerilim kazançlı DA-DA dönüştürücünün tasarımı ve analizi yapılmıştır. Düşük anahtarlama kayıplarını sağlamak için ana ve yardımcı anahtarlar sıfır gerilimde anahtarlamalı (Zero Voltage Switching, ZVS) iletime girmekte ve diyotlar sıfır akım anahtarlamalı (Zero Current Switching, ZCS) kesime girmektedir. Düşük maliyet ve basit yapıya sahip yumuşak anahtarlamalı DA-DA dönüştürücünün çalışma prensibi, teorik analizi ve çalışma modları detaylı bir şekilde sunulmuştur. Önerilen yumuşak anahtarlamalı DA-DA dönüştürücünün PSIM programı ile simülasyonu yapılmış ve dönüştürücünün laboratuvar prototipi yapılarak elde edilen sonuçlar deneysel olarak doğrulanmıştır.

Anahtar sözcükler: Dağıtık üretim, DA-DA dönüştürücü, Yumuşak anahtarlama,

ABSTRACT

DESIGNANDANALYSISOFASOFTSWITCHINGDC-DCCONVERTERFOR DISTRIBUTEDENERGYSOURES

Sarah Yahya Salih AL-HAJM Düzce University

Graduate School of Natural and Applied Sciences, Department of Electrical and ElectronicEngineering

Master’s Thesis

Supervisor: Assist. Prof. Dr. Mehmet UÇAR January 2019, 67 pages

Low voltage Distributed Generation (DG) systems based on renewable energy sources required high-gain and high-efficiency step up DC-DC converters to provide maximum energy to the load. In this thesis, a design and analysis of soft switching high voltage gain DC-DC converter was studied by using a coupling inductor, active clamp circuit and resonant voltage quadrupler cell for distributed energy sources. For maintaining low switching losses, the main and auxiliary switches are turned on at Zero Voltage Switching (ZVS) and diodes are turned off with Zero Current Switching (ZCS). The working principle, theoretical analysis and operating modes of the proposed soft-switching DC-DC converter with the low cost and simple structure was presented in detail. The proposed soft-switching DC-DC converter was simulated with the PSIM program and the converter results of the laboratory prototype was experimentally verified.

1. GİRİŞ

Yenilenebilir enerji tabanlı temiz ve kirletici olmayan DÜ sistemleri küresel ısınma, fosil yakıtların tükenmesi ve artan elektrik enerjisi talebi nedeniyle daha fazla önem kazanmaktadır. Fotovoltaik (FV), yakıt hücreleri (Fuel Cell, FC) ve rüzgâr enerjisi sistemleri gibi yenilenebilir enerji kaynakları yaygın DÜ güç sistemleri için kullanılmaktadır. Bu kaynaklar doğada oldukça kesintilidir ve verimli kullanım için bir güç elektroniği dönüştürücüsüne ihtiyaç duyarlar [1]. Güç elektroniği dönüştürücülerinde güç yoğunluğunun arttırılması amacıyla yüksek anahtarlama frekansına sahip uygulamalar yaygınlaşmaktadır. Ancak frekansla orantılı olarak artan anahtarlama kayıpları, dönüştürücü verimini düşürmektedir.

Çeşitli yenilenebilir enerji kaynakları arasında FV paneller, doğrusal olmayan gerilim-akım özellikleri ile Maksimum Güç Noktası (MGN), sıcaklık ve ışınım koşullarına bağlıdır. Bu koşullar değiştiğinde MGN’nin yanı sıra çalışma noktası da değişecektir. Bu nedenle, panelden maksimum gücü elde etmek amacıyla Maksimum Güç Noktası İzleme (MGNİ) kontrol yöntemleri kullanılır [2]. MGNİ, optimum çalışma noktasını düzeltmek için FV paneller ve yük arasına yerleştirilmiş bir DA-DA dönüştürücüyü kontrol eden bir algoritmadır. Birçok izleme kontrol tekniği geliştirilmiş ve uygulanmıştır: değiştir ve gözle, artan iletkenlik, birinci mertebeden türevsel, bulanık mantık vb. yöntemi en yaygın kullanılan MGNİ algoritmalarıdır [3].

Yükseltici DA-DA dönüştürücü topolojileri giriş enerjisini geçici olarak depolayarak ve daha sonra çıkışta daha yüksek bir gerilim seviyesinde çıkışa enerji vererek düşük DA gerilim seviyelerinden daha yüksek seviyelere dönüştürür. Bu tür depolama ya manyetik alan depolama bileşenlerinde (tekli endüktör/kuplajlı bobin) ya da elektriksel alan depolama bileşenleri (kondansatörler) çeşitli aktif veya pasif anahtar elemanlarının (güç anahtarları ve diyotlar) kullanımı yoluyla sağlanabilir. Çeşitli güç uygulamaları için güvenilir, verimli, küçük boyutlu ve hafif yükseltici DA-DA dönüştürücüler için yoğun bir talep vardır. Farklı gerilim yükseltme teknikleri bulunmaktadır (çok katlı, sarmaşık, kaskad topolojilerin kullanılması ya da gerilim çoklayıcı hücrelerin kullanılması, hatta anahtarlanmış kondansatörler ve/veya kuplajlı bobin) ile kombine edilmesi gibi farklı

gerilim yükseltme teknikleri bulunmaktadır [4]. Gerilim yükseltme teknikleri her topolojinin kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır ve bunlar: izolesiz/izoleli, tek yönlü /çift yönlü, gerilim beslemeli /akım beslemeli, sert anahtarlı/yumuşak anahtarlı, en küçük fazlı/karma fazlı özellikler gibi uygulama ve gerekliliklerine göre seçilmektedir. Geleneksel bir Darbe Genişlik Modülasyonu (DGM) yükseltici dönüştürücü, düşük güçlü taşınabilir cihazlardan yüksek güçlü sabit uygulamalara kadar olan çeşitli uygulamalar için birçok özelliğe sahip ana DA-DA yükseltici devredir. DGM yükseltici DA-DA dönüştürücülerinin yaygın olarak kullanılması, modelleme, tasarımı, uygulaması ve imalatının basitleştirilmesi açısından büyük bir avantaj olan düşük sayıdaki elemanlarından kaynaklanmaktadır. Halbuki, yüksek gerilim kazancı elde etmek, iletim kayıplarından ve diyotların ters kutuplama kayıplarından kaynaklanan verim düşüklüğü nedeniyle sınırlıdır [5]. Yüksek gerilim kazancına ulaşmak için izoleli dönüştürücüler kullanılabilir. Ancak, düşük güç uygulamaları için, daha yüksek verimlilik, iyi güç yoğunluğu ve daha düşük maliyet nedeniyle izolesiz dönüştürücüler tercih edilir [6]. Düşük güçlü FV sistemleri için, izolesiz dönüştürücülerin kullanımı en iyi seçimdir. Çeşitli izolesiz yüksek kazançlı DA-DA dönüştürücüler arasında, kuplajlı bobin tabanlı dönüştürücüler, sadece dönüş oranını değiştirerek gerilim dönüştürme kazancını arttırdığı için kolaydır. Kuplajlı bobinin kaçak enerjisine bağlı olarak anahtarlarda gerilim sıçraması, bu dönüştürücüler için ana problem kaynağıdır. Anahtarlardaki bu gerilim sıçramasını sınırlamak için, kayıpsız pasif kenetleme [7], [8] veya aktif kenetleme [9], [10] tekniği kullanılmıştır. [8]’de bir yüksek gerilim dönüştürücüsü, yüksek gerilim kazancı sağlaması için bir geri dönüşlü dönüştürücüsü ile entegre edilmiştir. Burada, yükseltici dönüştürücüsü, kaçak enerjisini geri dönüştüren bir pasif kenetleme devresi görevi görmektedir. Bununla birlikte, bu dönüştürücüler, çıkış diyotundaki yüksek gerilim stresinden muzdariptir ve sonuç olarak, snubber devresi veya yüksek gerilimli diyotları kullanmak gereklidir.

