YÜKSEK GERİLİM KAZANÇLI KUPLAJLI ENDÜKTÖR KULLANAN Z-GİRİŞLİ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ TOPOLOJİLERİ. Fatih EVRAN DOKTORA TEZİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ

(1)

YÜKSEK GERİLİM KAZANÇLI KUPLAJLI ENDÜKTÖR KULLANAN Z-GİRİŞLİ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ TOPOLOJİLERİ

Fatih EVRAN

DOKTORA TEZİ

ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

TEMMUZ 2012 ANKARA

(2)

TOPOLOJİLERİ adlı bu tezin Doktora Tezi olarak uygun olduğunu onaylarım.

Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR ………

Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı

Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında Doktora tezi olarak kabul edilmiştir.

Prof. Dr. Işık ÇADIRCI …….……….

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, H.Ü.

Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR ………

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü.

Prof. Dr. M. Sezai DİNÇER ………

Doç. Dr. İres İSKENDER ………

Y.Doç. Dr. Yakup ÖZKAZANÇ ………

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, H.Ü.

Tarih: 30/07/2012

Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Doktora derecesini onamıştır.

Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU …….……….

Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

(3)

TEZ BİLDİRİMİ

Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.

Fatih EVRAN

(4)

YÜKSEK GERİLİM KAZANÇLI KUPLAJLI ENDÜKTÖR KULLANAN Z- GİRİŞLİ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ TOPOLOJİLERİ

(Doktora Tezi)

Fatih EVRAN

GAZİ ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Temmuz 2012

ÖZET

Yüksek gerilim kazançlı DA-DA dönüştürücüler kesintisiz güç kaynakları, güneş enerjisi sistemleri ve yakıt pilinden beslenen sistemler gibi birçok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Teoride, geleneksel yükselten tür DA-DA dönüştürücüler yüksek anahtar doluluk oranlarında yüksek kazançlar elde edebilmektedir. Uygulamada ise, bu dönüştürücülerin yüksek anahtar doluluk oranlarında gerilim kazancı endüktans, kondansatör, anahtar ve doğrultucu diyot üzerinde meydana gelen kayıplar yüzünden sınırlanmaktadır.

Bu tez kapsamında kuplajlı endüktörler kullanan z-girişli DA-DA topolojileri önerilmektedir. Önerilen topolojiler düşük anahtar doluluk oranlarında ve düşük gerilimlerde anahtarlama yaparken kuplajlı endüktanslar sayesinde yüksek gerilim kazançları elde edebilmektedir. Kaçak endüktanslar anahtar ve diyotlar üzerinde herhangi bir strese yol açmazken DA-DA dönüştürücüsünün giriş ile çıkışı arasında yalıtım sağlanmaktadır. Benzetim ve deneysel çalışmalarında 25V giriş geriliminden 300 W çıkış gücünde 400 V çıkış gerilimi

%90’ın üzerinde verimle elde edilmiştir.

Bilim Kodu : 905.1.033

Anahtar Kelimeler : z-giriş, da/da dönüştürücü, yenilenebilir enerji, AA modül Sayfa Adedi : 104

Tez Yöneticisi : Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR

(5)

v

HIGH VOLTAGE STEP-UP RATIO, Z-SOURCE BASED COUPLED INDUCTOR DC-DC CONVERTER TOPOLGIES

(Ph.D. Thesis)

Fatih EVRAN

GAZİ UNIVERSITY

INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY July 2012

ABSTRACT

DC–DC converters with high step-up voltage gain are widely used in many applications such as uninterrupted power supplies, photovoltaic systems and fuel cell systems. Theoretically, conventional boost converters can obtain high step-up voltage gain at high duty cycles. In practice, the voltage gain of boost converters is limited due to losses on inductor, capacitor, power switch and rectifier diode at high duty cycles. In this dissertation, z-source based, coupled inductor, high step-up ratio dc-dc converter topologies are proposed.

The proposed topologies achieve these high voltage gains while switching at low voltages with low duty cycles. While the leakage inductances do not cause any extra voltage stress on the switch and diodes, galvanic isolation is obtained between the input and output. Simulation and experimental results are given for a prototype converter that converts 25 V dc to 400 V dc at 300 W with over 90% efficiency.

Science Code : 905.1.033

Key Words : z-source, dc-dc converter, renewable energy, AC modul Page Number : 104

Adviser : Assoc. Prof. Dr. M. Timur AYDEMİR

(6)

TEŞEKKÜR

Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Doç.

Dr. M. Timur AYDEMİR’e, manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan sevgili aileme teşekkürü bir borç bilirim. Ayrıca, bu tezde yapılan çalışmalar 111E276 kodlu “Güneş Enerjisi Sistemleri için Kuplajlı Endüktörler Kullanan Yüksek Kazançlı z-girişli DA-DA ve DA-AA Dönüştürücü Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi” projesi kapsamında yürütülmüştür. Projeyi destekleyen TÜBİTAK’a bu destekten dolayı teşekkür ederim.

(7)

vii

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET ... iv

ABSTRACT ... v

TEŞEKKÜR ... vi

İÇİNDEKİLER ... vii

ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... ix

ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... x

RESİMLERİN LİSTESİ ... xvi

SİMGELER VE KISALTMALAR ... xvii

1. GİRİŞ ... 1

2. ŞEBEKE DESTEKLİ SİSTEMLERDE KULLANILAN DÖNÜŞTÜRÜCÜ YAPILARININ İNCELENMESİ ... 6

2.1. Merkezi Evirici... 7

2.2. Dizi Evirici ... 8

2.3. Çoklu Dizi Evirici ... 9

2.4. Modül Tümleşik Evirici ... 10

2.4.1. Modül tümleşik eviricilerin sınıflandırılması... 10

3. Z-GİRİŞLİ KUPLAJLI YÜKSEK KAZANÇLI DA-DA TOPOLOJİLERİ ... 14

3.1. Bir Çift Kuplajlı Endüktör İçeren Z-Girişli Yüksek Kazançlı DA-DA Dönüştürücü... 24

3.1.1. Çalışma analizi ... 26

3.1.2. Analitik inceleme ... 31

(8)

Sayfa

3.1.3. Performans karşılaştırması ... 35

3.1.4. Devre tasarımı ... 38

3.2. İki Çift Kuplajlı Endüktör İçeren Z-Girişli Yüksek Kazançlı DA-DA Dönüştürücü ... 44

3.2.1. Sürekli iletim durumunda çalışma analizi ... 46

3.2.2. Kesikli iletim durumunda çalışma analizi ... 50

3.2.3. Sürekli iletim durumunda analitik inceleme ... 56

3.2.4. Kesikli iletim durumunda analitik inceleme ... 58

3.2.5. Devre tasarımı ... 60

3.3. Kuplaj Katsayısının Ölçümü ... 65

4. BENZETİM ÇALIŞMALARI ... 70

5. DENEYSEL SONUÇLAR ... 82

6. SONUÇ VE ÖNERİLER ... 96

KAYNAKLAR ... 100

ÖZGEÇMİŞ ... 104

(9)

ix

ÇİZELGELERİN LİSTESİ

Çizelge Sayfa Çizelge 3.1. Tek güç anahtarlı DA-DA dönüştürücüler arasında karşılaştırma ... 26

Çizelge 4.1. Benzetimde kullanılan parametreler ... 70 Çizelge 5.1. Deneysel çalışmalarda kullanılan parametreler ... 83

(10)

