LLC rezonans çeviricilerinin üretim tabanlı en uygunlaştırılmış tasarımına katkılar

Abstract

Enerji tüketiminin küresel ölçekte her geçen yıl arttığı dünyamızda, son dönemde yaşanan yapay zeka atılımıyla birlikte enerji talebinin en hızlı artış gösterdiği alanların başında sunucu sistemleri ve veri merkezleri gelmektedir. Bu kapsamda, enerjinin en verimli şekilde yönetilebilmesi ve sürdürülebilirliğin sağlanması amacıyla Avrupa Birliği tarafından (EU) 2019/424 sayılı regülasyonu devreye alınmıştır. Bu regülasyon, sunucu güç kaynaklarında %96 ve üzeri verimlilik değerlerine ulaşılmasını yasal bir zorunluluk haline getirmiştir. Ancak bu standartların karşılanması sürecinde öne çıkan yumuşak anahtarlamalı topolojilerin; hem bu yüksek verimleri sağlaması, hem de üretim toleranslarının kaçınılmaz olduğu gerçek dünya koşullarında kararlı ve hatasız çalışabilen tutarlı bir üretim kümesi oluşturması gerekmektedir. Ancak literatürdeki standart en iyileştirme çalışmaları, genellikle ideal bileşen değerlerine dayalı tek bir en iyi tasarım noktasına odaklanmaktadır. Bu yaklaşım, özellikle rezonans elemanlarının uç sınırlarda ve fazlasıyla iyimser tolerans kabulleriyle seçildiği durumlarda büyük risk taşımaktadır. Kâğıt üzerinde yüksek performans vaat eden ve laboratuvar ortamındaki ideal testlerde bu vaatlerini kanıtlamış tasarımların; laboratuvar ortamından çıkılıp üretim ortamına geçildiğinde, bileşen sapmaları ve üretim hataları dolayısıyla yumuşak anahtarlama karakteristiğinin bozulması ve arıza yaşaması kuvvetle muhtemeldir. Bu nedenle üretim toleranslarının tasarım aşamasına dahil edilmesi, endüstriyel uygulanabilirlik açısından kritik bir inceleme konusudur. Bu kapsamda hazırlanan tez çalışmasında, sunucu ve telekomünikasyon pazarında kullanılması hedeflenen bir yarım köprü LLC rezonans çevirici ele alınmıştır. Çalışmanın ilk aşamalarında, temel harmonik yaklaşımı kullanılarak devrenin kazanç denklemi türetilmiştir. Sonrasında frekansa bağlı kayıp modeli tanıtılmış ve tasarlanacak devrenin daha gerçekçi olması amaçlanmıştır. Manyetik kısımlarda ayrık malzeme kütüphanesinden beslenen Steinmetz denklemi ile çekirdek kayıpları hesaplanırken; deri ve yakınlık etkisi Dowell denklemi ile modele dahil edilmiştir. Bu şekilde detaylı bir analitik model kurulmuştur. Tezin dördüncü kısmında, tasarımın dayanıklılığı ve analiz verimliliği üzerine özgün bir yöntem sunulmuştur. Literatürde genellikle yarı iletken anahtarlar için kullanılan Güvenli Çalışma Bölgesi kavramı, bu çalışmada özgün bir yaklaşımla LLC rezonans tankı dinamiklerine uyarlanmıştır. Tanımlanan bu bölgenin analizi için, endüstride standart olarak kullanılan ancak yüksek işlem gücü gerektiren Monte Carlo yöntemi yerine, LLC çeviriciler için çok daha az işlem gücü gerektiren Sekiz Köşe Testi yaklaşımı önerilmiştir. Önerilen bu test yönteminde; rezonans tankı elemanlarının (Lr,Cr,Lm) oluşturduğu tolerans uzayının bir dörtgenler prizması şeklinde olduğu ortaya konulmuş ve sistem için en kritik noktaların bu prizmamın sekiz köşesi olduğu gösterilmiştir. Bu yaklaşımın doğruluğu ve yeterliliği hem matematiksel analizlerle hem de deneysel çalışmalarla doğrulanmıştır. Böylece yüksek iterasyon gerektiren yöntemler yerine, sadece köşe noktalarına odaklanarak analiz süresi kısaltılmış ve üretim havuzundaki olası sapmaların güvenli çalışma bölgesinin nasıl daralttığı tespit edilmiştir. Beşinci kısım kapsamında, LLC yarım köprü çeviricinin optimizasyon süreci ele alınmıştır. Geniş bileşen kütüphaneleri ve ayrık seçim gerektiren LLC gibi çevirici devrelerde, tüm olası kombinasyonların bilgisayar ortamında tek tek denenmesinin tasarım süresini kabul edilemez düzeyde uzattığına dikkat çekilmiş ve buna çözüm olarak Parçacık Sürüsü Optimizasyonu (PSO) algoritması önerilmiştir. Bölüm kapsamında son olarak; rezonans endüktörü, transformatör ve genel LLC devresi için özgün tasarım akış şemaları oluşturulmuştur. Altıncı ve son kısımda, önerilen optimizasyon şemaları ile oluşturulan araç kullanılarak 400 Volt giriş, 48 Volt çıkış ve 480 Watt çıkış gücüne sahip bir yarım köprü LLC çevirici tasarlanmıştır. Elde edilen tasarımın tüm yük koşullarında sıfır gerilimde anahtarlama yeteneğini koruduğu LTspice ortamında doğrulanmış; manyetik elemanların detaylı analizi ise Ansys Electronics Desktop ortamında gerçekleştirilmiştir Sonuç olarak bu tez çalışmasıyla; verim ve hacim kısıtları altında eleman üretim toleranslarının da dikkate alındığı bir tasarım yöntemi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu yöntemin doğruluğu ve tasarım hedeflerini karşılama yeteneği, benzetim ortamında yapılan testlerle kanıtlanmıştır.Bu çalışma, İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi (BAP) tarafından MYL-2024-46178 kodlu proje kapsamında desteklenmiştir.