Bu tez çalışmasında yüksek gerilim kazanımı gerçekleştirmek için kuplajlı bobinin sekonder tarafına bir rezonanslı gerilim dörtleyici hücre entegre edilmiştir. Kuplajlı bobinin enerjisi, MOSFET anahtarının tüm anahtarlama durumu sırasında aktarılır. Bunun için, kuplajlı bobinin oluşturulması için büyük bir manyetik nüve yerine küçük boyutlu bir nüve kullanılabilir. Böylece, dönüştürücünün genel güç yoğunluğu geliştirilmektedir. Kuplajlı bobinlerde kaçak enerji, yükseltme entegrasyon tekniği kullanılarak çıkış tarafına geri dönüştürülür [11], [8]. Yardımcı anahtar çıkışa

bağlanmıştır ve MOSFET’lerin sıfır gerilimde anahtarlamalı (ZVS) iletime girme durumda sağlamak için aktif kenetleme devresi işlevi görür. Bu yüzden, dönüştürücünün tüm diyotları sıfır akım anahtarlamalı (ZCS) kesime girer. ZCS kesime girmesi, yüksek frekanslı kesime girme kayıplarını ve diyotların ters kutuplama kayıplarını azaltır. Diyotların kaçak kapasitesi ve sekonder kaçak endüktansı arasındaki rezonansa bağlı olarak oluşan yüksek gerilim sıçraması veya diyotlarında rezonansı ortadan kaldırır. Önerilen dönüştürücü, büyük dönüş oranı ve çok yüsek çalışma oranı olmadan yüksek gerilim kademeli olarak çalışır. Ayrıca, tüm MOSFET’ler ve diyotlar düşük gerilim stresine maruz kalmaktadır. Sonuç olarak, iletim kayıplarını azaltmak için düşük gerimli MOSFET’ler kullanılabilir.

2. YÜKSELTİCİ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜLER

2.1. YÜKSELTİCİ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ KATEGOİLERİ

Yükseltici DA-DA dönüştürücülerin genel sınıflandırılması Şekil 2.1’de gösterilmektedir. Aşağıdaki bölümlerde her bir dönüştürücü sınıfı genel olarak açıklanmaktadır [4].

İzolesiz/İzoleli Tek yönlü/Çift yönlü Gerilim beslemeli / Akım beslemeli Sert anahtarlı/ Yumuşak anahtarlı En küçük fazlı/Karma fazlı

Yükseltici DA-DA

dönüştürücü

Şekil 2.1. Yükseltici DA-DA dönüştürücülerinin sınıflandırılması. 2.1.1. İzolesiz/İzoleli Dönüştürücü

DA gerilimin yükseltilmesi için temel yöntem, yalnızca üç bileşen (endüktans, anahtar ve diyot) içeren bir DGM yükseltici dönüştürücüsünü kullanmaktır. Bir DGM yükseltici dönüştürücüsü, birçok DA uygulamaları için uygun, basit, düşük maliyetli ve verimli bir izolesiz yükseltici dönüştürücüdür. Bir DGM yükseltici dönüştürücü ile birlikte izolesiz bir DA-DA dönüştürücü genel blok diyagramı Şekil 2.2 (a)’da gösterilmektedir. Bir DGM yükseltici dönüştürücüsüne benzer şekilde diğer DA-DA izolesiz dönüştürücü yapıları genellikle düşük maliyetli ve boyutta nispeten düşük güç seviyelerine uygundur [12]. İzolesiz DA-DA dönüştürücü devreleri giriş ve çıkış arasında paylaşılan şase veya şasesiz çıkışlı olarak kullanılabilir ve Şekil 2.2 (b)’de bir izolesiz DA-DA dönüştürücünün genel blok diyagramı gösterilmektedir. İzolesiz DA-DA dönüştürücülerin giriş ve çıkışı arasında paylaşılan bağlantı, transformatörsüz şebekeye bağlı FV sistemleri gibi uygulamaların sistem performansını iyileştirmek için kullanılabilir [13]. Ayrıca, izolesiz DA-DA dönüştürücüler manyetik kuplajlı veya manyetik kuplajsız olarak yapılabilir. Yüksek gerilim kazancı dikkate alınmazsa ve

verimlilik önemli bir sorun değilse, manyetik kuplajsız ve sadece anahtarlama cihazları ve pasif bileşenler içeren, izolesiz yapılar, kuplajlı manyetik tasarım ihtiyacını ortadan kaldırarak dönüştürücü tasarımını basitleştiren kullanışlı bir çözüm olabilir. Bununla birlikte, yüksek güç sistemlerinde yüksek gerilim kazancı gerekli ise, manyetik kuplaj kullanmak genellikle yararlıdır ve bunu yaparken hem etkinliğini hem de güvenilirliğini artırabilir.

İzoleli DA-DA dönüştürücüler, tek veya iki aşamalı yapılar olabilir ve kuplajlı bobin veya transformatör kullanılarak uygulanabilir. Tek aşamalı izoleli DA-DA genel blok diyagramı Şekil 2.2 (c)’de gösterilmektedir. Şekil 2.2 (d)’de genel blok diyagramı gösterildiği gibi, belirlenen gerilim seviyesini önceden düzenlemek için iki aşamalı izoleli bir DA-DA dönüştürücünün ilk katında bir yardımcı dönüştürücü kullanılabilir.

DA DA

+ +

-

Şasesiz çıkışlı izolesiz DA-DA dönüştürücü

Vin _Vout

Ortak şase izolesiz DA-DA dönüştürücü DA DA + -+ -Vin Vout a) b) DA DA + + - -Vin Vout

Tek aşamalı İzoleli DA-DA dönüştürücü - -+ + Vin Vout DA DA DA DA

İki aşamalı İzoleli çıkışlı DA-DA dönüştürücü

c) d)

Şekil 2.2. Farklı izolesiz ve izoleli DA-DA dönüştürücü yapıları a) ortak şase b) şasesiz çıkışlı izolesiz DA-DA dönüştürücüler c) tek aşamalı d) iki aşamalı izolesiz DA-DA

dönüştürücüler.

2.1.2. Tek Yönlü/Çift Yönlü Dönüştürücü

Temel DA-DA dönüştürücülerin çoğu, giriş kaynağının üretimde yalnızca yükü beslemesi veya tekrar üretimde enerjiyi soğurması gereken tek yönlü güç akışını sağlamak için kullanılır. Böyle bir dönüştürücünün genellikle güç MOSFET’leri ve diyotları gibi tek yönlü yarı iletkenler aracılığıyla uygulanan tipik bir düzeni Şekil 2.3 (a)’da gösterilmiştir. Burada geleneksel düşürücü ve yükseltici dönüştürücüleri de tek

yönlü DA-DA dönüştürücülerinin temel örnekleri olarak gösterilmektedir. Bu dönüştürücülerde, tek yönlü anahtarlar kullanıldığı için güç akışı tek yönlüdür yani akımın diyotlarda ters yönde gerçekleştirileceği bir yol yoktur. Buna karşılık, bir izolesiz DA-DA dönüştürücünün çift yönlü yapısı Şekil 2.3 (b)’de gösterilmektedir. Çift yönlü akım iki yönlü anahtarlarla tek yönlü yarı iletkenlerde kullanılan tek yönlü yarı iletkenlerinin değiştirilmesiyle gerçekleştirilebilir [14]. Tek yönlü güç akışı istendiğinde, tek yönlü dönüştürücülerin kullanımı, kontrol edilebilen düşük anahtar sayısı ve karşılık gelen basit kontrol nedeniyle tercih edilmektedir.