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa

Şekil 2.1. Merkezi evirici yapısı ... 8

Şekil 2.2. Seri evirici yapısı ... 9

Şekil 2.3. Çoklu dizi evirici yapısı ... 9

Şekil 2.4. Modül tümleşik evirici yapısı ... 10

Şekil 2.5. DA-DA-AA evirici yapısı ... 11

Şekil 2.6. DA-DA-AA devre yapısı ... 11

Şekil 2.7. DA-AA-DA-AA evirici yapısı ... 12

Şekil 2.8. DA-AA-DA-AA devre yapısı ... 12

Şekil 2.9. DA-AA-AA evirici yapısı ... 13

Şekil 2.10. DA-AA-AA devre yapısı ... 13

Şekil 3.1. Tek faz şebeke bağlı AA modül yapısı ... 14

Şekil 3.2. Giriş akımı süreksiz z-girişli DA-DA dönüştürücü ... 16

Şekil 3.3. Giriş akımı süreksiz z-girişli DA-DA dönüştürücünün 1. Kip durumu ... 17

Şekil 3.4. Giriş akımı süreksiz z-girişli DA-DA dönüştürücünün 2. Kip durumu ... 17

Şekil 3.5. Giriş akımı süreksiz Z-girişli DA-DA dönüştürücünün akım ve gerilim dalga şekilleri ... 19

Şekil 3.6. Giriş akımı sürekli z-girişli DA-DA dönüştürücü ... 20

Şekil 3.7. Giriş akımı sürekli z-girişli DA-DA dönüştürücünün 1. Kip durumu ... 21

Şekil 3.8. Giriş akımı sürekli z-girişli DA-DA dönüştürücünün 2. Kip durumu ... 22

Şekil 3.9. Z-girişli DA-DA dönüştürücünün akım ve gerilim dalga şekilleri ... 24

Şekil 3.10. Giriş akımı sürekli yüksek kazançlı DA-DA dönüştürücüsü ... 25

(11)

xi

Şekil Sayfa Şekil 3.11. Önerilen yüksek kazançlı DA-DA dönüştürücünün ayrıntılı

olarak gösterilmesi ... 25

Şekil 3.12. 1. Devre için 1. Kip durumunun gösterilmesi ... 27

Şekil 3.19. 1. Devre için sürekli iletim durumunda önerilen DA-DA dönüştürücüsünün dalga şekilleri ... 30

Şekil 3.20. Sürekli iletim durumunda önerilen DA-DA dönüştürücüsünün n=4 için kuplaj katsayısına bağlı olarak kazanç değişiminin gösterilmesi ... 35

Şekil 3.21. Önerilen DA-DA dönüştürücüsü ile [16], [18] ve [30] nolu dönüştürücülerin n=4 ve k=1 için gerilim kazanç değişiminin gösterilmesi ... 37

Şekil 3.22. [16] nolu DA-DA dönüştürücü ... 37

Şekil 3.25. Giriş akımı süreksiz yüksek kazançlı DA-DA dönüştürücüsü ... 44

Şekil 3.26. Önerilen yüksek kazançlı DA-DA dönüştürücünün ayrıntılı olarak gösterilmesi ... 45

Şekil 3.29. 1. Devre için 3. Kip durumunun gösterilmesi. ... 48

(12)

Şekil Sayfa

Şekil 3.34. 1. Kip durumunun gösterilmesi (kesikli iletim durumu) ... 51

Şekil 3.42. (a) 2.Devre için sürekli iletim durumda dalga şekilleri, (b) 2. Devre için kesikli iletim durumda dalga şekilleri ... 55

Şekil 3.43. Kuplajlı endüktansın trafo modeli ... 66

Şekil 4.1. 1. Devre için üstten alta doğru; giriş gerilimi, C1,C2, C3 kondansatör ve çıkış gerilimi ... 72

Şekil 4.2. 1. Devre için üstten alta doğru; anahtar kapı gerilimi, anahtar üzerindeki gerilim, D1 ve D3 diyotları üzerindeki gerilim ... 72

Şekil 4.3. 1. Devre için üstten alta doğru; giriş akımı, kuplajlı endüktansın primer akımı, anahtar akımı ve D1 diyot akımı (Po=300 W) ... 73

Şekil 4.4. 1. Devre için üstten alta doğru; kuplajlı endüktansın sekonder akımı, D0, D2 ve D3 akımları (Po=300 W) ... 73

Şekil 4.5. 1. Devre için güç anahtarının iletime gitme durumu: anahtar gerilimi (üst şekil) ve anahtar akımı (alt şekil) (Po=300 W)... 74

(13)

xiii

Şekil Sayfa Şekil 4.6. 1. Devre için güç anahtarının kesime gitme durumu:

anahtar gerilimi (üst şekil) ve anahtar akımı (alt şekil) (Po=300 W)... 74 Şekil 4.7. 1. Devre için üstten alta doğru giriş akımı, kuplajlı endüktansın

primer akımı, anahtar akımı ve D1 diyot akımı (Po=150 W) ... 75 Şekil 4.8. 1. Devre için üstten alta doğru: kuplajlı endüktansın

sekonder akımı, D0, D2 ve D3 akımları (Po=150 W) ... 75 Şekil 4.9. 1. Devre için üstten alta doğru; giriş akımı, kuplajlı endüktansın

primer akımı, anahtar akımı ve D1 diyot akımı (Po=75 W) ... 76 Şekil 4.10. 1. Devre için üstten alta doğru; kuplajlı endüktansın

sekonder akımı, D0, D2 ve D3 akımları (Po=75 W) ... 76 Şekil 4.11. 2. Devre için üstten alta doğru; giriş gerilimi,

C1, C3 kondansatör ve çıkış gerilimi ... 77 Şekil 4.12. 2. Devre için üstten alta doğru; anahtar kapı gerilimi, anahtar

üzerindeki gerilim, D1 ve D3 diyotları üzerindeki gerilim ... 77 Şekil 4.13. 2. Devre için üstten alta doğru; giriş akımı, kuplajlı endüktansın

primer akımı, anahtar akımı ve D1 diyot akımı (Po=300 W) ... 78 Şekil 4.14. 2. Devre için üstten alta doğru; kuplajlı endüktansın

sekonder akımı, D0, D2 ve D3 akımları (Po=300 W) ... 78 Şekil 4.15. 2. Devre için güç anahtarının iletime gitme durumu;

anahtar gerilimi (üst şekil) ve anahtar akımı (alt şekil) (Po=300 W) ... 79 Şekil 4.16. 2. Devre için güç anahtarının kesime gitme durumu; anahtar

gerilimi (üst şekil) ve anahtar akımı (alt şekil) (Po=300 W) ... 79 Şekil 4.17. 2. Devre için üstten alta doğru; giriş akımı, kuplajlı endüktansın

primer akımı, anahtar akımı ve D1 diyot akımı (Po=150 W) ... 80 Şekil 4.18. 2. Devre için üstten alta doğru; kuplajlı endüktansın sekonder

akımı, D0, D2 ve D3 akımları (Po=150 W) ... 80 Şekil 4.19. 2. topoloji için üstten alta doğru; giriş akımı, kuplajlı endüktansın

primer akımı, anahtar akımı ve D1 diyot akımı (Po=30 W) ... 81 Şekil 4.20. 2. topoloji için üstten alta doğru; kuplajlı endüktansın

sekonder akımı, D0, D2 ve D3 akımları (Po=30 W) ... 81

(14)

Şekil Sayfa

Şekil 5.1. 1. Devre için üstten alta doğru; VC2, VC1 ve VC3 gerilimleri ... 84

Şekil 5.2. 1. Devre için üstten alta doğru; VC2, VC1 ve VC3 gerilimleri ... 85

Şekil 5.3. 1. Devre için üstten alta doğru; vgs, vds, VD1 ve VD3 gerilimleri ... 85

Şekil 5.4. 1. Devre için üstten alta doğru; iin, iL1, is ve iD1 akımları (Po=300 W) ... 86

Şekil 5.5. 1. Devre için üstten alta doğru; iL2, iD0, iD2 ve iD3 akımları (Po=300 W) ... 86

