LLC rezonant yarım köprü dönüştürücüsündeki manyetik elemanların güç kaybı kestirim yöntemleri ve doğrulanması

Abstract

LLC rezonant yarım köprü dönüştürücü, yüksek verim ve yüksek güç yoğunluğu sağlayabilme, geniş bir giriş-çıkış gerilim aralığında sıfır gerilimde anahtarlayabilme kabiliyetlerine ek olarak, düşük elektromanyetik gürültü oluşturma gibi sağladığı avantajlardan dolayı, günümüzde birçok farklı uygulamada yaygın olarak tercih edilmeye başlanan bir dönüştürücü türüdür. Öneminin son zamanlarda ortaya çıkmasıyla birlikte LLC rezonant yarım köprü dönüştürücü üzerine yapılan birçok çalışma mevcuttur. Ancak, dönüştürücünün başarı hedeflerini belirleyen ucuzluk, küçük boyut, uzun ömürlülük ve güvenilirlik parametreleri bu çalışmaların tasarım aşamasında göz ardı edilmektedir. Genel yaklaşım, başarı hedeflerinin deneysel örnek üzerinden alınan ölçümlerle değerlendirilmesidir. Bu tutum, önceden öngörülmeyen sorunlara yol açarak son ürün elde edilmesine yönelik süreçlerin oldukça uzamasına sebep olabilmektedir.Bu tez çalışmasında sokak aydınlatma uygulamaları için evrensel girişli, içerisinde güç katsayısı düzeltici devresi bulunan, 54 Vdc / 1,75 Adc çıkışlı, 100 W giriş gücüne kadar çalışabilen LLC rezonant yarım köprü dönüştürücü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan dönüştürücünün başarı hedeflerine ulaşmasını belirleyenen kritik eleman olan manyetik elemanların, tasarım aşamasında detaylıca analizi gerçekleştirilmiştir. Henüz tasarım aşamasında iken manyetik elemanlar üzerinde oluşacak güç kayıpları; matematiksel hesaplamalar ve sayısal analiz programı ile kestirilmiş, dahası manyetik elemanların sonlu elemanlar analizi ile bulunan güç kayıpları desteklenmiştir. Ayrıca güç kaybı kestirimleri, deneysel örnek üzerinden alınan ısıl ve elektriksel ölçüm yöntemleri ile doğrulanmıştır. Bu yaklaşımla, henüz prototip ve üretim aşamasına geçilmeden; pratik dünyadaki manyetik elemanın tasarımı, üretimi ve testleri gibi zaman alıcı aşamalara gereksinim duyulmadan, dönüştürücü performansının önceden detaylıca analiz edilebilmesi sağlanmıştır. Sonuç olarak, en küçük boyutlu, güç yoğunluğu yüksek, ekonomik, zaman tasarrufu sağlayan ve güvenilir tasarım çıktılarının gerçeklenmesine yönelik çözümler sunulmuştur.

The LLC resonant half bridge converter is a type of converter which has been widely preferred in many applications thanks to its advantages such as providing high efficiency and high power density, zero voltage switching capability for a wide input-output voltage range and producing very low EMI.With the recent emergence of its significance, many studies have been performed on LLC resonant half bridge converter. However, the parameters of low cost, low size, longevity and reliability that determine the achievement goals of the converters are ignored during design stage in these studies. General approach is to evaluate the achievement goals by taking measurements on experimental prototype. However, this approach leads to the unpredictable problems and gives rise to prolong the period of the final product.In this thesis, an LLC resonant half bridge converter for street lighting application is implemented with universal input, 54 Vdc / 1.75 Adc output and up to 100 W input power. Detailed analysis of magnetic components that strongly determines the achievement goals is carried out early in the design stage. Power losses on magnetic components are predicted via mathematical calculations and numerical simulation tools. These losses are also supported via finite element analysis of magnetic components. Additionally, power loss estimations are verified by taking electrical and thermal measurements on working prototype. In this way, it is ensured that the converter performance is analyzed in detail on pre-design stage without the need for many different magnetics designs, productions and prototype tests. As a result, solutions are provided for realizing the lowest volume, high power density, economical, time saving and reliable design outputs.