Design of digitally controlled llc resonant converter

Abstract

Bu çalışmada LLC yarım köprü rezonans dönüştürücünün sayısal kontrolcü ile tasarımı ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Rezonans dönüştürücülerin temel çalışma prensipleri, avantajları ve dezavantajları incelenmiş, LLC rezonans dönüştürücüyü oluşturan elektronik elemanlar ve bu elemanların çeşitli çalışma modlarındaki davranışları ile devreye ait gerilim ve akımlar analiz edilmiştir. LLC rezonans dönüştürücünün temelini oluşturan rezonans tank komponentlerinin (L-L-C) bir tasarım prosedürü üzerinden seçimi açıklanmıştır. 420V giriş ve 24V çıkışa sahip 120W gücünde bir LLC rezonans dönüştürücü için rezonans tank komponentlerinin hesabı yapılmıştır. Bu tasarımın LTSpice IV ortamında simülasyonu yapılmış ve simülasyon sonuçları, tasarım bilgileri ışığında incelenmiştir. Tasarımı yapılan donanımın sayısal kontrolcü ile kontrolü için PID kontrolör yapısı ve ayar yöntemleri açıklanmıştır. Bu ayar yöntemleri ile MATLAB® Simulink® kullanılarak kontrolcü parametreleri belirlenmiş ve simülasyon sonuçları incelenmiştir. MATLAB®'da tasarlanan kontrolcünün STM32F429 mikrodenetleyicisi üzerinde geliştirilmesi yapılmış ve kontrol algoritmasına ait akış diyagramları gösterilmiştir. Hesaplamalar ve simülasyonlar ile doğrulanan tasarımın prototipi hazırlanarak ilgili akım ve gerilim sonuçları gerçek deney düzeneği üzerinde analiz edilmiştir.

In this thesis, design and application of a digitally controlled LLC half-bridge resonant converter is realized. Basic principles of resonant converters, the advantages and disadvantages have been examined. Electronic circuit devices that form the LLC resonant converter, their behaviors and circuit's current and voltage waveforms in the fundamental operation modes were analyzed. The selection of the reactive components (L-L-C) that form basis of the resonant tank was explained through a design procedure. The reactive components calculation was made for a specific LLC resonant converter whose attributes are 120W output power, 420VDC input and 24VDC output voltage. Transient and AC simulations of the design were performed in LTSpice IV environment and the simulation results were examined in the light of design knowledge. In order to control the designed hardware with a digital controller, PID controller structure and tuning methods are described. The control parameters for tuning the controller were determined using MATLAB® Simulink and the simulation results were analyzed. The PID controller built in MATLAB® Simulink has been developed in STM32F429 microcontroller and the flow diagrams belong to control algorithm of the converter were displayed. Prototype hardware for the design that was verified with calculations and simulations was carried out and its test results related current and voltage waveforms were analyzed on a real experimental setup.