Şekil 5.6. 1. Devre için anahtarın iletime girme durumu, üstten alta doğru; vgs, vds gerilimleri ve is akımı (Po=300 W) ... 87

Şekil 5.7. 1. Devre için anahtarın tıkamaya gitme durumu, üstten alta doğru; vgs, vds gerilimleri ve is akımı (Po=300 W) ... 87

Şekil 5.12. 1. Devrenin farklı yükler için verim değişimi ... 90

Şekil 5.13. 2. Devre için üstten alta doğru; Vin, VC1, VC3 ve Vo gerilimleri ... 90

Şekil 5.14. 2. Devre için üstten alta doğru; vgs, vds, VD1 ve VD3 gerilimleri ... 91

Şekil 5.15. 2. Devre için üstten alta doğru; iL1a, iL1b, is ve iin akımları (Po=300 W) ... 91

Şekil 5.17. 2. Devre için anahtarın iletime girme durumu, üstten alta doğru; vgs, vds gerilimleri ve is akımı (Po=300 W) ... 92

(15)

xv

Şekil Sayfa Şekil 5.18. 2. Devre için anahtarın tıkamaya gitme durumu,

üstten alta doğru; vgs, vds gerilimleri ve is akımı (Po=300 W) ... 93 Şekil 5.19. 2. Devre için üstten alta doğru;

iL1a, iL1b, is ve iin akımları (Po=150 W) ... 93 Şekil 5.20. 2. Devre için üstten alta doğru;

iL2, iD0, iD2 ve iD3 akımları (Po=150 W) ... 94 Şekil 5.21. 2. Devre için üstten alta doğru;

iL1a, iL1b, is ve iin akımları (Po=30 W) ... 94 Şekil 5.22. 2. Devre için üstten alta doğru;

iL2, iD0, iD2 ve iD3 akımları (Po=30 W) ... 95 Şekil 5.23. 2. Devre için üstten alta doğru;

vgs, vds, VD1 ve VD3 gerilimleri (Po=30 W) ... 95

(16)

RESİMLERİN LİSTESİ

Resim Sayfa Resim 5.1. Yapılan 1. Devrenin prototipi ... 82 Resim 5.2. Yapılan 2. Devrenin prototipi ... 82

(17)

xvii

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.

Simgeler Açıklama

A Amper V Volt

D Doluluk oranı

H Henry

F Farad

k kuplaj katsayısı

L1 Primer endüktansı

L2 Sekonder endüktansı

Llk1 Primer kaçak endüktansı

Llk2 Sekonder kaçak endüktansı

Lm Mıknatıslama endüktansı

Ls Sekonder ucu kısa devre edildiğinde primerden görülen endüktansı

Iin Giriş akımı

1 III

IL 3. Kip sırasında primer akımı

1 VII

IL 7. Kip sırasında primer akımı

2 III

IL 3. Kip sırasında sekonder akımı

2 VII

IL 7. Kip sırasında sekonder akımı

ILm Mıknatıslama akımı

Io Çıkış akımı

Is(rms) Anahtar akımın efektif değeri

D1

i

∧ D1 diyot akımın tepe değeri

2

iD

(18)

3

iD

iDo

∧ Do diyot akımın tepe değeri

is Anahtar akımı

is

∧ Anahtar akımın tepe değeri

iL₍₁₎ Endüktans akımının minimum değeri iL_{( 2)} Endüktans akımının tepe değeri

M Mutual Endüktans

n Trafonun sarım oranı

N1 Primer sargı sayısı

N2 Sekonder sargı sayısı

RDS(on) Mosfet iletim direnci

Ton Anahtarın iletimde kalma zamanı

Ts Periyot

VC1 C1 kondansatörü üzerindeki gerilim VC2 C2 kondansatörü üzerindeki gerilim VC3 C3 kondansatörü üzerindeki gerilim VC4 C4 kondansatörü üzerindeki gerilim

Vin Giriş gerilimi

v1 Primere gerilimi

v2 Sekonder gerilimi

1( )d

v Primere uygulanan gerilim

1( )d

v Primere uygulanan gerilim

1( )o

v Primer açık devre gerilimi

2( )d

v Sekondere uygulanan gerilim

2( )o

v Sekonder açık devre gerilimi

1 III

vL 3. Kip sırasında primer gerilimi

(19)

xix

1 VII

vL 7. Kip sırasında primer gerilimi

2 III

vL 3. Kip sırasında sekonder gerilimi

2 VII

vL 7. Kip sırasında sekonder gerilimi

III

vLm 3. Kip sırasında mıknatıslama endüktans gerilimi

VII

vLm 7. Kip sırasında mıknatıslama endüktans gerilimi

1

vD

∧ D1 diyodu üzerinde oluşan gerilim

2

vD

3

vD

vDo

∧ Do diyodu üzerinde oluşan gerilim

vds

∧ Anahtar üzerindeki gerilim

Vo Çıkış gerilimi

Pin Giriş gücü

Po Çıkış gücü

W Watt

Kısaltmalar Açıklama

AA Alternatif akım

DA Doğru akım

EMG Elektromanyetik Girişim

FV Fotovoltaik

GCCM Sürekli iletim kipinde gerilim kazancı MGNİ Maksimum Güç Nokta İzleme

YEK Yenilenebilir Enerji Kaynakları

(20)

1. GİRİŞ

Endüstrileşme oranının artması, insanlarda daha fazla konfor isteği ve enerji girdisinin üretim maliyeti üzerine etkisi gibi belli başlı sebeplerle enerjinin daha düşük birim maliyetle ve en önemlisi daha güvenli bir şekilde elde edilmesine yönelik çalışmalar önem kazanmıştır.

Dünyanın artan enerji ihtiyacının temiz, ekonomik ve güvenli bir biçimde karşılanabilmesi için yapılan çalışmalar neticesinde güneş, rüzgâr ve hidrojen gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi artmıştır. Önceleri elektrik enerjisinin bulunmadığı bölgelerdeki ihtiyacı karşılamak için araştırılan ve kullanılan yenilenebilir kaynakları, fosil yakıtların tükeneceğinin farkına varılması ve çevreye verdikleri zararın insanlığın geleceğini tehdit etmeye başlamasıyla daha yoğun biçimde incelenmiştir. Bu kaynaklardan en yaygın olanları güneş ve rüzgâr enerjileridir.

Şebeke bağlantılı fotovoltaik (FV) güç sistemlerinin kullanımı hızla yaygınlaşmaktadır. Güneş panellerinin şebeke ile etkileşimli olarak çalışabilmesi için güneş panellerinin çıkışları seri olarak bağlanarak DA-DA dönüştürücüye gerek olmadan çıkış gerilimleri arttırılabilmektedir. Bu bağlantı biçimi ekonomik yönden fayda getirmesine rağmen gölgelenmenin getirdiği sınırlamalar ve güneş panellerini birbirine bağlamak için kullanılan kablolarda oluşan gerilim düşümlerinin neden olduğu verim düşüklüğü nedeniyle çok fazla tercih edilmemektedir [1].

Şebeke etkileşimli bu tür sistemlerde AA modül olarak adlandırılan yapı üzerine araştırmalar son yıllarda hızla artarak devam etmektedir. Bu tür yapılarda, kullanılan yüksek kazançlı DA-DA dönüştürücü sayesinde her bir güneş paneli için Maksimum Güç Noktası İzleme (MGNİ) algoritmaları bağımsız olarak uygulanarak gölgelenme kayıpları önlenmektedir. Buna karşın, iki aşamalı yapılarından dolayı bu modüllerin verimleri yüksek değildir. Ayrıca, eğer giriş akımında süreksizlik varsa büyük değerli bir kondansatör kullanılması gerekir. Bu kondansatör de seri eşdeğer

(21)

2

direncindeki kayıplardan dolayı kısa ömürlü olabileceğinden sistem ömrünü olumsuz yönde etkiler [2-3].

