Yeni bir yumuşak anahtarlamalı ve yüksek güç faktörlü AC-DC dönüştürücünün geliştirilmesi ve gerçekleştirilmesi

Abstract

Günümüzde, gelişen teknoloji ve yükselen refah düzeyi sayesinde, elektrikli cihazların kullanımı giderek artmakta ve daha fazla enerji tüketilmektedir. Aynı zamanda, dünyamızın enerji kaynakları da hızlıca tükenmektedir. Bu sebeple enerjinin daha verimli ve tasarruflu kullanılması gerekmektedir. Ayrıca, günümüzde kullanılan Kesintisiz ve Anahtarlamalı Güç Kaynakları (UPS ve SMPS), Elektronik Balastlar (EB) gibi lineer olmayan alıcıların çektiği harmonikli akımlar şebekeyi bozmaktadır. Bu da aynı şebekeye bağlı olan bilgisayarlar, mikroişlemciler gibi hassas cihazlarda hata ve bozulmalara sebep olmaktadır. Bu nedenle enerjinin daha kaliteli kullanılması da oldukça önemlidir. Kullanılan enerjinin verim ve kalitesi açısından, ulusal ve uluslararası düzeyde, güç faktörü ve harmonik içerik için sınırlama ve standartlar geliştirilmektedir. İstenen verim ve kalitenin sağlanabilmesi için, cihaz üreticileri Güç Faktörünün Düzeltilmesi (PFC) olarak bilinen farklı teknikler kullanmaktadır. Güç faktörü, oldukça hantal ve pahalı olan pasif filtreler veya oldukça karmaşık ve pahalı olan aktif filtreler ile düzeltilebilmektedir. Ancak, son zamanlarda bu konuda yapılan akademik ve endüstriyel çalışmalar, pek çok avantaja sahip olan yüksek frekanslı AC-DC dönüştürücü temelli PFC devreleri üzerinde yoğunlaşmaktadır.Kaliteli bir PFC yapılabilmesi, AC-DC dönüştürücünün yüksek anahtarlama frekansında çalıştırılması ile mümkün olmaktadır. Frekansın yükselmesi ise, anahtarlama kayıpları ile Elektro Manyetik Girişimin (EMI) artması, aşırı gerilim ve akım streslerinin oluşması, devrenin uygulanabilme yeteneğinin zayıflaması, toplam verimin düşmesi gibi sorunlara yol açmaktadır. Bu sorunlar, Sert Anahtarlama (HS) yerine Yumuşak Anahtarlama (SS) tekniklerinin kullanılması ile aşılabilmektedir. Yumuşak anahtarlama teknikleri, temel olarak Sıfır Gerilimde Anahtarlama (ZVS), Sıfır Akımda Anahtarlama (ZCS), Sıfır Gerilimde Geçiş (ZVT) ve Sıfır Akımda Geçiş (ZCT) şeklinde sıralanmaktadır.Bu tezde, PFC uygulamalarında kullanılmak üzere, yeni bir Yumuşak Anahtarlamalı ve Yüksek Güç Faktörlü (SS-HPF) AC-DC dönüştürücü geliştirilmiştir. Bu yüksek güç faktörlü ve yumuşak anahtarlamalı dönüştürücüde, ana anahtar ZVT ile iletime ve ZVS ile kesime girer. Yardımcı anahtar ZCS ile iletime ve ZVS ile kesime girer. Ana diyot ile diğer bütün diyotlar da SS ile çalışır. Aynı zamanda bu dönüştürücüde, endüktansta biriken SS enerjileri bir transformatör vasıtasıyla etkili bir şekilde çıkışa aktarılır ve yardımcı anahtarın akım stresi önemli ölçüde düşürülür. Bu dönüştürücüde, hiçbir yarı iletken eleman ilave bir gerilim stresine maruz kalmaz ve geniş bir hat gerilimi ve yük akımı aralığında SS şartları korunur. Geliştirilen yeni SS-HPF AC-DC dönüştürücünün detaylı bir kararlı durum analizi yapılmış ve bu teorik analiz uluslararası hat gerilimi (85 -265 Vac) aralığında 100 kHz ve 1 kW'lık bir prototip ile doğrulanmıştır.