Bir tek yönlü DA-DA dönüştürücünün örneği ile birlikte bir izoleli tek yönlü dönüştürücünün bir genel blok diyagramı Şekil 2.3 (c)’de gösterilmektedir. Tam köprü DA-DA dönüştürücü özellikle endüstriyel uygulamalarda olduğu gibi yüksek güç seviyelerinde çalışırken bu ailenin popüler bir topolojisidir. Bu tip dönüştürücü, bir DA-AA aşaması, yüksek frekanslı bir izolasyon transformatörünü ve ardından bir doğrultucu aşamasını içerir.

Depolama sistemi ve çift yönlü enerji transfer kapasitesi özelliği ile uygulamalar için artan talep çift yönlü DA dönüştürücülerin kullanımını artıracaktır. Çift yönlü DA-DA dönüştürücüler kullanılarak enerji depolama ve çift yönlü aktarım sağlanabilir, biri girişten çıkışa güç aktarımı için ve diğeri de ters yönde güç aktarımı için uygulanmasıyla gerçekleştirilebilir; tek yönlü yarı iletken elemanların çift yönlü anahtarlarla değiştirilmesi iki yönlü bir topolojiye neden olacaktır.

Şekil 2.3 (d)’de bir çift yönlü DA-DA dönüştürücünün popüler bir örneği ile birlikte bir izoleli çift yönlü dönüştürücünün genel blok diyagramı gösterilmektedir. Bu dönüştürücü tek yönlü tam köprü DA dönüştürücü topolojisinden türetilen, çift yönlü izoleli DA-DA dönüştürücünün en umut verici türlerinden biridir. Çift aktif köprü dönüştürücüler yüksek-gerilim/güç seviyesi uygulamalarında kullanışlıdır [15], [16]. Çift aktif köprü topolojisinde, güç iletimi, izoleli transformatör bobininde iki AA gerilim dalgası arasındaki faz geçişi ayarlanarak kontrol edilir.

+ + - -DA DA Güç akışı A den B'ye DA bara A VL DA bara B VH L D1 Cin S _Cout Yük Vin Cin D1 Cout Yük L S Yükseltici dönüştürücü Düşürücü dönüştürücü Vin a) DA DA + + - -VH Güç akışı A den B'ye B den A'ya DA bara B VL L Cin S1 Cout _Yük S2 Vin

Çift yönlü Yükseltici dönüştürücü

b) 1:n Lk Co Yük Cin S2 S3 S1 S4 Vin D1 D3 D4 D2 1:n AA DA AA DA + + -Güç akışı A den B'ye VL DA bara A DA bara B VH Tam köprü DA-DA dönüştürücü c)

Şekil 2.3. Tek yönlü ve çift yönlü DA-DA dönüştürücüler a) izolesiz tek yönlü b) izolesiz çift yönlü DA dönüştürücüler c) izoleli tek yönlü d) izoleli çift yönlü

1:n Cin _Co Yük S6 S7 S5 S8 S2 S3 S1 S4 Vin

Çift aktif köprü DA-DA dönüştürücü 1:n AA DA AA DA + + -- VH Güç akışı A den B'ye B den A'ya DA bara A DA bara B VL Lk d)

Şekil 2.3. (devam). Tek yönlü ve çift yönlü DA-DA dönüştürücüler a) izolesiz tek yönlü b) izolesiz çift yönlü DA-DA dönüştürücüler c) izoleli tek yönlü d) izoleli çift

yönlü DA-DA dönüştürücüler.

2.1.3. Gerilim Beslemeli/Akım Beslemeli Dönüştürücü

Yükseltici DA-DA dönüştürücüler giriş devrelerine bağlı olarak, gerilim veya akım beslemeli dönüştürücüler olarak sınıflandırılabilir. Şekil 2.4 (a)’da her iki tipte DA-DA dönüştürücünün izoleli ve izolesiz formlardaki şemaları gösterilmektedir. Gerilim-beslemeli DA-DA dönüştürücüsü bir kondansatör giriş filtresine (𝐶_𝑖𝑛) sahiptir ve normalde giriş gerilimini daha düşük bir çıkış gerilimine dönüştürebilir (birden fazla katlar ihmal ederek manyetik kuplaj için dönüştürme oranını varsayar) [17]-[22] Şekil 2.4 (b)’de, yüksek güç uygulamaları için uygun çok bilinen gerilim beslemeli tam köprü dönüştürücü gösterilmektedir.

Gerilim beslemeli tam köprü dönüştürücü, çıkışında bir giriş kondansatörü ve bir düşük geçiş filtresi içerir. Gerilim beslemeli dönüştürücülerden farklı olarak, akım beslemeli DA-DA dönüştürücüler giriş devresinde bir giriş endüktörüne sahiptir ve normalde giriş gerilimini çıkış gerilimine daha yüksek dönüştürebilir [23], [26]-[30]. Bir giriş endüktör ve kapasitif çıkış filtresinden oluşan iyi bilinen akım beslemeli tam köprü dönüştürücüsü bir örneği Şekil 2.4 (c)’de gösterilmektedir. Bir gerilim kaynağı tam köprü dönüştürücüsünün her bacağındakı anahtarlama cihazlarının aynı anda iletime girme durumda olmalarına izin verilmediğinden, anahtarlama modellerinde her bir bacağın yüksek ve düşük anahtarların tarafı arasında bir ölü zaman içermelidir. Diğer taraftan, akım kaynağı tam köprü DA-DA dönüştürücü tüm bacaklarının anahtarlama cihazları olarak aynı anda kesim durumuna getirilmemelidir yüksek ve düşük anahtarların tarafı her zaman bir örtüşme içermesi gerekir.

Akım beslemeli DA-DA dönüştürücüler, FV ve FC gibi düşük gerilimli yenilenebilir enerji uygulamaları için çok popülerdir, çünkü giriş endüktörleri genellikle düşük dalgalanma ile sürekli giriş akımı sağlayabilir. Bu özellik, düşük gerilimli, yüksek akım kaynaklarında yüksek akımı dalgalanması negatif etkilerini azaltır. Akım beslemeli dönüştürücüler genellikle geniş bir aralıkta yumuşak anahtarlama yapabilir ve geniş giriş gerilimi değişkeni olan uygulamalarda geniş bir güç sınıfı aralığında yüksek verimlilik sağlarlar [30], [31]. 1:n Cin Giriş aşaması Anahtar + + + + -A A A A' Lin Vin Vin Vout Vout B' A' A' B' B'

Gerilim genişletme ve doğrultma

Doğrultucu modülü B' B B B a) 1 : n Yük S1 S4 S3 S2 Cf Lf Vin Doğrultucu Cin b) 1 : n Yük Lin Iin S1 S3 S4 S2 Cf Doğrultucu c)