Güneş panellerinin ve yakıt hücrelerinin çıkış gerilimlerinin düşük olmasından dolayı şebeke etkileşimli bir sistemle çalışabilmesi için yüksek kazançlı bir DA-DA dönüştürücüye ihtiyaç vardır.

DA-DA dönüştürücüler günümüzde pek çok çeşitli cihaz içerisinde uygulama alanı bulmaktadır. Uygulamanın türüne göre güç gereksinimi değişmekte, değişen güç gereksinimine göre de kullanılacak topoloji seçenekleri değişmektedir. Bunun yanında bazı uygulamalarda giriş-çıkış yalıtımı da arzulanmaktadır.

Yalıtımsız yükselten (boost) ve düşüren-yükselten (buck-boost) türü DA-DA dönüştürücülerde anahtarın yüksek doluluk oranlarında (duty cycle) bile, endüktans direnci yüzünden yüksek kazançlara çıkmak mümkün değildir. Bu dönüştürücülerde çıkış gerilimin yüksek olması durumunda anahtarın dayanması gereken gerilim de yüksek olmalıdır. Yarıiletkenlerin gerilim değerleri yükseldikçe iletim dirençleri (RDS(on)) de yükseldiğinden bu durum iletim kayıplarının yükselmesine yol açar.

Flyback DA-DA dönüştürücülerde ise anahtar tıkamaya gittiğinde trafonun kaçak endüktansı enerjisini boşaltamadığından dolayı anahtar üzerinde stres oluşturduğu için dönüştürücünün verimi azalmaktadır ve çıkış diyotlarının ters toparlanma sürelerinden dolayı EMG kayıpları yüksektir [4].

Bu tür dönüştürücülerde kaçak endüktansın enerjisini boşaltmak için pasif [5] veya aktif bastırıcı devreler [6, 29, 30] kullanılabilir ya da Flyback DA-DA dönüştürücüsünün çıkışı yükselten DA-DA dönüştürücüsünün çıkışına seri olarak bağlanılmaktadır [7]. Pasif RCD bastırıcı devresi kaçak endüktansın enerjisini boşaltmasına rağmen üzerinde güç kaybı olduğu için sistemin verimini düşürmektedir. Aktif bastırıcı devrede ise fazladan bir anahtar kullanıldığı için sistemin karmaşıklığı artmaktadır. Flyback ve yükselten DA-DA dönüştürücülerin çıkışları seri olarak bağlanıldığında kazanç artmasına rağmen yüksek kazançlar elde

(22)

edebilmek için anahtarın yüksek doluluk oranlarında çalışması gerektiğinden dolayı çıkış diyotları üzerinde stresler artacaktır.

“Quadratik Voltage Lift” [8-11], anahtarlamalı kondansatör [12], anahtarlamalı endüktans [13], gerilim katlayıcı [14] tekniklerini DA-DA dönüştürücülerine uygulayarak kazanç arttırılabilir. Daha yüksek kazançlar elde edebilmek için bu tip DA-DA dönüştürücülerin zincirleme olarak bağlanılması önerilmektedir. Ancak zincirleme bağlı devre sayısı arttıkça sistem karmaşıklığı da artmakta ve verim düşmektedir.

DA-DA dönüştürücülerinde kuplajlı endüktans [15-35] tekniği kullanılarak yüksek kazançlar kolayca elde edilmektedir. Verimin yüksek olabilmesi için kaçak endüktansın anahtar ve diyotlar üzerinde herhangi bir strese yol açmaması ve anahtar üzerinde yüksek gerilimin oluşmaması istenilmektedir.

[15] numaralı kaynakta yükselten DA-DA dönüştürücüsü için üç tane kuplajlı endüktans kullanılmıştır. Giriş akımının sürekli olmamasının yanında kaçak endüktans çıkış üzerinden enerjisini boşalttığı için kısa süreli de olsa anahtar üzerinde yüksek gerilim oluşmaktadır.

[16] numaralı kaynakta ise giriş akımı sürekli olmayan yükselten DA-DA dönüştürücüsünde kuplajlı endüktans kullanılmıştır. Anahtar üzerinde stres olmamasına rağmen çıkış diyodu üzerinde stresler oluşmaktadır. Anahtarın düşük doluluk oranlarında yüksek kazançlara çıkabilmek için kuplajlı endüktansın dönüştürme oranının artmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu da kayıpların artmasına neden olacaktır.

Kuplajlı yükselten DA-DA dönüştürücüsüne gerilim katlayıcı tekniği uygulanarak yüksek kazançlar elde edilmiştir ancak giriş akımları sürekli değildir [17-18]. [19,20]

numaralı kaynaklarda yükselten DA-DA dönüştürücüsüne kuplajlı endüktans tekniği uygulanmıştır. Yükselten DA-DA dönüştürücüsüne [21] numaralı kaynakta anahtarlamalı kondansatör, [22] numaralı kaynakta ise anahtarlamalı endüktans

(23)

4

tekniği uygulanmıştır. [23] numaralı kaynakta pasif kayıpsız bastırıcı devresi yükselten DA-DA dönüştürücüsüne uygulanmıştır. [24] numaralı kaynakta önerilmekte olan flyback topolojisi yüksek sargı oranlarına ihtiyaç duymaktadır.

[23]. [24] numaralı kaynakta yükselten DA-DA dönüştürücüsüne anahtarlamalı endüktans tekniği uygulanmıştır. [25] ve [26] numaralı kaynakta Boost-Sepic dönüşütürücüsü önerilmektedir. [25] numaralı kaynakta önerilen dönüştürücüde kaçak endüktans anahtar üzerinde stres oluşturabilmektedir. [27] ve [28] numaralı kaynakta Boost-flyback topolojili dönüştürücüler önerilmektedir. [27] numaralı kaynakta kullanılan topolojide kaçak endüktans anahtar üzerinde stres oluşturabilmektedir. [29] numaralı kaynakta yardımcı anahtarlı, yalıtımsız zincirleme boost topolojisi, [30] numaralı kaynakta ise yalıtımlı flyback topolojisi önerilmektedir. [31-35] numaralı kaynaklarda kaynaktan çekilen akım üzerindeki dalgalanmayı azaltmak için iki anahtarlı örgü (interleaved) yöntemi uygulanmıştır.

Aynı anahtar doluluk oranlarında z girişli DA-DA dönüştürücülerin kazancı 1/(1-2D) yükselten DA-DA dönüştürücülerin kazancından 1/(1-D) yüksektir [36-38]. Aynı doluluk oranlarında aynı kazanç için kuplajlı endüktansın dönüştürme oranı azalmakta, bu da verimi arttırmaktadır.

[39] numaralı kaynakta 4 tane güç anahtarı ve yüksek frekans trafosu kullanılarak giriş akımı sürekli ve yüksek kazançlı z-girişli DA-DA dönüştürücü önerilmiştir.

Ancak fazladan anahtar kullanılmasından dolayı tek anahtarlı yapıya göre verim düşmektedir.

Bu tez çalışmasının amacı şebeke etkileşimli yenilenebilir enerji sistemlerinde DA- DA dönüştürücü olarak kullanılabilecek 300 W gücünde yeni bir topoloji geliştirmektir. Yapılan çalışmalar sonucunda kuplajlı endüktans kullanan z-giriş özellikli, yüksek dönüşüm kazancına sahip iki farklı topoloji geliştirilmiştir. Önerilen topolojilerin getirdiği diğer avantajlar şunlardır:

(24)

• Kullanılan kuplajlı endüktansın sarım oranı küçüktür.

• Kaçak endüktansın enerjisi anahtar ve diyotlar üzerinde herhangi bir stres oluşturmamaktadır.

• Anahtar üzerinde düşük gerilim oluşmaktadır.

