Yeni nesil anahtarlama elemanları kullanarak yüksek verimli ve geniş çalışma aralıklı LLC rezonans çevirici tasarımı

Abstract

Günümüzde hafif elektrikli araçlar, kentsel ortamlarda sağladığı kullanım rahatlığı ve verimli ulaşım çözümleri getirmesi gibi sebeplerle yoğun ilgi görmektedir. Hafif elektrikli araçlar, kişisel ulaşım, işe gidip gelme ve kısa mesafeli seyahat için tasarlanmış bir dizi elektrikle çalışan aracı kapsar. Bunlar tipik olarak elektrikli bisikletleri (e-bisikletler), elektrikli scooterları, elektrikli kaykayları ve elektrikli kick scooterları içerir. Pil teknolojisi, güç elektroniği ve elektrikli motorlardaki gelişmelerle hafif elektrikli araçlar, geleneksel araçlara uygun bir alternatif sunmaktadır. Bununla beraber artan hafif elektrikli araç talebiyle aynı oranda bu araçlar için kullanılan ve gereken enerji miktarı da doğru orantılı olarak artmaktadır. Lityum-iyon pil teknolojilerindeki gelişmeler, hafif elektrikli araçların performansını ve menzilini önemli ölçüde artırmıştır. Bu noktada batarya ve batarya şarj teknolojileri ve bunların verimliliği de gündeme gelmektedir. Bu sebeple batarya şarj devrelerinin güç yoğunluğunun ve verimliliğinin artırılması için çalışmalar artırılmıştır Artan enerji ihtiyaçları ve istenen yüksek verimlilik gibi sebeplerden güç elektroniği devreleri daha çok önem kazanmıştır. Bu çalışmada hafif elektrikli araçlarda sıkça rastlanan bir batarya grubu olan 36 V bataryalara yönelik bir şarj devresi tasarlanmıştır. 36V bataryaların gerilimleri 36-42V arasındadır ve tam şarjlı halde 42V gerilime ulaşmaktadırlar bu sebeple yapılan batarya şarj devresi 36-42V aralığında çalışabilmektedir. Literatür incelemesi gerçekleştirildiğinde batarya şarj devreleri için kullanılan üç ana grup ile karşılaşılmıştır. Bunlar: lineer çeviriciler, geleneksel PWM çeviriciler ve rezonans çeviricilerdir. Rezonans çeviriciler bu üç grup içerisinde en yüksek verime sahip olan çevirici türleridir. Bununla birlikte devre yapıları ve kontrolleri çok daha karmaşıktır. Rezonans çeviriciler sahip oldukları sıfır gerilim altında anahtarlama ve sıfır akım altında anahtarlama gibi avantajlardan dolayı çok düşük anahtarlama kayıplarına sahiptir ve özellikle bu yönü ile yüksek verime sahiptir. Bu çalışmada da batarya şarj devresi için bir rezonans çevirici türü olan yarım köprü LLC rezonans çevirici topolojisi seçilmiştir. Rezonans çeviriciler temel olarak anahtarlama ağı, rezonans tankı ağı, doğrultucu ağı ve filtre ağından oluşmaktadırlar. Bu çalışmada öncelikle rezonans çeviricilerin özelliklerinden, temel yapılarından bahsedilmiş ve gerekli matematiksel eşitlikler elde edilmiştir. Daha sonra bir LLC rezonans çeviricinin tasarımına başlanmıştır. Bu çalışmada tasarlanan LLC rezonans çevirici yüksek frekansta çalışmaktadır. Rezonans frekansı 450 kHz olup sıfır gerilim altında anahtarlama koşulunu elde edebilmek amacıyla 450 kHz ve üstündeki frekanslarda çalışmaktadır. Tasarlanan devrenin çalışma frekansı ve frekans aralığı yüksek olduğundan dolayı özel devre elemanlarına ihtiyaç duyulmaktadır. GaN transistörlerin kapı kapasitansları aynı özelliklerdeki silikon tabanlı bir alan etkili transistöre nazaran çok daha düşük olduğundan dolayı çok yüksek anahtarlama hızları sağlamaktadırlar. Bu sebepten dolayı bu çalışmada da bu yeni tip GaN transistörler kullanılmıştır. Bunun yanında GaN transistörler ters toparlanma süresinin olmayışı ve jonksiyon üzerinden ters yönde akım iletimi gibi birtakım özelliklere de sahiptir. Tasarlanan LLC rezonans çevirici devresinin çalışma frekansının çok yüksek olmasından dolayı devrede kullanılan transformatör ve bobinin de özel olarak seçilmesi gerekmektedir. Çünkü yüksek frekanslarda transformatör ve bobin çekirdeklerini oluşturan nüvelerde güç kayıpları artmaktadır. Nüve materyalinde karar kılındıktan sonra çalışma frekansı ve çıkış gücü özelinde yeterli bir nüve çeşidi ve boyutu seçilmiştir. Devrede yüksek frekanslarda çalışıldığından dolayı bu yüksek frekanslara yanıt verebilmesi amacıyla yüksek saat hızına, yüksek hızlı ADC'ye, yüksek hızlı PWM üretebilen ve yüksek işlem kapasitesine sahip dijital işaret işleyici işlemcileri olan dsPIC33CK serisi işlemcilerden bir çeşit seçilmiştir. Tasarımın en büyük kısımlarından olan kontrol stratejisi mikroişlemcinin programlanması ile gerçekleştirilmiştir. Çıkış gerilimi, giriş gerilimi ve rezonans tankı ağındaki akımın sürekli olarak mikroişlemci ile izlenmesi ile bir kontrol stratejisi oluşturulmuş ve bu strateji ile devredeki anahtarlama elemanları kontrol edilmiştir. Gerekli devre elemanlarının seçilmesinin ardından baskı devre tasarımına başlanmıştır. Bilgisayar ortamında baskı devre çizilerek ürettirilmiş ve ürettirilen kartlara gerekli devre elemanlarının dizilmesi işlemi gerçekleştirilmiştir. Nihai devrenin elde edilmesiyle test düzeneği kurulup devrenin testleri gerçekleştirilmiştir. Testler rezistif yük altında gerçekleştirilmiştir. Testler boyunca osiloskop vasıtası ile rezonans tankı akımının dalga şekilleri, çıkış akımı dalga şekilleri incelenmiştir. Yapılan ölçüm ve incelemelerde çıkış gerilimin istendiği ölçüde tutulması gözlenmiştir. Ayrıca yüzde 90'dan fazla verimle devrenin çalıştığı gözlemlenmiştir.