Anahtarlamalı endüktörlü yarı empedans kaynaklı bir inverterin geliştirilmesi

Abstract

Güç elektroniği uygulamalarında DC-AC dönüşümü gerçekleştirilirken çıkış geriliminin yükseltilmesinde geçmişte büyük boyutlu transformatörler tercih edilirken, ilerleyen zamanlarda daha küçük hacimli yükseltici DC-DC dönüştürücü yapısı kullanılmıştır. Transformatör ve DC-DC dönüştürücü yapısının ek maliyeti ve ilave kayıpları sebebiyle son yıllarda yeni ve özgün bir dönüştürücü topolojisi olarak empedans kaynaklı inverter (ZSI) devresi önerilmiştir. ZSI'nin empedans katı; geleneksel inverterlerin aksine tek aşamada hem düşürücü hem de yükseltici olarak çalışabilmekte, transformatör ve DC-DC dönüştürücü ihtiyacını ortadan kaldırarak maliyeti azaltıp verim artışı sağlamakta ve kısa devre çalışmaya da izin verdiğinden ölü zaman süresinin kullanılmamasına bağlı olarak çıkış dalga şeklindeki distorsiyonu en aza indirmektedir. Bu nedenle ZSI, alternatif bir dönüştürücü devre yapısı olarak tercih edilmektedir. Bu çalışmada, geleneksel akım ve gerilim kaynaklı inverterlerin sahip olduğu kavramsal ve teorik sınırlamaları ortadan kaldırarak yeni bir güç dönüştürme konsepti sunan ve ZSI'nin geliştirilmiş hali olan yarı empedans kaynaklı inverter (QZSI) devresi tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Empedans katındaki pasif devre elemanları üzerinde düşük frekanslı dalgalanmalar üretmemesi ve çıkışta daha az distorsiyon oluşturmasından dolayı anahtarlama elemanlarını sürmek için NUCLEO-F411RE geliştirme kiti ile üretilen basit yükseltici PWM kontrol tekniği uygulanmıştır. Tasarlanan QZSI devresinin performansını iyileştirmek amacıyla empedans katında değişiklik yapılmıştır. Yükseltme faktörü ve gerilim kazancının arttırılması amacıyla empedans katındaki giriş bobinine, bir bobin ve üç hızlı diyot eklenmiştir. Giriş bobini, anahtarlamalı endüktör (SL) adı verilen devre yapısına dönüştürülmüş ve bu yapı empedans katına bütünleşik olarak yerleştirilmiştir. SL devre yapısının çalışma prensibi ve uygulanan modülasyon indeksine bağlı olarak yükseltme faktöründe % 12 ile % 68 arasında artış, anahtarlar üzerindeki gerilim stresinde ve başlangıç anında çekilen akımda % 10'un üzerinde azalma gözlemlenmiştir. Geliştirilen SL yapılı QZSI devresinin çıkışında düşük distorsiyonlu sinüzoidal AC çıkış gerilimi elde edilmiştir. Benzetim çalışmaları ile laboratuvar ortamında gerçekleştirilen deneysel veriler, önerilen devrenin yüksek kazançlı DC-AC dönüşümü sağlayabildiğini net bir şekilde ortaya koymuştur.

In power electronics applications, large-size transformers were preferred to increase the output voltage in the past while performing DC-AC conversion, in later times the step-up DC-DC converters with smaller volume were used. Due to the additional cost and losses of the transformer and DC-DC converter structure, Z-source inverter (ZSI) circuit has been proposed as a new and unique converter topology in recent years. Unlike conventional inverters, ZSI impedance network can perform buck-boost operation in single stage, increase the efficiency by reducing the cost with the eliminating of the transformers and converters, and minimize the distortions in the output waveform since it does not use dead time. Therefore ZSI is preferred as an alternative converter circuit structure. In this thesis study, a quasi-Z-source inverter (QZSI) circuit, which is an improved version of ZSI and offers a unique power conversion concept by eliminating the conceptual and theoretical limitations of the conventional current and voltage source inverters, was designed and realized. Simple boost PWM control technique has been employed to the switches using NUCLEO-F411RE development board since this technique doesn't involve low-frequency ripples on the passive components of the impedance network and has lower distortions at the output. In order to improve the circuit parameters of the designed QZSI circuit, the impedance network has been modified. An inductor and three fast recovery diodes are added to the input inductor of the impedance network in order to increase the voltage gain and the boost factor of the circuit. The input inductor has been transformed into a circuit form called switched inductor (SL) and this is integrated into the impedance network. Using the operating principle of the SL circuit form, an increase between 12% and 68% in the boost factor and a decrease over 10% in the voltage stress and the inrush current were observed depending on the applied modulation index. Low distortion sinusoidal AC output voltage is obtained at the output of the developed QZSI circuit with SL circuit form. Simulation and experimental results carried out in the laboratory environment clearly show that the proposed circuit provides high boost DC-AC inversion ability.