• Kuplajlı endüktans sayesinde giriş ve çıkış arasında yalıtım sağlanmaktadır.

Önerilen özgün topolojilerle literatüre önemli bir katkıda bulunulmuştur. Önerilen topolojiler analitik olarak ve benzetim yoluyla incelenmiş, deneysel olarak gerçekleştirilmiştir.

Tezin 2. bölümünde, şebeke destekli sistemlerde kullanılan evirici topolojileri hakkında genel bir inceleme sunulmaktadır.

3. Bölümde, bu tezde incelenen yüksek kazançlı dönüştürücü tanıtılmaktadır.

4. Bölüm’de benzetim sonuçları sunulmaktadır.

5. Bölüm’de ise deneysel çalışma sonuçları verilmektedir.

6. Bölüm, çalışmanın sonuçlarını özetlemektedir.

(25)

6

2. ŞEBEKE DESTEKLİ SİSTEMLERDE KULLANILAN DÖNÜŞTÜRÜCÜ YAPILARININ İNCELENMESİ

Yenilenebilir enerji kaynaklarından oluşan dağıtık elektrik üretim sistemleri önemle üzerinde durulan konular arasında yer almaktadır. İthalata dayalı fosil yakıtlara olan bağımlılığın kontrol altına alınarak enerji güvenliğinin yükseltilmesi ve sera gazları yayımının azaltılması bakımından dikkatler bu konu üzerine odaklanmış durumdadır.

Bazı ülkelerde güneş enerjisi başta olmak üzere yenilenebilir enerji sistemleri devlet tarafından desteklenmektedir [40].

Merkezi olmayan enerji üretimi, elektrik arz güvenliğinin yükseltilmesi açısından da önemlidir. Bilinen bu yararlara rağmen bu yatırımlar her zaman ekonomik olmayabilir. Yatırımların ekonomik yapılabilirliği önemli ölçüde enerji fiyatlarına ve sağlanan desteklere bağlı bulunmaktadır. Dağıtık elektrik üretim kapasitesinin yükseltilmesine yönelik yatırımların cesaretlendirilmesi için tutarlı ve sürekli destekleyici politikalara ve araştırma geliştirme faaliyetlerine ihtiyaç vardır.

Yenilenebilir enerji kaynakları, merkezi olmayan yapısı nedeniyle dağıtılmış enerji üretimi stratejisine oldukça uygundur. Bölgesel şartlara bağlı olarak dağıtılmış enerji üretimi, güneş pili güç sistemini şebekenin uygun noktasından paralel bağlayarak veya tek başına güç sistemi olarak tesis ederek ya da şebeke desteği olmadan (off- grid) bir tüketici grubuna (ada mod) doğrudan bağlayarak gerçekleştirilebilmektedir.

Güneş pili güç sisteminden tüketicilere elektrik gücü sağlamak için üretilen doğru gerilimin (DA) alternatif gerilime (AA) verimli bir şekilde dönüştürülmesi ve sistemin optimizasyonu gereklidir. Birçok uygulamada da bataryalar gibi enerji depolama sistemlerinin kullanımına ihtiyaç duyulmaktadır. Güneş pili ile elektrik üretim sistemlerinin en önemli bölümünü bu çalışmanın ana konusu olan güç dönüşüm sistemleri oluşturmaktadır. Bu bölümde, güneş pili ile dağıtılmış elektrik üretim sistemlerinde kullanılan bağlantı yapıları karşılaştırılmalı olarak incelenmektedir.

(26)

Fotovoltaik sistemler güneş enerjisinin sürekli olmaması nedeniyle, çoğunlukla şebeke bağlantılı uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu tip sistemlerde çok sayıda yaklaşım bulunmaktadır. Fotovoltaik güç sistemlerinin enerji verimliliği ve güvenilirliğinde, güç düzenleme ünitesinin (evirici) önemli bir rolü vardır. Bu nedenle, fotovoltaik güç üretim sistemleri, işletim şartlarına bağlı olarak iletilen gücü optimize eden güç düzenleme üniteleri (MGNİ) içermektedir.

FV modül tarafından üretilen doğru gerilim, evirici devresiyle istenilen gerilim ve frekanstaki (220 Volt 50 Hz) alternatif gerilime dönüştürülmektedir. Bununla birlikte, evirici şebekeyi güvenli bir şekilde izlemeli ve herhangi bir kesinti durumunda şebekeyi desteklemelidir. Şebeke destekli olarak geliştirilen evirici teknolojileri, merkezi, dizi (string), çoklu dizi (multi string) ve modül tümleşik evirici olarak sıralanabilir.

2.1. Merkezi Evirici

Büyük güçlü FV güç sistemlerde (>10 kW) çok sayıda FV modül dizi halinde bağlanarak ve bu diziler diyotlar ile paralel bağlanarak kullanılmaktadır. Şekil 2.1’de merkezi evirici ile FV güç üretim sistemi yapısı görülmektedir. Merkezi eviricide FV paneller merkezi evirici girişine bağlanmaktadır. Merkezi evirici devresi yüksek verimlidir ve en düşük maliyete sahiptir. Bununla birlikte, modül uyuşmazlığı ve kısmi gölgelenme gibi durumlar nedeniyle FV güç üretim sisteminin enerji kazancı düşmektedir. Ayrıca, güç üretiminin tek bir bileşene bağlı olması nedeniyle sistemin güvenilirliği sınırlıdır.

(27)

Şekil 2.1.

2.2. Dizi

Dizi evir çözümdür merkezi e eviriciye b dizilere bö eviriciye b evirici te düşürmekt kayıpları kazanımı v

Merkezi ev

Evirici

riciler merk r ve bir dizi eviricinin kü

bağlanır. D ölünmekted bağlanmakt eknolojisi,

te ve merk da azaltma ve güvenilir

virici yapısı

kezi eviric i FV paneld üçültülmüşü Dizi eviricid

dir. Her bir adır ve ayn

yanlış eşl kezi evirici aktadır. Bu rliği arttırm

iler ile m den oluşan b

üdür. 2-3 kW de, merkezi

FV dizi Şe ı zamanda k leşmeyi az ideki dizi u özellikler maktadır.

modül birleş bir sistem i W güçlere evirici tipi ekil 2.2’de kendine ait zaltarak, g diyotları v r sistem m

şimli eviri çin tasarlan kadar bir m inde olduğu

görüldüğü g MGNİ siste gölgelenme

ve kablolar maliyetlerini

cinin arası nmıştır.Diz miktar FV p

u gibi FV m gibi kendin emine sahip

sonucu k r üzerinde düşürürke

8

ında bir i evirici, panel bir modüller ne ait bir ptir. Dizi kayıpları e oluşan n enerji

(28)

Şekil 2.2.

2.3. Çokl

Şekil 2.3’t sistemiyle kompakt u düşük mal ve farklı y eviriciler 3

Şekil 2.3.

Seri evirici

lu Dizi Evir

te görülen ç e (DA/DA d ucuz çözüm liyetli çözüm yönlerde bu 3-10 kW ara

Çoklu dizi

yapısı

rici

çoklu dizi e dönüştürücü m sunmakta

m avantajla ulunan FV

ası güçlerde

evirici yapı

evirici tekno ü) tek bir DA adır. Böylec

arı sağlanma sistemler b e sıklıkla ku

ısı

olojisi, çok A/AA eviri ce merkezi v

aktadır. Bu birbirine ent ullanılmakta

sayıda dizin ici yoluyla b ve dizi evir

yapıda fark tegre edilm adır.

nin ayrı ayr bağlanmasıy ricinin tek p klı dizi tekn mektedir. Ço

rı MGNİ yla daha parça ve nolojileri oklu dizi

(29)

10

2.4. Modül Tümleşik Evirici

Şekil 2.4’te görülen modül tümleşik evirici devresinde her bir modül için bir evirici devresi kullanılmaktadır. Her bir modülün kendine ait MGNİ izleyicisi olduğundan bu tipte eviricinin PV karakteristiğine uyumu optimize edilmektedir. Bu evirici yapısı enerji kazanımını optimize etmekle birlikte dizi eviriciye göre daha düşük verim sağlamaktadır ve bakım gereksinimi daha fazladır. Bu yapı daha çok 50 – 400 W tepe güçlerde uygulama alanı bulmuştur.