Şekil 2.4. Gerilim ve akım beslemeli DA-DA dönüştürücü yapıları a) izoleli ve izolesiz formlarda ortak bir yapı b) gerilim beslemeli tam köprü DA-DA dönüştürücü c) akım

2.1.4. Sert Anahtarlamlı/Yumuşak Anahtarlamalı Dönüştürücüler

Sert anahtarlamalı dönüştürücülerin temel dezavantajı daha yüksek anahtarlama güç kaybıdır. Buna ek olarak, sert anahtarlamalı dönüştürücüleri anahtarın açıldığında ve kapatıldığında yüksek dv/dt ve di/dt sonucunda yüksek EMI’ya maruz kalabilir [32]. Çünkü anahtarlama frekansı arttıkça anahtarlama kayıpları artar, bu dönüştürücülerin maksimum anahtarlama frekansı genellikle bir sınırlamadır. Buna rağmen DA-DA dönüştürücülerde güç yoğunluğunun arttırılması, pasif manyetiği/elektrik alan depolama bileşenlerinin (L ve C) boyutuna azaltmak ve nihai minyatürleştirme hedeflerine ulaşmak için daha yüksek frekanslı eleman kullanılması gerektiği anlamına gelir.

Diğer taraftan, yumuşak anahtarlamalı dönüştürücüler ZVS veya ZCS elde etmek için bir rezonans devresi parçası olarak endüktans ve kapasitans kullanılırken yukarıdaki dezavantajları azaltabilir. Geçişler sırasındaki gerilim ve akım sıfır olduğundan DA-DA dönüştürücüler yüksek frekansta çalışabilir, bu da genellikle boyut ve ağırlığın azaltılmasını sağlar [33]-[42].

Yumuşak anahtarlamalı dönüştürücüler, rezonans devreleri ile yük rezonansı, aktif bastırma anahtar hücreleri ve yardımcı destekli devreleri olan izoleli yapılar olarak sınıflandırılabilir. Yük rezonanslı dönüştürücüler yüksek güç uygulamaları için uygundur, çünkü dönüştürücü veriminde bozulma olmaksızın yüksek frekanslı çalışmalarından dolayı dönüştürücünün boyutunda azalmaya izin verirler. DA-DA dönüştürücülerde kullanılabilen seri, paralel, seri-paralel, LCC, LLC, CLLC ve LCL rezonans devreleri Şekil 2.5 (a)’da gösterilmektedir [30], [43]. Bu dönüştürücülerin doğru çalışması, çalışma noktasına ve rezonans frekansına oldukça bağlıdır, geniş çalışma koşulları için uygun değildir. Bir başka yumuşak anahtarlama dönüştürücüsü grubu, anahtarlama iletim ve kesim durumunda kayıpları ortadan kaldırmak için çeşitli DA-DA dönüştürücülere uygulanabilen, yarı-rezonans içeren yumuşak anahtarı hücresini ve aktif bastırma ve ZVS/ZCS ve ZVT/ZCT anahtarlama hücreleri içerir [44]-[46]. Şekil 2.5 (b)’de DA-DA dönüştürücülerinde uygulanan bu anahtar hücre tiplerinin bazıları gösterilmektedir.

Bu yumuşak anahtarlama devrelerine ek olarak, bazı izolesiz ve izoleli DA-DA dönüştürücüler aynı zamanda rezonanslı bir çalışmayı elde etmek için manyetik kuplajın (kuplajlı bobin/transformatör) bir tarafı ile seri olarak küçük bir rezonans kondansatörünün uygulanmasından da yararlanır. Bu devreler genellikle çalışma

noktaları ve yük değişimleri boyunca sabit yumuşak anahtarlama özelliklerine sahiptir [25], [37], [39], [41]. A A A A A A A A' A' A' A' A' A' A' B _B B B B B B B' B' B' B' B' B' B' + + - -Vin Vout Anahtar devresi Rezonans hücre devresi Doğrultucu

Seri hücre Paralel hücre _{Seri-Paralel hücre}

LLC CLLC LCL Ls Cs Cp Cp Ls Ls Ls Ls Cs Cs Cs1 Cp Lp Lp Ls1 _Ls2 Cs2 a) Vin Co Yük Cr Lin Anahtar hücresi a A A A A A A' A A' _A A' A' A' A' B B B B B B' B B' B B' B' B' B' B' A'

ZVS/ZCS Yarı- Rezonans anahtar hücreleri

Aktif bastırma hücresi _{ZCT hücresi}

ZVT hücresi Lr Cr Cr S2 S1 S S Lr Lr Lr Lr Ls Cr Cs Cr a D D2 D1 D Da D1 D2 D3 Sa S S Sa _S D Sa b)

Şekil 2.5. Farklı yumuşak anahtarlama DA-DA dönüştürücüler a) genel rezonans depo hücreleri b) çeşitli yumuşak anahtarlama hücreleri.

2.1.5. En Küçük Fazlı/Karma Fazlı Dönüştürücüler

Sağ yarı düzlemli (Right-Half Plane, RHP) sıfırlara sahip sistemler, en küçük fazlı (Non-Minimum Phase, NMP) sistemler olarak adlandırılır. Bir aktarma fonksiyonu n(s)/d(s)’nin RHP sıfır, kökleri n(s) = 0’ın gerçek kısımlarla sıfırdan büyüktür. NMP sistemleri için kontrolörlerin tasarımı daha zordur çünkü bir geleneksel kontrolörde kazanç arttıkça kapalı devre kutupları sağ yarı düzleme çekecektir. Bu nedenle, yükseltici dönüştürücülerde sadece çıkış geriliminin kontrolörleri kullanılarak yüksek kazanç elde etmek kararsızlaştırmaya neden olabilir.

Yeni yükseltici dönüştürücüler [47]’de ek aktif anahtarlı olarak tanıtılmaktadır. Bu 3-durum yükseltici dönüştürücüleri, aktarma fonksiyonunun çıkışında kontrolde RHP sıfırı ortadan kaldırır ve hızlı tepki verme eyleminin gerekli olduğu uygulamalarda kullanılabilir. Şekil 2.6 )b)’de 3-durum yükseltici dönüştürücü yapısını gösterilmektedir. 3-durum yükseltici dönüştürücü üzerinde uygun bir kontrol tekniği uygulayarak, RHP sıfır istenilen çalışma noktasında tamamen ortadan kaldırılabilir [47].

D1

S _{Co Yük}

Vin

L

İKi aktif anahtar

D1 Co Yük Df L Sm Sf D1 Co _Yük L1 C L2 S m a n y e ti k ku pl aj lı b) c) a) Vin Vin

Şekil 2.6. Minimum faz yükseltici dönüştürücülerinin çeşitli türevleri a) MGN yükseltici dönüştürücü b( iki aktif anahtarlı farklı minimum fazlı yükseltici dönüştürücüler c) manyetik kuplaj kullanan farklı minimum fazlı yükselticiler. RHP sıfırı ortadan kaldırmak için başka bir yol yükseltici dönüştürücü devresinde manyetik kuplaj kullanmaktır. [48]’de önerilen kuplajlı bobin iki endüktörlü yükseltici dönüştürücü Şekil 2.6 )c)’de sunulmuştur. Uygun kuplajlı bobin tasarımı varsayılırsa, bu dönüştürücü RHP sıfırını ortadan kaldırabilir. Sıfır kuplajlı kritik olarak sönümlenen

dönüştürücüde, çıkış aktarma fonksiyonuna kontroldeki sıfır çifti sol yarı düzlemde (Left-Half Plane, LHP) bulunur; kuplajı arttırarak, bir sıfır LHP’de kalır ve diğeri RHP’ye geçer. Çıkış filtreleri ile yükseltici dönüştürücüler kullanılarak giriş endüktör ve çıkış filtresi endüktörü arasında manyetik kuplaj elde etmek mümkündür [49], [50].

