Empedans Kaynaklı DA-DA Dönüştürücülü Yüksek Gerilim
DA Güç Kaynağı Tasarımı

Proje Başlığı	Empedans Kaynaklı DA-DA Dönüştürücülü Yüksek Gerilim DA Güç Kaynağı Tasarımı
Proje No	121E377
Proje Yürütücüsü	Mehmet Timur AYDEMİR

Proje Özeti

Bu projede, çeşitli sivil ve askeri uygulamalarda kullanılabilen Yüksek Gerilim (YG) Doğru Akım (YGDA) güç kaynakları için empedans kaynaklı DA-DA dönüştürücü tabanlı özgün bir yapı önerilmektedir.

Geleneksel olarak doğrultulmuş şebeke geriliminin gerilim katlayıcılarla istenen düzeye çıkartılması yoluyla üretilen YGDA güç kaynaklarının yapısı, güç yarıiletkenleri teknolojisindeki ilerlemelerle değişmiştir. Yeni ürünlerde, üç fazlı bir doğrultucu, doğru gerilimi yüksek frekansta anahtarlanan bir evirici, evirici çıkışına bağlanan bir yüksek frekans yüksek gerilim (YFYG) transformatörü ve transformatör çıkışına yerleştirilen birkaç katlı bir gerilim katlayıcı bulunmaktadır. Bu sistemlerde, giriş gerilimlerini yükseltmek için transformatör sarım oranın çok yüksek olması gerekmektedir. Yüksek gerilim altında çalışan ve dielektrik yalıtım tabakaları içeren küçük boyutlu transformatörlerde kaçınılmaz olarak sargılar, sarımlar ve katmanlar arası kaçak kapasiteler oluşmaktadır. Sekonderde oluşan kapasitelerin primere sarım oranının karesiyle yansıması, girişteki eviricinin çalışmasını olumsuz etkilemektedir. Bu olumsuzlukların önüne geçebilmek için literatürde, parazitik elemanları rezonans tankının parçası yapan LCC türü evirici devrelerinin kullanımı önerilmektedir. Ancak, parazitik elemanların çalışma koşullarında değişkenliği zaten karmaşık olan LCC dönüştürücülerin denetimini zorlaştırmaktadır.

Proje, kaçak elemanların sorun olmayacağı bir yapı arayışından doğmuştur. Sistemin girişindeki doğrultulmuş gerilimin bir yükseltici devreyle ara bir seviyeye yükseltilmesi ve eviricinin bu gerilimi anahtarlaması durumunda, transformatörün sarım oranı ciddi ölçüde küçülebilir ve primere yansıyan değerler sorun yaratmayacak seviyelerde kalabilir. Giriş katında empedans kaynaklı dönüştürücülerden (EKD) yararlanılmasının problem için uygun bir çözüm olabileceğine karar verilmiştir. Klasik yükselten devrelerin sağlayamayacağı gerilim kazançlarını sağlayabilen EKD’ler hem gerilim kaynaklı, hem de akım kaynaklı dönüştürücülerin olumlu yanlarını barındırdıkları için son yıllarda özellikle yenilenebilir enerji uygulamaları için sıklıkla önerilmektedir. Kullanılan yarıiletkenlerin maruz kaldığı gerilim ve akım baskıları ise diğer topolojilere göre daha düşüktür. Ancak bu tür devreler şu ana kadar yalnızca düşük gerilimli (25V – 400V) yenilenebilir enerji devrelerine uyarlanmıştır.

Proje kapsamında 350 V DA geriliminden 10 kV DA çıkış gerilimi üretecek, 2 kW gücünde bir güç kaynağının tasarlanıp üretilmesi hedeflenmektedir. Bu kaynağın girişindeki 350 V, bir EKD kullanılarak 2 kV’a yükseltilecek, sert anahtarlamalı bir tam köprü evirici bu gerilimi kare dalgaya çevirecektir. 1:2.5 dönüştürme oranlı bir transformatör bu gerilimi 5 kV genlikli kare dalgaya dönüştürecek, tek katlı bir Cockroft-Walton gerilim katlayıcı ile bu gerilim iki katına çıkartılacaktır. EKD olarak daha önce proje yürütücüsünün danışmanlığında tamamlanan bir doktora tezinde geliştirilen ve gerilimi 16 katına yükseltebilen empedans kaynaklı iki özgün DA-DA dönüştürücü seçilmiştir.

Son dönemlerde yaygınlaşmaya başlayan geniş bantlı yarıiletkenler sayesinde sistemde kullanılacak tüm dönüştürücüleri yüksek frekanslarda ve gerilimlerde tasarlamak mümkün olacaktır. Transformatör ve EKD devresinde kullanılacak bağlaşımlı endüktörler, analitik yöntemlerle tasarlandıktan sonra sonlu eleman analizi (SEA) yazılımı kullanılarak analiz edilecek, kaçak elemanların minimize olduğu ve istenilen yalıtım düzeylerinin sağlandığı anlaşıldıktan sonra üretilecektir.

EKD yapılarının yüksek gerilim ve güçlerde çalışabileceğini ve YGDA güç kaynağı uygulamalarında kullanılabileceğini göstermek projenin en özgün yanını oluşturmaktadır. Ayrıca, EKD yapısının aralıklı (interleaved) ve/veya modüler biçimde bir araya getirilerek daha yüksek değerlerde bir gerilime tek dönüştürücü ile ulaşılması konusu da proje kapsamında ele alınacaktır. Bu da projenin özgün yanlarından biridir. Sistemin denetimi, EKD katında çok amaçlı optimizasyon algoritmalarının özgün biçimde uygulanması ile gerçekleştirilecektir.

Proje ekibinin yakın zamanda tamamladığı klasik topolojide bir güç kaynağı için transformatör tasarımı projesinden elde edilen birikim bu projede kullanılacaktır. Bir doktora ve iki yüksek lisans öğrencisi proje kapsamında tezini tamamlarken, bir lisans öğrencisi de yürütücüye projenin tüm aşamalarında destek olacaktır.

Sivil ve askeri pek çok uygulama alanı olan bu güç kaynaklarının ülkemizde üretimi bulunmamaktadır. Ülkemizde yüksek gerilim alanında yetkin araştırmacı ve kuruluşlar olmakla birlikte yüksek gerilimde güç elektroniği uygulamaları konusunda yeterli birikim bulunmamaktadır. Proje sonunda hem ihtiyaç olan bir alanda araştırmacı yetişmiş, hem de sivil ve savunma sanayi kuruluşlarının ilgisini çekebilecek bir cihaz prototipi üretilmiş olacaktır. Proje çalışmalarından en az üç tane IEEE dergi makalesi, bir uluslararası ve bir ulusal konferans bildirisi üretilmesi hedeflenmektedir