Şekil 2.4. Modül tümleşik evirici yapısı

2.4.1. Modül tümleşik eviricilerin sınıflandırılması

Güneş panellerin çıkış gerilimleri panel gücüne bağlı olarak düşüktür (<50V).

Şebeke ile etkileşimli olarak çalışabilmesi için güneş panellerin çıkış gerilimlerinin yükseltilmesine ihtiyaç vardır. Bu yükseltme işlemi için trafolu ya da yükselten DA- DA türü dönüştürücüler kullanılır. Genellikle modül tümleşik eviricilerde 3 farklı yapı vardır. Bu yapılar şunlardır;

a) DA-DA-AA evirici b) DA-AA-DA-AA evirici c) DA-AA-AA evirici

(30)

DA-DA-AA evirici

Bu yapıda, AA akım iki aşamada elde edilmektedir. İlk aşamada güneş panelinin çıkış gerilimi yükselten DA-DA türü dönüştürücü ile yükseltilir. İkinci aşamada ise yükseltilen DA gerilim AA gerilime dönüştürülür. Her iki aşamada yüksek frekanslı anahtarlama kullanıldığı için sistemin verimi düşüktür. Şekil 2.5'te basit bir DA-DA- AA evirici yapısı gösterilmektedir. Şekil 2.6'da görüldüğü gibi güneş panelinin düşük gerilimi yüksek kazançlı bir DA-DA dönüştürücüsü ile evirici girişinde yüksek gerilimlere çıkarılmaktadır. Evirici katında ise yüksek frekanslarda çalışan anahtarlar kullanılmaktadır.

Şekil 2.5. DA-DA-AA evirici yapısı

Şekil 2.6. DA-DA-AA devre yapısı

(31)

12

DA-AA-DA-AA evirici

Şekil 2.7'de basit bir DA-AA-DA-AA dönüştürücü yapısı gösterilmektedir. Şekil 2.8'de ise bu yapıya uygun olarak geliştirilen devre gösterilmektedir. Bu yapıda ilk katta yüksek frekans trafosu ve son aşamada ise şebeke frekansında çalışan anahtarlar kullanılmaktadır. Bu sayede evirici girişinde kondansatör kullanma gereksinimi önlenmiştir. Sistemin verimini ilk aşama belirlemektedir. Güneş panelinin çıkış gerilimini yükseltmek için genellikle ilk aşamada yüksek frekanslı bir trafo kullanılır.

Şekil 2.7. DA-AA-DA-AA evirici yapısı

Şekil 2.8. DA-AA-DA-AA devre yapısı

DA-AA-AA evirici

Şekil 2.9’da DA-AA-AA evirici yapısı gösterilmektedir. Şekil 2.10’da ise çift anahtarlı devre yapısı gösterilmektedir. Trafonun sekonder tarafındaki doğrultma diyotları yerine iki yönde de akım geçirebilen anahtarlar kullanılmıştır. Genellikle

(32)

güneş panelinin çıkış gerilimini yükseltmek için sistemin yapısında yüksek frekanslı trafo kullanılmaktadır.

Şekil 2.9. DA-AA-AA evirici yapısı

Şekil 2.10. DA-AA-AA devre yapısı

(33)

14

3. Z-GİRİŞLİ KUPLAJLI YÜKSEK KAZANÇLI DA-DA TOPOLOJİLERİ

Güneş panellerinin çıkış gerilimleri düşüktür. Tek bir güneş paneli için 100 W ile 300 W arasında değişen güç kapasitelerinde MGN gerilim aralığı 20 V ile 40 V arasında değişmektedir. Bu sorunu aşmak için çok sayıda güneş paneli seri bağlanarak dönüştürücünün giriş gerilimi yükseltilebilir. Ancak, güneş panelleri seri olarak bağlanıldığında, gölgeleme etkisi ve bağlantı kabloları sistemin verimini azaltmaktadır. Bu sebeple yüksek kazançlı ve verimli DA-DA dönüştürücülerine ihtiyaç duyulmaktadır. MGNİ algoritmalarının bağımsız olarak yapıldığı yapı AA modül olarak adlandırılmaktadır. Bu yapı sayesinde gölgelenme kayıpları önlenmektedir. Şekil 3.1'de tek faz şebekeye bağlı AA modül yapısı gösterilmektedir.

Şekil 3.1. Tek faz şebeke bağlı AA modül yapısı

Z-girişli DA-DA dönüştürücüleri geleneksel diğer yapıdaki dönüştürücülerle karşılaştırıldığında ilk enerjilendirme sırasındaki geçici akımlarının düşüklüğü, harmonik süzücü etkileri ve güvenilir yapılarından dolayı son zamanlarda üzerlerine ilgi çekmeyi başarmıştır.

Kuplajlı endükans tekniği de, devrede mevcut endüktanslardan yararlanarak sistem kazancını yükseltmek için önerilmektedir.

(34)

Bu tez çalışmasında z-girişli, kuplajlı endüktör kullanan yüksek kazançlı özgün DA- DA dönüştürücü yapıları geliştirilmesi hedeflenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda, iki farklı topoloji geliştirilmiştir. Topolojilerden birinde bir çift, diğerinde iki çift kuplajlı endüktör kullanılmaktadır. Bu yapılardan ilki sürekli akım, ikincisi ise kesikli veya sürekli akım kipinde çalıştırılabilmektedir. Bu bölümde, geliştirilen her iki yapı da ayrıntılı olarak incelenmekte ve analitik bağıntıları türetilmektedir.

Bu topolojilerinin getirdiği özellikleri şu şekilde sıralayabiliriz;

• Anahtar doluluk oranı çok düşük olduğu için diyotlarda oluşabilecek ters toparlanma sorunu azaltılmıştır.

• Kuplajlı endüktans giriş ve çıkış arasında yalıtım sağlamaktadır.

• Kuplajlı endüktansın sarım oranı düşüktür.

• Kaçak endüktans yarı iletken elemanlar üzerinde herhangi bir olumsuz etki yaratmamaktadır.

• Kullanılan yarı iletken elemanlar üzerindeki gerilim değerleri azalmıştır.

Giriş akımı süreksiz z-girişli DA-DA dönüştürücü

Giriş akımı süreksiz z-girişli DA-DA dönüştürücü Şekil 3.2’de gösterilmektedir.

Giriş ve çıkış gerilimi arasındaki bağıntı sürekli iletim durumuna göre incelenmiştir.

z-girişli dönüştürücünün simetrik olarak çalışabilmesi için kondansatör değerleri (C1

ve C2) birbirine ve endüktör değerleri (L1 ve L2) birbirine eşit olarak seçilmektedir.

C1=C2=C (3.1)

L1=L2=L (3.2)

(35)

16

Şekil 3.2. Giriş akımı süreksiz z-girişli DA-DA dönüştürücü

Kondansatör değerleri yeterince büyük olduğu kabul edildiği için, bir anahtarlama periyodu boyunca kondansatörler üzerinde sadece DA gerilimi olduğu kabul edilmektedir.

vC1=vC2=VC (3.3)

vCo=Vo (3.4)

Sürekli iletim durumunda bir anahtarlama periyodu boyunca devrenin çalışması 2 ayrı kip içerisinde incelenebilir. Bu kiplerle ilgili olarak ayrıntılı analiz aşağıda verilmekte olup, her kipe ait devre çizimleri Şekil 3.3 ile Şekil 3.4’de gösterilmektedir. Bu analiz sonucunda elde edilen çalışma akım ve gerilim şekilleri de Şekil 3.5’te verilmektedir.

