PI kontrolör tabanlı yüksek çıkış gerilimi üreten izoleli güç yükselticisi tasarımı / Aysu Tokur; thesis advisor Coşku Kasnakoğlu.

Tez (Yüksek Lisans Tezi)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Ağustos 2022

Elektronik sektörünün her alanda gelişmesiyle güç yükseltici devrelerine olan ihtiyaç artmaktadır. Çeşitli sektörlerde kullanılan düşük gerilimden yüksek gerilime enerji dönüşümü son zamanlara en çok ihtiyaç duyulan konulardan birisidir. Bunun nedeni tasarlanan cihazların çoğunlukla batarya veya düşük gerilim sağlayan güç besleyicileri ile çalışmasıdır. Bu gerilim seviyeleri yaklaşık 15V ile 50V arasında olabilmektedir. Bu nedenle yüksek gerilim dönüşümleri düşük giriş geriliminden elde edilmektedir. Örnek olarak patlayıcı zinciri ateşleme, medikal lazer, egzoz gazları ve atık su arıtma teknolojileri gibi sistemler verilebilir. Düşük seviyeli giriş gücü kullanan sistemlerin yüksek gerilim ihtiyacını karşılamak için kullanılan elektronik yapılardan biri DC-DC güç yükseltici dönüştürücülerdir. Çeşitli DC-DC güç dönüştürücü devreleri ve bu devrelerde kullanılan farklı kontrolcü tipleri mevcuttur. Böylelikle farklı tasarım kombinasyonları yapılabilmektedir. Gerilim dönüşümü sırasında güç ve enerji kayıplarının düşük oranlarda olması ve çalışma modu durumlarında hata olmaması tasarım açısından önemli kriterler arasındadır. Ayrıca sistemin bütünlüğü ve doğruluğu adına tasarım üzerinde yapılan bütün çalışmaların birbirine olan etkilerini gözlemlemek gerekir. Bu tasarımda 30V seviyeli giriş gerilimi kullanarak 500V civarında çıkış gerilimi üretebilen PI kontrolcüye sahip DC-DC güç dönüştürücü tasarımı yapılmıştır. Sistemin verimliliğini artırmak adına flyback ve boost çevirici topolojileri birlikte kullanılarak boost-flyback çevirici devresi tasarlanmıştır. Çalışmanın sunduğu diğer bir farklılık ise devre tasarımı ve kontrolcü tasarımı birbirini etkileyen yapılar olduğu için bu çalışmada bütün olarak ele alınmıştır ve kontrolör tasarımı ile hibrit devre yapısının uyumu ve performansı analiz edilmiştir. Çıkış geriliminin üretilme zamanı, kalıcı hal durumu ve gerilim seviyesi PI kontrolör kullanılarak yönetilmektedir. Tasarlanan kontrolcü, farklı çıkış yükü değerleri altında test edilerek doğrulanmıştır. Kontrolcü tasarımı yapılırken boost-flyback çeviricinin durum uzayı denklemlerini bulunmak için durum uzayı ortalama metodundan yararlanılmıştır. İki güç dönüştürücü devrenin seri bağlanmasıyla oluşturulan boost-flyback dönüştürücünün matematiksel analizini yapmak bazı zorluklara sahiptir. Matematiksel hesaplamaları basitleştirmek adına flyback ve boost çeviriciler farklı adımlarda analiz edilmiştir. Dönüştürücülerden biri analiz edilirken diğer dönüştürücü, devrenin eşdeğer akım kaynağı olarak kabul edilmiştir. Sistemin kontrolcü tasarımında küçük sinyal modeli, durum uzayı denklemleri ve transfer fonksiyonu hesaplamaları kullanılmıştır. Kontrolcü ve devre tasarımının matematiksel denklem hesaplamaları yapıldıktan sonra Simulink ve Matlab programları kullanılarak tasarımın analiz ve simülasyonu gerçekleştirilmiştir.

This study come up with the design of integrated boost-flyback converter with PI controller. Throughout the study, the purpose is on designing of interested controller and clarifying of dynamics characteristic. The design consists of the boost and flyback converters in series. This means integration of two different converter topologies brings about an operational problem since both converters have different conduction mode. If the flyback and boost converters have been analyzed simultaneously to reach mathematical equations, it comes with the fourth order dynamic equations. Solving that long equations can have a long calculation process and complexity. One way to reduce complexity is to represent each power converter as a current source while analyzing another converter. Therefore, this method facilitates the process by using equations of the simple flyback and boost converters. On the other hand, the efficiency and accuracy of power converters are further significant design parts. Custom power converters might have high power loss. Hence, this efficiency issue is a crucial parameter for low voltage to high voltage power converters. Typical power amplifiers generally does not have enough efficiency ratio. Due to having high switching frequencies, the system efficiency of converters is possible to be increased by merging boost and flyback converter typologies and designing precise controller. There are many different types of DC-DC step-up converters, and it gives opportunity to create various design combinations. In this study, PI controller based DC-DC boost-flyback converter has been designed. The design provides 500V output voltage from 30V input voltage. Owing to the combined design of boost and flyback converters, the efficiency of the system has increased. The PI controller is used for controlling a transformation time, keeping the voltage level in precise level and controlling the mod status. The design is confirmed with simulations and real life tests. While executing tests, the accuracy and stability of output voltage level are observed under different output loads. State space equations of the boost-flyback converter are calculated by using state space averaging method for the design of PI controller. Afterwards, simulations and analysis of the system are executed in Matlab and Simulink program to verify the design.