Bu bölümde sonuç olarak, incelenen DA-DA dönüştürücü yapılarının ana özelliklerinin özeti Çizelge 2.1’de verilmiştir.

Çizelge 2.1. Farklı DA-DA dönüştürücü yapıların özeti.

DA-DA Dönüştürücü Türü Özellikler

İzolesiz • Genellikle düşük ağırlık ve üretim maliyeti olan basit yapılar. • Düşük ve orta güç seviyeleri için uygundur.

• Giriş ve çıkış arasında elektrik bağlantısı.

İzoleli • Düşük gürültü ve EMI sorunları.

• Yüksek güç seviyeleri için uygundur. • Çoğu şebeke standartlarını karşılar.

• Çoklu çıkışların kolay uygulanması pozitif ve/veya negatif gerilimlere sahip topolojiler.

• Yüksek gerilim kazanımı için hassas kuplajlı manyetik tasarım gerekir.

Tek yönlü • Güç akışı tek yönlü.

• Modülasyon ve kontrol basittir.

• Çift yönlü ile karşılaştırıldığında daha az karmaşık ve maliyet.

Çift yönlü • Güç akışı düz ve ters yönlü.

• Yenilikçi uygulamalar için uygundur.

• Talep kompleksi FET sürücüsü ve kontrol üniteleri. Gerilim beslemeli • Büyük giriş akımı dalgalanması (genellikle kesintili).

• Doğal düşürücü özellikleri. • Hızlı dinamik yanıt.

Akım beslemeli • Küçük dalgalanma ile sürekli giriş akımı. • Doğal yükseltici özellikleri.

• Giriş endüktörü ve RHP sıfır nedeniyle yavaş dinamik. Sert anahtarlamalı • Anahtarlama kaybı büyüktür.

• Anahtarlama geçişlerinde yüksek dv/dt ve di/dt nedeniyle yüksek EMI. • Sınırlı anahtarlama frekansı.

• Güç yoğunluğu düşüktür. • Genellikle verim düşüktür.

Yumuşak anahtarlamalı • Anahtarlama kayıp sıfır yakındır (ZVS ve ZCS). • Analiz kısmı karmaşık.

• Yüksek anahtarlama frekansı. • Güç yoğunluğu geliştirilmiştir. • Yüksek verimlilik.

En küçük fazlı • Dinamik cevap yavaştır. • Küçük kararlılık sınırları.

• Çoğunlukla kontrol tasarımı zorludur.

Karma fazlı • Dinamik yanıt hızlıdır.

• Büyük kararlılık sınırları. • Kontrol tasarımı kolaydır.

2.2. GERİLİM YÜKSELTME TEKNİKLERİ

Yükseltici DA-DA dönüştürücülerinde çeşitli gerilim yükseltme teknikleri uygulanmaktadır. Bu tezde gerilim yükseltme tekniklerinin geniş bir kategorisi Şekil 2.7’de gösterilmektedir [4]. Beş ana alt bölüme ayrılmış olup bunlar: manyetik kuplaj, anahtarlamalı kondansatör, gerilim çoklayıcı, anahtarlamalı endüktör ve gerilim yükseltme ve çok seviyeli olan dönüştürücülerdir.

Gerilim Yükseltme Teknikleri Çok seviyeli Kaskad(çoklu DA kaynağı) Çok seviyeli Modüler (tek DA kaynağı) Hibrit Kuadratik Manyetik kuplaj tabanlı Prizli endüktör / autotransformer Yerleşik Izoleli Anahtarlamalı endüktör ve gerilim yükseltme Gerilim çoklayıcı Anahtarlamalı kondansatör Manyetik kuplaj Sarmaşık Kaskad Gerilim çoklayıcı hücresi Gerilim çoklayıcı doğrultucu Kuplajlı bobin Trafo Tam dalga Yarım dalga

Şekil 2.7. DA-DA dönüştürücüler için kullanılan gerilim yükseltme teknikleri. Şekil 2.8’deki örümcek dalga diyagramı ile birlikte, çeşitli gerilim yükseltme tekniklerinin ana özellikleri (güç seviyesi, maliyet, güvenilirlik, verimlilik, güç yoğunluğu, ağırlık, entegrasyon ve karmaşıklık) açısından karşılaştırmalı bir özet verilmektedir. Maliyet Güç seviyesi Güvenilirlik Verimlilik Güç yoğunluğu Ağırlık Karmaşıklık Çok seviyeli Entegrasyon

Anahtarlamalı endüktör/gerilim yükseltme Gerilim çoklayıcı

Anahtarlamalı kondansatör

Kondansatör

Kondansatör

Çizelge 2.2’de gerilim yükseltme teknikleri özet olarak açıklanmıştır.

Çizelge 2.2. DA-DA dönüştürücülerde yükseltme tekniklerinin ve uygulamalarının özeti.

GerilimYükseltme

Tekniği Avantajları Dezavantajları

Uygun Uygulamalar

Manyetik kuplaj • Yüksek tasarım özgürlüğü.

• Manyetik kuplajın ayarlanabilir dönüş oranı nedeniyle çok amaçlı yükseltme yeteneği.

• Anahtar, iletim kaybını azaltmak için düşük gerilim tarafında uygulanabilir.

• Yumuşak

anahtarlamalı tipinde yüksek verim.

• Yüksek gerilim sıçraması gibi kaçak endüktansın olumsuz etkileri. • Hassas bir şekilde kuplajlı manyetik bir tasarıma ihtiyaç vardır. • Nispeten büyük. • Yüksek güç/gerilim DA kaynağı. • Yüksek gerilim uygulamaları (askeri, fizik).

• Kapasitif darbeli yükler için CCPS. • DA mikrogruplar. • Telekomünikasyon ve veri merkezleri. • Çift yönlü (FC, FV, UPS, HEV). • Rejeneratif (asansör, tramvay/troleybüs). • Havacılık ve uzay. Anahtarlamalı kondansatör • Ucuz ve hafif devreler. • Küçük boyut ve yüksek güç yoğunluğu. • Entegre edilmesi kolay. • Hızlı dinamik yanıt.

• Başlangıçta ani akım. • Kondansatörlerin ESR’sine duyarlıdır. • Çıkış gerilim regülasyonu eksikliği. • Sadece ayrı çıkış gerilimi. • Enerji depolama. • Mobil ekranlar (AMOLED). • Otomotiv ve taşıt uygulamaları.

• Yüksek kazançlı DA-DA uygulamaları. Gerilim çoklayıcı • Basit topoloji ile çok

yüksek gerilim yeteneği.

• Hücre bazlı yapı. • Çeşitli yapılara entegre edilebilir.

• Bileşenler üzerinde yüksek gerilim stresi. • Çok yüksek gerilim uygulamaları için yüksek derecelendirmeli birkaç hücreye ihtiyacınız var.

• Tıbbi (X-ışını, lazer). • Askeri (yüksek güçlü lazer). • Fizik (plazma araştırması, parçacık hızlandırıcı. Anahtarlamalı endüktör ve gerilim yükseltme • Yüksek yükseltme yeteneği. • Birçok dönüştürücüde kullanılabilir.