1. kip, t=0 anında S anahtarı iletime girdiği anda başlamaktadır. Akım yolu Şekil 3.3’te gösterilmektedir. Bu aralık sırasında endüktörler kondansatörler tarafından doldurulmaktadır. Endüktörler üzerinde görülen gerilim (vL1) değeri kondansatörler üzerinde ki gerilim (VC) değerine eşittir. Endüktans değerleri eşit olduğu için, endüktörler üzerinden geçen akımlar birbirinin aynısı olmaktadır. Anahtar üzerinden geçen akımın değeri ise 2iL’dir. Bu esnada D1 diyotu tıkamadadır ve üzerinde görülen gerilim değeri ise Vin-2VC değerine eşit olmaktadır. Aynı zamanda doğrultma

(36)

görevini yapan Do diyotu da tıkamadadır ve çıkış kondansatörü yük üzerinden enerjisini boşalmaktadır.

Şekil 3.3. Giriş akımı süreksiz z-girişli DA-DA dönüştürücünün 1. Kip durumu

2. kip, t=DTs anında S anahtarı tıkamaya girdiği anda başlamaktadır. Akım yolu Şekil 3.4’te gösterilmektedir. Diyotlar iletimdedir. Bu aralık sırasında endüktörler enerjilerini boşaltmaktadır, kondansatörler ise enerji depolamaktadır. Endüktörler üzerinde görülen gerilim (vL1) değeri Vin-VC ya da VC-Vo değerine eşittir. Girişten çekilen akımın değeri ise 2iL-iDo olmaktadır.

Şekil 3.4. Giriş akımı süreksiz z-girişli DA-DA dönüştürücünün 2. Kip durumu

(37)

18

1. Kip sırasında anahtar iletimdedir. Aşağıdaki denklem Şekil 3.3'te gösterilen devreye göre yazılmıştır.

I

L C

v =V (3.5)

2. Kip sırasında anahtar tıkamadadır. Aşağıdaki denklemler Şekil 3.4'te gösterilen devreye göre yazılmıştır.

II

L in C C o

v =V −V =V − (3.6) V

o 2 C in

V = V −V (3.7)

Endüktanslar için volt-zaman ifadesi aşağıda gösterilmiştir.

0

s s

s

DT T

I II

L L

DT

v dt+ v dt =

∫ ∫

^(3.8)

Eş. 3.5 ve Eş. 3.6 bağıntıları Eş. 3.8 bağıntısında yerine konarak, VC ile Vin

gerilimleri arasındaki bağıntı aşağıda gösterildiği gibi bulunabilmektedir.

(1 ) 1 2

in C

V D V

D

= −

− (3.9)

Eş. 3.7 bağıntısında Eş. 3.9 bağıntısı yerine konup düzenlenirse Vo ile Vin gerilimleri arasındaki ilişki aşağıda gösterildiği bulunmaktadır.

1 2

in o

V V

= D

− (3.10)

Eş. 3.10 anahtar doluluk oranının bir fonksiyonu olarak giriş ve çıkış gerilimi arasındaki ilişkiyi vermektedir. Teoride, çıkış gerilimi Vin ile sonsuz arasında

(38)

değişmektedir. Ancak pratikte ise, endüktör, kapasitör ve yarı iletken kayıplarından dolayı gerilim kazancı hiçbir zaman sonsuz olamaz. Anahtar doluluk oranı 0.5’den büyük olacak şekilde seçildiğinde çıkış gerilimi negatif bir değer vereceği için doluluk oranı 0.5’den küçük seçilmelidir.

Şekil 3.5. Giriş akımı süreksiz Z-girişli DA-DA dönüştürücünün akım ve gerilim dalga şekilleri

(39)

20

Giriş akımı sürekli z-girişli DA-DA dönüştürücü

Giriş akımı sürekli z-girişli DA-DA dönüştürücü Şekil 3.6’da gösterilmektedir. Giriş ve çıkış gerilimi arasındaki bağıntı sürekli iletim durumuna göre incelenmiştir.

Şekil 3.6. Giriş akımı sürekli z-girişli DA-DA dönüştürücü

Kondansatör değerleri yeterince büyük olduğu kabul edildiği için, bir anahtarlama periyodu boyunca kondansatörler üzerinde sadece DA gerilimi olduğu kabul edilmektedir.

vC1=VC1 (3.11)

vC2=VC2 (3.12)

vCo=Vo (3.13)

Sürekli iletim durumunda bir anahtarlama periyodu boyunca devrenin çalışması 2 ayrı kip içerisinde incelenebilir. Bu kiplerle ilgili olarak ayrıntılı analiz aşağıda verilmekte olup, her kipe ait devre çizimleri Şekil 3.7 ile Şekil 3.8’de gösterilmektedir. Bu analiz sonucunda elde edilen çalışma akım ve gerilim şekilleri de Şekil 3.9’da verilmektedir.

(40)

1. kip, t=0 anında S anahtarı iletime girdiği anda başlamaktadır. Akım yolu Şekil 3.7’de gösterilmektedir. Bu aralık sırasında endüktörler ve kondansatörler enerji depolamaktadırlar. L1 endüktörü üzerinde görülen gerilim (vL1) değeri Vin+VC1

değerine eşittir. L2 endüktörü üzerinde görülen gerilim (vL1) değeri ise VC2 değerine eşittir. Anahtar üzerinden geçen akımın (is) değeri ise endüktörler üzerinden geçen akımın toplamına eşit olmaktadır (iL1+iL2). D1 diyotu tıkamadadır, üzerinde görülen gerilim değeri ise Vin-2VC değerine eşit olmaktadır. Doğrultma görevini yapan Do

diyotu tıkamadadır ve çıkış kondansatörü yük üzerinden enerjisini boşalmaktadır.

Şekil 3.7. Giriş akımı sürekli z-girişli DA-DA dönüştürücünün 1. Kip durumu

2. kip, t=DTs anında S anahtarı tıkamaya girdiği anda başlamaktadır. Akım yolu Şekil 3.8’de gösterilmektedir. Diyotlar iletimdedir. Bu aralık sırasında endüktörler enerjilerini boşaltmaktadır, kondansatörler ise enerji depolamaktadır. L1 endüktörü üzerinde görülen gerilim (vL1) değeri Vin-VC1 ve L2 endüktörü üzerinde görülen gerilim (vL2) değeri -VC2 olmaktadır.

1. Kip sırasında anahtar iletimdedir. Aşağıdaki denklem Şekil 3.7'de gösterilen devreye göre yazılmıştır.

1 2

I

L in C

v =V +V (3.14)

2 1

I

L C

v =V (3.15)

(41)

22

Şekil 3.8. Giriş akımı sürekli z-girişli DA-DA dönüştürücünün 2. Kip durumu

2. Kip sırasında ise anahtar tıkamadadır. Aşağıdaki denklemler Şekil 3.8'de gösterilen devreye göre yazılmıştır.

1 1

II

L in C

v =V −V (3.16)

2 2

II

L C

v = −V (3.17)

1 2

II

o C L

V =V −v (3.18)

Endüktanslar için volt-zaman ifadesi aşağıda gösterilmiştir.

1 0

s s

DTS

DT T

I II

L L

v dt+ v dt =

∫ ∫

^(3.19)

2 0

s s

DTS

DT T

I II

L L

v dt+ v dt=

∫ ∫

^(3.20)

Eş. 3.15 ve Eş. 3.17 bağıntıları Eş. 3.20 bağıntısında yerine konarak, VC1 ile VC2

gerilimleri arasındaki bağıntı aşağıda gösterildiği gibi bulunabilmektedir.

