Yeni bir yumuşak anahtarlamalı DC-DC PWM dönüştürücünün tasarım, analiz ve uygulaması

Abstract

Darbe Genişlik Modülasyonlu (PWM) DC-DC dönüştürücüler, yüksek güç yoğunluğu, hızlı geçiş cevabı ve kontrol kolaylığı nedeniyle endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Daha yüksek güç yoğunluğu ve daha hızlı geçiş cevabı, ancak anahtarlama frekansın artırılmasıyla elde edilebilmektedir. Fakat, anahtarlama frekansı arttığında, anahtarlama kayıpları da artmaktadır. Frekansın artırılması, ancak sert anahtarlama (HS) yerine yumuşak anahtarlama (SS) tekniklerinin kullanılması ile mümkün olmaktadır.Genel olarak yumuşak anahtarlama teknikleri, sıfır gerilimde anahtarlama (ZVS), sıfır akımda anahtarlama (ZCS), sıfır gerilimde geçiş (ZVT) ve sıfır akımda geçiş (ZCT) şeklinde sıralanabilir. Rezonanslı devrelerde, anahtarlama anlarında gerilim veya akımın sıfır olması nedeniyle, doğal ve mükemmel olarak SS sağlanır. Buna karşılık, bu devrelerde, güç yoğunluğu düşüktür, genellikle frekans değişkendir ve PWM yeteneği yoktur.Rezonans ve PWM tekniklerinin avantajlarının birleştirilmesi düşüncesinden yola çıkılarak,sadece anahtarlama işlemleri esnasında bir kısa süreli veya kısmi rezonans kullanılarak,mükemmel bir SS ve PWM yeteneğine sahip olan ZVT ve ZCT teknikleri geliştirilmiştir.Prensip olarak, her iki teknikte de bir yardımcı anahtar ve bir kısa süreli veya kısmi rezonansdevresi kullanılır. ZVT tekniğinde ana anahtarın iletime girme işlemindeki ve ZCT tekniğinde ana anahtarın kesime girme işlemindeki anahtarlama kayıplarının bastırılması veya sıfırlanması hedeflenir. Son yıllarda ZVT ve ZCT tekniklerinin birleştirilmesi konusunda çalışmalar yapılmaktadır.Bu tezde, PWM dönüştürücülerde güç yoğunluğu ile verimin arttırılması ve EMI gürültünün azaltılması için yeni bir aktif bastırma hücresi geliştirilmiştir. Geliştirilen bastırma hücresi DC-DC dönüştürücüdeki ana anahtarın sıfır gerilim geçişi (ZVT) ile iletime ve sıfır akım geçişi (ZCT) ile kesime girmesini birlikte sağlamaktadır. Bu bastırma hücresinin kullanıldığı dönüştürücü, geniş bir şebeke ve yük gerilimi aralığında ve yüksek frekanslarda yumuşak anahtarlama ile çalışabilmektedir. Ayrıca, bu dönüştürücüde bütün yarı iletken elemanlar yumuşak anahtarlama ile çalışır. Ana elemanlarda ilave bir gerilim stresi yoktur ve yardımcı elemanların stresleri de düşük seviyelerdedir. Yeni dönüştürücünün yapısı basit, fiyatı düşük ve kontrolu kolaydır.Geliştirilen bastırma hücresinin kullanıldığı yeni ZVT-ZCT-PWM yüksek çıkışlı DC-DCdönüştürücü devresinin çalışma prensibi ve etraflı bir kararlı durum analizi sunulmuştur.Sunulan teorik analiz, 100 kHz ve 500 W'lık yüksek çıkışlı bir prototip ile tam olarak doğrulanmıştır. Ayrıca nominal çıkış gücünde dönüştürücü veriminin yaklaşık olarak %98.3'e ulaştığı tespit edilmiştir.