• Daha pasif bileşenlere ihtiyacınız var.

• Yüksek güç uygulamaları için uygun değildir.

• Orta dereceli DA-DA dönüştürücüler. • Yüksek kazançlı DA-DA uygulamaları. Çok seviyeli • Modülerlik yapısı.

• Yüksek güç yeteneklilik.

• Güvenilir ve verimli. • Yüksek gerilim /akım seviyesi.

• Büyük miktarda bileşen. • Nispeten ağır, büyük ve pahalı.

• Verimlilik aşamaları/ seviye sayısı ile bozulur.

• HVDC iletim. • Yenilenebilir enerji sistemleri ve dağıtılmış güç üretimi (örn., FV, FC). • DA mikrogruplar. • Yüksek güçlü DA kaynağı.

• EV, HEV ve FC-EV • Uzay teknolojisi ve uygulamaları.

Her bir gerilim yükseltme tekniğinin kendine özgü özellikleri, uygun uygulamaları vardır ve tek bir uygun çözüm yoktur. Bununla birlikte, belirli bir tekniği veya çözümü kalıcı olarak desteklemek genellikle uygun olmamaktadır. Geçtiğimiz on yılda karmaşık ve verimsiz olarak görülen dönüştürücü topolojisi ve kontrol yöntemi, artık birçok endüstri ve uygulama için önemli bir çözüm haline gelmiştir.

2.3. YÜKSELTİCİ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ UYGULAMALARI

Yükseltici DA-DA dönüştürücüler miliwatt’lık ölçeğinden yüksek gerilimli DA iletim sistemlerine kadar geniş güç dönüştürme uygulamaları için kullanılmıştır. Son zamanlarda, enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji gelişimi konusundaki önem nedeniyle hem akademi hem de endüstride alanında yükseltici dönüştürücüler üzerinde yapılan araştırmalar yoğunlaşmıştır. Bazı önemli uygulamalar: enerji hasadı, tıbbi yerleştirilebilir cihazlar, taşınabilir cihazlar, araçlar ve cihazlar, aydınlatma teknolojisi, uzay ve havacılık, ulaşım teknolojisi (otomotiv ve demiryolu), iletişim, veri merkezi, sanayi, yenilenebilir enerji ve DA mikro şebekelerde, DÜ, yüksek gerilim teknolojisi (fizik araştırması, tıbbi ve askeri), yüksek gerilim/güç DA-DA dönüştürücüler ve yardımcı şebeke uygulamalarında yüksek gerilim doğrudan akım (High Voltage Direct Current, HVDC) sistemleridir. [23], [51]-[65].

Ultra düşük güç uygulamalarında, geleneksel yükseltici DA-DA dönüştürücüler, mikro enerji hasat kaynaklarının düşük gerilimli ve/veya düşük akımlarla güneş enerjisini, mikrobiyal yakıt hücresi, ısıl, elektriksel, hareket ve titreşim ve piezoelektrik enerji kullanarak düşük gerilim seviyesini yükseltmek için kullanılmaktadır. Genellikle, DGM yükseltici DA-DA dönüştürücüler veya diğer basit yükseltici DA-DA dönüştürücüler, basitliklerinden, küçük boyutlarından ve düşük ağırlıklarından dolayı bu tür uygulamalarda kullanılır. Yükseltici DA-DA dönüştürücüler, taşınabilir elektronik cihazlarda popülerdir, batarya depolama sistemleri veya FV ve FC gibi bağımsız yenilenebilir kaynaklar elektronik cihazlar için DA bara sağlamak için giriş kaynakları olarak kullanılırlar [66].

Kablosuz güç aktarımı teknolojisinin ortaya çıkmasıyla, çeşitli düşük güçte elektronik cihaz uygulamaları (cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar, el aletleri vb.) [67] ve tıbbi yerleştirilebilir cihazlar [68] için beklenen uygulama alanı geliştirilmektedir. Bu tür uygulamalarda DA-DA dönüştürücüler DA yüklerini beslemek için bir kablosuz güç

aktarım (Wireless Power Transfer, WPT) sistemini yapılandırabilir (batarya, ultra kondansatörü vb.) veya belli DA yük gereksinimlerini karşılamak ve alıcı tarafındaki gerilim yükseltmek için ayrı ayrı kullanılabilir.

Aydınlatma, güç kaynakları ve sürücü devreleri ile yüksek verimli DA-DA dönüştürücüleri gerektiren bir başka önemli sektördür [69]. Işık yayan diyot (Light Emitting Diode, LED) diyotların gelişimi, yeni bir aydınlatma dönemi açmıştır. Geleneksel aydınlatma sistemlerine kıyasla, LED sistemleri daha uzun ömürlü, daha küçük boyutlu, daha düşük enerji tüketimi ve daha iyi dayanıklılığa sahiptir, hepsi daha iyi aydınlatmaya neden olur. Yükseltici DA-DA dönüştürücüler kısılabilir LED güç kaynaklarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bağımsız sokak aydınlatma sistemleri, batarya depolama sistemlerinde DA-DA dönüşümünün kullanıldığı başka bir LED teknolojisidir [70]. Görüntü panoları, yükseltici DA-DA dönüştürücülerinin plazmalı görüntü panoları için bir güç kaynağı sürücüsü olarak veya sıvı kristal ekranlar (Liquid Crystal Displays, LCD) için arka ışık güç olarak kullanıldığı aydınlatma ile ilgili başka bir teknolojidir [60].

Otomotiv taşımacılık sektöründe, çeşitli DA-DA dönüştürücü tipleri elektrikli taşıtlar (Electric Vehicles, EV), yakıt hücresi elektrikli taşıtlar (Fuel Cell Electric Vehicle, FC-EV) ve hibrit elektrikli taşıtlardaki (Hybrid Electric Vehicle, HFC-EV) elektrifikasyon sistemlerinde kullanılmıştır. Güç akış yönüne bağlı olarak, bu dönüştürücüler tek yönlü veya çift yönlü olarak sınıflandırılabilir [71]. Tek yönlü DA-DA dönüştürücüler, algılayıcılar, şebeke ve güvenlik ekipmanları gibi yerleşik uygulamalar için gereklidir. Çift yönlü DA-DA dönüştürücüler, rejeneratif frenleme ve yedek güçte batarya şarjı için gereklidir. Kesintisiz güç kaynağı (Uninterruptible Power Supply, UPS) çift yönlü DA-DA dönüşümünün istendiği entegre batarya depolama sistemlerinde kullanılmak üzere bir başka DA-DA dönüştürücü uygulamasıdır [72].

Yüksek güçte demiryolu taşımacılık sistemlerinde, bir çekiş motorunun frenleme modunda rejeneratif enerjisinin geri kazanımı, çift yönlü bir DA-DA dönüştürücünün kullanılmasını gerektiren kritik bir işlemdir [73]. Ayrıca, akü depolama sistemli trenler, birbiriyle bağlantılı birleşik işletim modunda DA gerilimini belirli bir aralıkta (500-600 V) korumak için çift yönlü DA-DA dönüştürücüler kullanmalı ve izoleli çalışma modunda DA (1–2 kV) gerilim hattını besleyebilmelidir [23]. Benzer şekilde, bir asansörün veya yürüyen merdiven sisteminin elektrikli motorundan aşağıya doğru hareket eden rejeneratif enerjinin geri kazanımı, çift yönlü DA-DA dönüştürücülerin

doğru şekilde kullanılmasına dayanır [74]. Demiryolu sistemlerinde tek yönlü DA-DA dönüşümü örnekleri arasında DA bara gerilimini (~700–800 V) düzenlemek için yükseltici dönüştürücü kullanan FC akülü hibrit tramvay bulunmaktadır [75]. Üstelik, yükseltici DA-DA dönüştürücüler, troleybüs uygulamalarında DA ayarlanabilir hız sürücülerinin ihtiyaç duyduğu uygun DA çıkış gerilimini sağlayabilirler.

