Tepe akım kontrolü yöntemiyle sürekli iletim modunda çalışan zeta tipi DA-DA dönüştürücünün modellenmesi ve kararlılık analizi

Abstract

DA-DA dönüştürücüler girişlerindeki DA işaretin gerilim seviyesini anahtarlama elemanına ulaştırılan kontrol işaretinin doluluk oranına bağlı olarak bir seviyeden başka bir seviyeye dönüştüren ve çıkışına ileten devrelerdir. Bu dönüştürücüler genellikle regüle edilmiş anahtarlamalı güç kaynaklarında, motor sürme uygulamalarında kullanılmaktadır. Giriş gerilimi seviyesini düşürerek çıkışa ileten ve/veya yükselterek çıkışa ileten olmak üzere çeşitli DA-DA dönüştürücü topolojileri mevcuttur. Bu tezde Zeta DA-DA dönüştürücü ele alınmıştır. Bu dönüştürücü giriş gerilimini hem yükselten hem de düşüren modlarda çalışabilir. Ayrıca aynı işlevi gören Cuk veya tek indüktörlü diğer dönüştürücülerin aksine giriş ve çıkış gerilimlerinin polariteleri birbiriyle aynıdır. Bu özelliği sayesinde dağıtımlı güç şebekelerinde kullanıma daha uygun olduğu söylenebilir. Sepic topolojisi için giriş çıkış gerilim polariteleri her ne kadar aynı olsa da çıkış gerilimi üzerindeki dalgalanmalar göreceli olarak daha fazla olduğundan Zeta dönüştürücünün daha üstün olduğu söylenebilir. DA-DA dönüştürücüler akım ya da gerilim modu kontrol yöntemlerinin kullanılması için uygundur. Ancak gerek kompanzasyonu kolaylaştırması ve gerekse çıkışların paralellenmesini kolaylaştırması nedeniyle akım modu kontrol daha avantajlıdır. Belirtilen nedenlerle bu tezde tepe akım-modu kontrollü Zeta dönüştürücünün küçük işaret analizi çıkış kapasitesi esr'si de dikkate alınarak yapılmış ve modeli elde edilmiştir. Elde edilen modele ait transfer fonksiyonu sembolik formda türetilmiştir. Türetilen modelin doğruluğu PSIM ortamında yapılan benzetim çalışmaları ile gösterilmiştir.Tezin ilk bölümünde, yapılan literatür taramasına ait kısa bir özet, tezin amacı ve hipotez verilmiştir. İkinci bölümde, Zeta tipi dönüştürücülerin çalışma prensibi, sürekli iletim modunda çalışma için sürekli hal analizleri ve bu konulardaki teorik bilgiler verilmiştir.Üçüncü bölümde, akım modu kontrol ile gerilim modu kontrol karşılaştırmalı olarak incelenmiş, akım modu kontrolde görülen altharmonik osilasyon ve önlenmesi için gerekli kompanzasyon rampası konuları işlenmiştir. Bununla birlikte tepe akım modu özelinde akım algılama devreleri ve PWM anahtarlama modeli ele alınmıştır.Dördüncü bölümde, tepe akım modu kontrollü sürekli iletim modunda çalışan Zeta dönüştürücü için doğru akım ve küçük işaret (alternatif akım) analizleri yapılmış ve matematiksel model sembolik formda elde edilmiştir.Beşinci bölümde ise önceki bölümde elde edilen modelin doğruluğunu göstermek amacıyla yapılan benzetim çalışmalarına yer verilmiştir.Altıncı ve son bölümde, yapılan çalışma değerlendirilmiş ve gelecek çalışmalar tartışılmıştır.

The DC-DC converters are special circuits that converts the input DC voltage from one level to another by using duty rate of the switching element. These converters are frequently used in regulated switched-mode power supplies and motor drive applications. There are various DC-DC converter topologies, which can operate with input voltage higher or lower than the output voltage.In this thesis, Zeta DC-DC converter is considered. The Zeta converter can operate in both buck and boost modes. Moreover unlike Cuk and other single inductor buck/boost DC-DC converters, the polarities of the input and output voltages are the same for Zeta converters. It can be said that it is more convinient to use in distributed power supplies with this feature. Although the input and output voltage polarities are the same for the Sepic topology, it can be stated that the Zeta converter is superior since the ripples at the output voltage are relatively less.DC-DC converters are suitable for operating with current or voltage mode control methods. However, the current mode control is more advantageous since it makes compensation and the parallelization of the outputs easier. For the reasons stated above, the small signal analysis of the peak current-mode controlled Zeta converter was made including esr of the output capacitor. The transfer function of the achieved model is derived in symbolic form. The derived model of example Zeta converter circuits are compared with PSIM simulations of the example Zeta converter cicuits to examine the accuracy of the model.A brief summary of the literature review, thesis purpose and hypothesis are given in the first chapter of the thesis.Second chapter covers the working principle of Zeta type converters, steady state analysis for continuous conduction mode operation and relevant theoretical information on the subjects.In the third chapter, the current mode and the voltage mode control methods are examined comparatively, the subharmonic oscillation in the current mode control and necessary compansation ramp to eliminate it are discussed. Additionally, current sensing circuits and PWM switch model especially for the peak current mode control are studied.In the fourth chapter, the dc analysis and the small signal analysis of peak current-mode controlled, non-isolated Zeta converter is presented. The PWM-switch model in CCM is utilized in the analysis and the mathematical model is derived in symbolic form.The fifth chapter includes the simulation studies to show the accuracy of the previously achieved model. In the sixth and last chapter, the study is evaluated in terms of its advantages and drawbacks and possible future works are discussed.