(42)

1

2

(1 )

C C

V D

= − (3.21)

Eş. 3.14 ve Eş. 3.16 bağıntıları Eş. 3.19 bağıntısında yerine konup düzenlenmesiyle, kaynak gerilimi ile kondansatör gerilimleri arasındaki bağıntı aşağıda gösterildiği gibi bulunabilmektedir.

1

(1 ) 1 2

in C

V D V

D

= −

− (3.22)

2 1 2

i C

DVn

V = D

− (3.23)

Son olarak Eş. 3.18 bağıntısı kullanılarak çıkış gerilimi ifadesi aşağıda gösterildiği gibi bulunabilmektedir.

1 2

in o

V V

= D

− (3.24)

(43)

24

Şekil 3.9. Z-girişli DA-DA dönüştürücünün akım ve gerilim dalga şekilleri

3.1. Bir Çift Kuplajlı Endüktör İçeren Z-Girişli Yüksek Kazançlı DA-DA Dönüştürücü

Şekil 3.10'da yüksek kazançlı, yalıtımlı ve kuplajlı z-girişli DA-DA dönüştürücüsü gösterilmektedir. Önerilen DA-DA dönüştürücü 5 adet kondansatör (Co, C1, C2, C3, C4), 1 adet giriş endüktansı (Lin), 4 adet diyot (Do, D1, D2, D3), 1 çift kuplajlı endüktör ve 1 adet de güç anahtarı (S) içermektedir.

(44)

Devrede kullanılan kuplajlı endüktör çifti Llk1, Llk2 kaçak endüktansları, Lm

mıknatıslanma endüktansı ve ideal bir trafo ile modellenebilir. Şekil 3.11’de kuplajlı endüktörler yerine eşdeğer devre elemanları yerleştirilmiştir.

Kuplaj sayesinde, anahtarın iletim ve tıkama konumlarında sekondere yansıyan gerilimler değişmektedir. Anahtar iletime girdiğinde D1, D2 ve D3 diyotları tıkamaya Do çıkış diyotu ise iletime gitmekte, kuplajlı endüktansın sekonder tarafı ise C3 ve C4

kondansatörlerine seri bağlanarak bu kondansatörleri yük üzerinden boşaltmaktadır.

Şekil 3.10. Giriş akımı sürekli yüksek kazançlı DA-DA dönüştürücüsü

Şekil 3.11. Önerilen yüksek kazançlı DA-DA dönüştürücünün ayrıntılı olarak gösterilmesi

Anahtarın tıkamaya gitmesiyle ise D1 diyotu iletime girmektedir. Bu konumda, kaçak endüktanslarda biriken enerjiler, C2 kondansatörü üzerinden akan iL1 akımı ve yük

(45)

26

üzerinden akan iL2 akımı ile boşaltılır. Bu süreç boyunca anahtar üzerinde VC1+VC2

gerilimi görülür.

Anahtarın düşük gerilimlerde anahtarlama yapmasından ve anahtar tıkamaya gittiğinde ise kaçak endüktansın enerjisinden dolayı anahtar üzerinde herhangi bir stres oluşmamasından ve diyotlar üzerinden akan akım doğrusal olarak azalarak sıfır akımda diyotları tıkamaya sokmasından dolayı önerilen DA-DA dönüştürücüsünün verimi artmaktadır.

Devrenin analizini basitleştirmek için aşağıdaki şartlar kabul edilebilir:

1. Kullanılan Mosfet ve Diyotlar ideal olarak kabul edilmiştir. Ancak Mosfetin kaçak kapasitesinin (Cs) olduğu kabul edilmiştir.

2. Lin endüktansının ve C1, C2, C3, C4, Co kondansatörlerin değeri yeterince büyüktür ve anahtarlama periyodu boyunca bu elemanların üzerinde oluşan ortalama akım ve gerilimlerin (Iin, ve VC1, VC2, VC3, VC4, Vo) sabit olduğu kabul edilmiştir.

3. Mıknatıslama endüktansı Lm üzerinde oluşan enerji Llk1, Llk2 kaçak endüktansları üzerinde oluşan enerjiden oldukça büyüktür.

3.1.1. Çalışma analizi

Devrenin incelenmesi sürekli akım durumu için yapılmıştır. Devrenin çalışması 7 ayrı kip içerisinde incelenebilir. Bu kiplerle ilgili ayrıntılı analiz aşağıda verilmekte olup, her kipe ait devre çizimleri Şekil 3.12 ile Şekil 3.18 arasında gösterilmektedir.

Bu analiz sonucunda elde edilen tipik çalışma akım ve gerilim şekilleri de Şekil 3.19’da verilmektedir.

a) 1. Kip [t0-t1]: Bu kip kısa sürmektedir. t=t0 anında S anahtarı iletimdedir. Cs kaçak kapasitenin ise hemen boşaldığı kabul edilmiştir. D1 ve Do diyotları tıkamada iken D2

ve D3 diyotları ise iletimdedir. Akım yolu Şekil 3.12'de gösterilmiştir. Lin endüktansı Vin+VC2 gerilimi ile dolmaktadır. Llk2 kaçak endüktansı paralel olarak bağlanmış C3, C4 kondansatörleri üzerinden enerjisini boşaltmaktadır, iL2 akımı doğrusal olarak

(46)

azaldığı için diyotlar üzerinde ters toparlanma süresi ile ilgili olarak bir stres oluşmamaktadır. Lm mıknatıslama endüktansı ve Llk1 kaçak endüktansı VC1 gerilimi ile dolmaktadır. Co kondansatörü ise yük üzerinden boşalmaktadır. Bu kip t=t1

anında iD2=iD3=0 olduğunda sona ermektedir.

Şekil 3.12. 1. Devre için 1. Kip durumunun gösterilmesi

b) 2. Kip [t1-t2]: Bu kip kısa sürmektedir. t=t1 anında S anahtarı iletimdedir. Do

diyotu iletimde iken D1, D2 ve D3 diyotları tıkamadadır. Akım yolu Şekil 3.13'te gösterilmiştir. Birbirine seri olarak bağlanmış C3 ve C4 kondansatörleri yük üzerinden boşalmaktadır. Bu kip t=t2 anında vL2=nvL1 olduğunda sona ermektedir.

c) 3. Kip [t2-t3]: t=t2 anında S anahtarı iletimdedir. Do diyotu iletimde iken D1, D2 ve D3 diyotları tıkamadadır. Akım yolu Şekil 3.14'de gösterilmiştir. Lm mıknatıslama endüktansı depoladığı enerjinin bir kısmını sekonder tarafına aktarmaktadır. Kuplajlı

(47)

28

endüktans gerilim kaynağı olarak çalışmaktadır. Kuplajlı endüktansın sekonder tarafı C3 ve C4 kondansatörleri ile seri olarak bağlanarak enerjisini yüke aktarmaktadır. Bu kip t=t3 anında S anahtarı tıkamaya girdiğinde sona ermektedir.

d) 4. Kip [t3-t4]: Bu kip kısa sürmektedir. t=t3 anında S anahtarı tıkamadadır. Do

diyotu iletimde iken D1, D2 ve D3 diyotları tıkamadadır. Akım yolu Şekil 3.15'te gösterilmiştir. Cs kaçak kapasitesi hızlıca dolmaya başlamaktadır. Bu kip t=t4 anında D1 diyotu iletime girdiği başka bir deyişle anahtar üzerindeki gerilim VC1+VC2 olduğu anda sona ermektedir.

e) 5. Kip [t4-t5]: Bu kip kısa sürmektedir. t=t4 anında S anahtarı tıkamadadır. Do ve D1 diyotu iletimde iken, D2 ve D3 diyotları tıkamadadır. Akım yolu Şekil 3.16'da gösterilmiştir. Lm ve Llk1 endüktansları enerjilerini C2 kondansatörü üzerinden