Bilgi ve iletişim teknolojileri (Information and CommunicationTechnology, ICT) ekipmanlarını kullanımının artması, farklı standartların getirilmesine sonuçlanmaktadır. Son on yılda, 380 V DA dağıtım sistemleri geleneksel 48 V DA dağıtım sistemlerini desteklemeye başlamıştır. Sonuç olarak, ağ sunucusunda ve veri merkezi uygulamalarında yükseltici DA-DA dönüştürücüleri için artan talep vardır [56].

Daha yüksek çıkış gerilimli DA-DA dönüştürücüler tıp, askeri ve fizik deneyi gibi birçok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. X-ışını güç üreteci ve yüksek gerilimli CO2 lazer uygulamalarında, anahtarlamalı kondansatör gerilim çarpanları (Cockcroft-Walton çarpanı) tipik olarak X-ışını/lazer boşaltım tüplerinde yüksek gerilim seviyelerini elde etmek için kullanılmaktadır. Yüksek gerilim darbelerinin gerektiği darbeli lazerler ve radar sistemleri gibi darbeli güç uygulamalarında, kondansatör şarj güç kaynağı (Capacitor Charging Power Supply, CCPS) kullanımı potansiyel bir çözümdür. Bu uygulamada, bir kapasitif yükü (kV seviyelerinde) şarj etmek için yüksek gerilimli bir DA-DA dönüştürücü kullanılır [76]. Plazma araştırması, büyük kapasitif yükleri belirli yüksek gerilim seviyelerine şarj etmek için yüksek gerilimli DA güç kaynakları gerektiren bir başka teknolojidir.

Robotik ve motor sürücü teknolojileri, çeşitli sanayilerin üretim hatlarında ana akımın bir parçası haline gelmiştir. DA motor hızını kontrol etmek veya DA baraların gerilim gereksinimlerini sağlamak için fabrika üretim hatlarında yükseltici DA-DA dönüştürücüler kullanılmaktadır. Son yıllarda, yüksek güç elektroniği teknolojisindeki gelişmeler, yenilenebilir enerji, askeri ve endüstriyel uygulamalar da dahil olmak üzere geniş bir uygulama yelpazesinde kW seviyeleri ile yüksek güçlü DA-DA dönüştürücülerin kullanılmasına yol açmıştır [77].

AA güç sistemlerini başlangıcından itibaren, güç faktörü düzeltme (Power Factor Correction, PFC) gereksinimleri her zaman DA-DA dönüştürücülerinin kullanılmasına yol açmıştır [61]. AA iletimin gelişinden önce, güç hatları sadece DA iletimi kullanılmıştır, ancak 100 yıldan daha uzun bir süre önce mevcut olan gerilim

seviyelerindeki kayıpların artması, DA gerilimin uzun mesafeli iletim için uygun olmadığı anlamına gelmiştir. Gerilim kaynağı dönüştürücü yüksek gerilim DA (Voltage Source Converter High Voltage,VSC-HVDC), uzun veya kısa iletim hatlarında uygulanabilen yüksek güçlü DA-DA dönüştürücüler ve modern HVDC kabloların kullanımına dayalı bir elektrik güç iletim teknolojisidir [78].

3. FOTOVOLTAİK SİSTEM

3.1. FOTOVOLTAİK HÜCRE MODELİ

Şekil 3.1’de bu geleneksel eşdeğer devresi gösterilmiştir. Temel güneş hücresi genellikle bir p-n ekleminde diyotu ile akım kaynağına paralel olarak bağlı temsil edilir ve Denklem (3.1) ile Denklem (3.5)’deki gibi modellenmiştir [81].

Dj

R

o

R

o

R

R

_V

I

I

G

I

Şekil 3.1. Bir fotovoltaik güneş hücresinin elektrik eşdeğer devresi [79].

Devredeki akım kaynağı güneş ışığı ve diyot tarafından üretilen foto akımı, hücrenin akım-gerilim karakteristiğini modellemektedir. Akım-gerilim karakteristik fonksiyonu devresine Kirşof akım kanunu uygulanarak elde edilebilir. Kirşof akım kanununa göre,

𝐷_𝑗 ideal p-n diyotu temsil eder, diyot iç difüzyon akımı, 𝑅_𝑆ℎ ve 𝑅_𝑆 paralel ve seri direnç ve 𝐼_𝑃ℎ foton akımınıveya ışık kaynaklı akım olarak ifade edildi ve radyasyon ve yüzey sıcaklığı ile orantılıdır. Güneş hücresinin çıkış akımı ve gerilimi 𝐼𝑃𝑉 ve 𝑉𝑃𝑉, sırasıyla ile

temsil eder. Diyot iç difüzyon akımı Denklem (3.2) ile tanımlanır.

q elektronun yüküdür (1,61× 10−19 C), A diyot idealite faktörüdür, K Boltzmann sabitidir (1,38 × 10−23 J/K) ve 𝑇𝐶 Kelvin (K)’de hücrenin çalışma sıcaklığıdır. Hücre

doyma akımı (𝐼_𝑆) Denklem (3.3)’e göre sıcaklığa değişir.

𝐼𝑃𝑉 = 𝐼𝑃ℎ − 𝐼𝐷 (3.1) 𝐼_𝐷 = 𝐼_𝑆. [𝑒𝑥𝑝 (𝑞.𝑉𝑃𝑉 𝐴.𝐾.𝑇𝐶) − 1] (3.2) 𝐼𝑆 = 𝐼𝑅𝑆 . ( 𝑇𝐶 𝑇𝑅𝑒𝑓) 3 . 𝑒𝑥𝑝 [𝑞.𝐸𝑔𝑎𝑝 𝐴.𝐾 ( 1 𝑇𝑅𝑒𝑓− 1 𝑇𝐶)] (3.3)

𝑇_𝑅𝑒𝑓 Hücre referans sıcaklığıdır Kelvin (K), 𝐼_𝑅𝑆 hücre ters doyma akımı ampercinsinden (A), referans sıcaklıkta (𝑇_𝑅𝑒𝑓) ve güneş radyasyonu (G).𝐸_𝑔𝑎𝑝 Hücrede kullanılan yarı iletkenin bant-boşluk enerjisidir. Foton akımını (𝐼_𝑃ℎ) çoğunlukla hücrenin çalışma sıcaklığına ve Denklemin (3.4) güneş yoğunluğuna bağlıdır.

𝐼_𝑃ℎ = [𝐼_𝑆𝐶+ 𝐾₁. (𝑇_𝐶− 𝑇_𝑅𝑒𝑓)]. 𝐺

1000 (3.4)

Burda, 𝐼_𝑆𝐶, kısa devre akımı referans sıcaklığında 25ºCve 1 kW/m2 güneş radyasyonu olduğu durumda, 𝐾1, hücrenin kısa devresinin sıcaklık katsayısıdır ve G, kW/m2

cinsinden güneş ışınımıdır [80].En pratik uygulamalar için güneş hücreleri yeterli güç gerilimi ve akımı üretmek için seri ve paralel olarak bağlanır.

Bu tez çalışmasında kullanılan FV panel Perlight Solar PLM-250M-60 standart test koşulları elektriksel özellikleri (ışınlama 1000W/m² ve sıcaklık 25ºC) Çizelge 3.1’de gösterilmektedir. Farklı sıcaklık ve güneş ışınımı açısından FV panelinin I-V eğrisi Şekil 3.2’de gösterilmektedir.

Çizelge 3. 1. Perlight FV panel elektriksel özellikleri PLM-250M-60.

Gerilim (V) A k ım ( A ) Gerilim (V) Ak ım ( A )

Şekil 3.2. Perlight FV panelin standart test koşullarında I-V eğrileri. 𝐼_𝑃𝑉 = 𝐼_𝑃ℎ− 𝐼_𝑆. [𝑒𝑥𝑝 (𝑞.(𝑉𝑃𝑉+𝐼𝑃𝑉.𝑅𝑆) 𝐴.𝐾.𝑇𝐶 ) − 1] (3.5) Parametre Değeri Fv Modeli PLM-250M-60 Maksimum güç 𝑃𝑚𝑎𝑥 250 W Hücre sayısı 𝑁𝑠 60 Maksimum güç akımı 𝐼𝑝𝑚 8,20 A

Kısa devre akımı 𝐼𝑠𝑐 8,78 A

Maksimum güç gerilimi 𝑉𝑝𝑚 30,50 V

3.2. FOTOVOLTAİK SİSTEM İÇİN MAKSİMUM GÜÇ NOKTASI İZLEYİCİ

Fotovoltaik modüller, gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine çevirebilen yarı iletkenlerdir. Şekil 3.3’te iki farklı bölgeleri (akım kaynağı ve gerilim kaynağı) gösterilmektedir. MGN adı verilen bir nokta, eğrinin dizinde daima gerçekleşir ve üretilen FV gücünün maksimize edildiği yerdir. Çoğu uygulamada, enerji akışını fotovoltaik cihazdan yüke kadar optimize etmek istenmektedir. Bu koşul gerektiğinde, sistemin operasyon noktasının MGN’de oluşturulması gerekir. Bununla birlikte, maksimum güç noktası güneş ışınımına (S) ve sıcaklığa (T) bağlı olduğundan ve bu çevresel koşullar rastgele değiştiğinden, MGN konumu sürekli olarak değişmektedir. Maksimum güç noktasında ya da yakın bir noktada çalışma noktasının daima sağlanması için, MGNİ olarak adlandırılan özel devreler kullanılır. Tipik olarak, MGNİ, FV paneli ile yük arasında, bir DA-DA dönüştürücüsü bağlanmasıyla elde edilir, böylece gerilim ve/veya akım ölçümlerinden, MGNİ algoritması güç akışını en üst düzeye arttırmak için en uygun görev devresi (D) hesaplar.

V

MGN(Vmp,Imp)

(0,Isc)

(Voc,0)

I

Şekil 3.3. Bir fotovoltaik hücrenin I-V eğrisi. Burada (0, 𝐼_𝑆𝐶) kısa devre noktası, (𝑉𝑚𝑝, 𝐼𝑚𝑝) maksimum güç noktası ve (𝑉𝑜𝑐, 0).

Şekil 3.4’te gerilim ve akım sensörleri kullanarak MGNİ sisteminin uygulanması gösterilmektedir. Ayrıca, radyasyon ve sıcaklık dinamik değişkenler olduğu için, MGNİ algoritması gerçek zamanda pratik olarak çalışmalıdır [81]. D’yi sürekli olarak güncellemelidir. Bu izlemenin doğruluğunu ve hızını koruyacaktır.

DA- DA dönüştürücü Yük

I

V

+

-

+

-

V

I

I

V

Şekil 3.4. Gerilim ve akım sensörleri kullanarak MGNİ sisteminin uygulanması.

3.3. GELENKSEL DEĞİŞTİR/GÖZLE ALGORİTMASI

Değiştir/gözle (Perturb and Observe, P&O) algoritması, basit yapısı ve uygulama kolaylığı nedeniyle tüm teknikler içerisinde en sık kullanılan MGNİ algoritması olarak kabul edilir [79]. P&O algoritmasının akış şeması Şekil 3.5’te gösterilmektedir.

Azaltma vref Artırma vref V(n),I(n) E H E E E H H P(n)-P(n-1) =0 P(n)-P(n-1)>0 V(n)-V(n-1)>0 V(n)-V(n-1)>0

Azaltma vref Artırma vref

Dönüş

Şekil 3.5. P&O algoritmasının akış şeması.

Bu algoritmada güç gerilim eğrisi üzerinde dP/dV eğrinin üstünde sıfıra gider. P&O algoritması FV dizisi terminal gerilimini veya akımını periyodik olarak değiştirerek (artan

veya azalan) ve FV dizisi P’nin (n + 1) karşılık gelen çıkış gücünü önceki değişim P(n)’dekiyle karşılaştırarak çalışır. Eğer terminal gerilimindeki değişim güçte bir artışa yol açarsa (dP/dV> 0), değişim aynı yönde tutulmalıdır aksi takdirde değişim ters yöne hareket ettirilir. Maksimum güç dP/dV = 0 noktasına ulaşana kadar değişim periyodu tekrarlanır.

4. YÜKSEK GERİLİM KAZANÇLI DÖNÜŞTÜRÜÇÜLER

4.1. KUPLAJLI BOBİN TABANLI YÜSEK GERİLİM KAZANÇLI

DÖNÜŞTÜRÜCÜLER

4.1.1. Pasif Kenetleme-Modu Kuplajlı Bobin Düşürücü-Yükseltici Dönüştürücüsü

Pasif kenetleme modu kuplajlı bobin düşürücü-yükseltici dönüştürücü Şekil 4.1’de gösterilmiştir.

L

D

C

N

V

N

C

C

S

L

Do

Şekil 4.1. Pasif kenetleme-modu kuplajlı bobin düşürücü-yükseltici dönüştürücünün analiz modeli [7].

Dönüştürücüyü analiz etmek için, kuplajlı bobin 𝑁_𝑠: 𝑁_𝑝 dönüş oranı bir mıknatıslama endüktörü 𝐿𝑚 ve bir kaçak endüktansı 𝐿𝑘 olan ideal bir transformatör olarak

modellenmiştir. Şekil 4.2’de çalışma modlarının anahtar dalga biçimlerini gösterilmektedir. Şekil 4.3’te pasif kenetleme modu kuplajlı bobin düşürücü-yükseltici dönüştürücü için bir anahtarlama periyodunda altı topolojik aşaması gösterilmektedir. Altı çalışma modu aşağıda kısaca açıklanmıştır.

Mod 1 [𝑡₀ − 𝑡₁]: S anahtarı iletimde ve 𝐷_𝑜 çıkışlı doğrultucu ters kutuplamalı. Hem mıknatıslama endüktansı hem de kaçak endüktansı, giriş gerilim kaynağı 𝑉_𝑖𝑛 tarafından doğrusal olarak şarj edilir.

Mod 2 [𝑡₁− 𝑡₂]: S anahtarı zamanında 𝑡₁’de kesimde. Anahtarın kaçak kapasitesi yaklaşık olarak doğrusal bir şekilde mıknatıslanma akımı ile şarj edilir.