Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması

DAĞ, Bülent; Tamyürek, Bünyamin; TURAN, Enes; AYDEMİR, M.Timur

Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması

Enes TURAN, (Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği , 06570, ANKARA)

Bülent DAĞ, (Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği , 06570, ANKARA)

Bünyamin TAMYÜREK, (Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği , 06570, ANKARA)

M.Timur AYDEMİR (Kadir Has Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği, 34083, İSTANBUL)

Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji

11 5

Yıl: 2021 Cilt: 9 Sayı: 2 Sayfa Aralığı: 317 - 334 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 04-11-2021

Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması

Öz:

Bu çalışmada yeni nesil yüksek gerilim kazançlı ve izoleli Z-kaynak da-da dönüştürücü için Kfaktör tasarım yöntemi kullanılarak analog denetleyici tasarımı ve uygulaması yapılmıştır.Denetleyici devresi ile oluşturulan kapalı çevrim dönüştürücü sistemi giriş geriliminde ve yüktebelirli sınırlar içerisinde değişim meydana gelmesine rağmen dönüştürücü çıkışında sabit çıkışgerilimi elde edilmesini sağlar. Denetleyici devresini tasarlamak için kullanılan K-faktörtasarım yöntemi ile geri besleme devresinin tasarımı belirli bir matematiksel denklem akışı ileelde edilir. Denetleyici devresinin elemanlarını hesaplamak için kullanılan matematiksel yöntemkapalı çevrim sistemin güvenilirliğini arttırmaktadır. Bu çalışmada ilk olarak K-faktör tasarımyöntemi ile yeni nesil bir Z-kaynak da-da dönüştürücü topolojisinin kapalı döngü denetimininteorik çalışması yapılmıştır. İkinci olarak PLECS de teorik çalışma sonuçları benzetim çalışmasıyapılarak incelenmiştir. Son olarak deneysel çalışma da yapılarak benzetim sonuçları vedeneysel sonuçlar karşılaştırılmıştır. Benzetim çalışması ve deneysel çalışma sonuçları K-faktörtasarım yöntemi ile oluşturulan denetleyicinin çıkış gerilimini denetim altına alabildiğinigöstermiştir. Sonuç olarak K-faktör tasarım yöntemi ile yeni nesil bir da-da dönüştürücü içingüvenilir bir kontrol yöntemi oluşturulabileceği gösterilmiştir.

Anahtar Kelime:

Design and Implementation of an Analog Controller Based on K-Factor Design Method for a Novel Isolated Z-Source DC-DC Converter with High Voltage Gain

Öz:

In this study, an analog controller design and implementation are performed by using the Kfactor design method for a novel isolated Z-source dc-dc converter with high voltage gain. The closed loop converter system created by the controller circuit ensures a constant output voltage at the converter output although there is a step change in input voltage and load within certain limits. The K-factor design method used to design the controller circuit allows obtaining the design of the feedback circuit with a certain flow of mathematical equations. The mathematical method used to calculate the controller circuit elements increases the reliability of the closed loop system. In this study, firstly, theoretical study of a closed loop control of a novel Z-source dc-dc converter topology is completed with K-factor design method. Secondly, the theoretical study results are analyzed by implementing a simulation study in PLECS. Lastly, by conducting an experimental study, simulation results and experimental results are compared. The results of the simulation study and experimental study demonstrates that the controller generated with the K-factor design method controls the output voltage. As a result, it has been demonstrated that a reliable control method is created for a new generation dc-dc converter with the K-factor design method

Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık

[1] Soheli, S.N., Sarowar, G., Hoque, A., Hasan, S. (2018). Design and Analysis of a DC-DC Buck Boost Converter to Achieve High Efficiency and Low Voltage Gain by using Buck Boost Topology into Buck Topology. In 2018 International Conference on Advancement in Electrical and Electronic Engineering (ICAEEE), 1-4.
[2] Wu, T., Chen, Y. (1998). Modeling PWM DC/DC Converters Out of Basic Converter Units. IEEE Transactions on Power Electronics, 13(5), 870-881.
[3] Hendawi, E., Salem, M.M. (2016). A New Simple High Performance Control Method for DC-DC Converters. In 2016 Eighteenth International Middle East Power Systems Conference (MEPCON), 288- 292.
[4] Sakhavati, S., Babaei, E. (2016). Coupled Inductor Based Boost DC/DC Converter. In 2016 7th Power Electronics and Drive Systems Technologies Conference (PEDSTC), 191-196.
[5] Ding, X., Yu, D., Song, Y., Xue, B. (2018). Switched-Coupled Inductor DC-DC Converters. In 2018 IEEE International Conference on Industrial Electronics for Sustainable Energy Systems (IESES), 174- 179.
[6] Ma, H., Zhang, B., Qiu, D., Han, J., Ma, H. (2014). A Novel High Gain DC-DC Converter with Coupled Inductor Voltage Multiplier. In 2014 International Power Electronics and Application Conference and Exposition, 16-20.
[7] Khosroshahi, A.E., Shotorbani, A.M., Dadashzadeh, H., Farakhor, A., Wang, L. (2019). A New Coupled Inductor-Based High Step-Up DC-DC Converter for PV Applications. In 2019 20th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), 1-7.
[8] Lakshmi, K.R., Dhanasekaran, R. (2016). Design and Analysis of Coupled Inductor based High StepUp DC-DC Converter. In 2016 International Conference on Advanced Communication Control and Computing Technologies (ICACCCT), 827-831.
[9] Evran F. (2012). Yüksek Gerilim Kazançlı Kuplajlı Endüktör Kullanan Z-Girişli DA-DA Dönüştürücü Topolojileri, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
[10] Evran, F., Aydemir, M.T. (2012). A Coupled-Inductor Z-Source Based Dc-Dc Converter With High Step Up Ratio Suitable For Photovoltaic Applications. In 2012 3rd IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), 647-652.
[11] Evran, F., Aydemir, M.T. (2014). Isolated High Step-Up DC–DC Converter With Low Voltage Stress. IEEE Transactions on Power Electronics, 29(7), 3591-3603.
[12] Tür, M.R., Yaprakdal, F. (2020). Yenilenebilir Enerji Kaynaklarına Dayalı Bir Sistemde Güç Kalitesinin İncelenmesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 8(3), 572- 587.
[13] Narasimharaju, B.L., Dubey, S.P., Singh, S.P. (2010). Voltage Mode Control of Coupled Inductor Bidirectional DC to DC Converter. In 2010 IEEE International Conference of Electron Devices and Solid-State Circuits (EDSSC), 1-6.
[14] Veerachary, M., Pramoda, M. (2008). Digital PID Compensator Design For Coupled Inductor Boost Converter. In 2008 Joint International Conference on Power System Technology and IEEE Power India Conference, 1-5.
[15] Vaghela, M.A., Mulla, M.A. (2018). Peak Current Mode Control of Coupled Inductor based High Step-Up Gain Boost Converter. In 2018 8th IEEE India International Conference on Power Electronics (IICPE), 1-6.
[16] Carrero, N., Batlle, C., Fossas, E. (2014). Experimental Evaluation of a Cascade Sliding Mode-PI Controller for a Coupled-Inductor Boost Converter. In 2014 13th International Workshop on Variable Structure Systems (VSS), 1-6.
[17] Carrero, N., Batlle, C., Fossas, E. (2013). Cascade Sliding Mode-PID Controller for a CoupledInductor Boost Converter. In 2013 52nd IEEE Conference on Decision and Control, 3653-3658.
[18] Sharma, K., Palwalia, D.K. (2017). Robust Controller Design for DC-DC Converters Using Fuzzy Logic. In 2017 4th International Conference on Signal Processing, Computing and Control (ISPCC), 477- 481.
[19] Kurokawa, F., Maruta, H., Mizoguchi, T., Nakamura, A., Osuga, H. (2009). A New Digital Control DC-DC Converter with Multi–layer Neural Network Predictor. In 2009 International Conference on Machine Learning and Applications, 638-643.
[20] Mechernene, A., Alaoui, L.C., Zerikat, M., Benharir, N., Benderradji, H. (2013). VGPI Controller for High Performance Speed Tracking of Induction Motor Drive. In 2013 International Conference on Systems and Control, 472-477.
[21] Prasad, P.H.K., Rao, M.V.G. (2011). Control of DC-DC Converters. International Journal of Electrical Engineering, 4(1), 131-141.
[22] Vangari, A., Haribabu, D., Sakamuri, J.N. (2015). Modeling and Control of DC/DC Boost Converter using K-Factor Control for MPPT of Solar PV System. In 2015 International Conference on Energy Economics and Environment (ICEEE), 1-6.
[23] Mohan, N., Undeland, T.M., Robbins, W.P. (2003). Power Electronics Converters, Applications and Design. Control of Switch-Mode dc Power Supplies, John Wiley&Sons Inc., Third Edition.
[24] Venkataramana, S. (2020). Small Signal Modeling of Non-Isolated High Gain DC-DC converter. In 2020 International Conference for Emerging Technology (INCET), 1-5.
[25] Ramchandra, D.S., Sreedevi, V.T. (2013). Small Signal Analysis and Closed Loop Control Design of Z-source DC-DC Chopper. In 2013 International Conference on Advances in Recent Technologies in Communication and Computing, 424-430.
[26] D’Amico, M.B., Gonzalez, S.A. (2017). A small-signal averaged model of a coupled-inductor boost converter. In 2017 IEEE 8th Latin American Symposium on Circuits & Systems (LASCAS), 1-4.
[27] Liu, J., Hu, J., Xu, L. (2007). Dynamic Modeling and Analysis of Z SourceConverter—Derivation of AC Small Signal Model and Design-Oriented Analysis. IEEE Transactions on Power Electronics, 22(5), 1786-1796.
[28] Muhamad, N.D., Sahid, M.R., Yatim, A.H.M., Idris, N.R.N., Ayob, M.S. (2005). Design of Power Stage and Controller for DC-DC Converter Systems Using PSPICE. In 2005 International Conference on Power Electronics and Drives Systems, 903-908.

APA	TURAN E, DAĞ B, Tamyürek B, AYDEMİR M (2021). Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması. , 317 - 334.
Chicago	TURAN Enes,DAĞ Bülent,Tamyürek Bünyamin,AYDEMİR M.Timur Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması. (2021): 317 - 334.
MLA	TURAN Enes,DAĞ Bülent,Tamyürek Bünyamin,AYDEMİR M.Timur Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması. , 2021, ss.317 - 334.
AMA	TURAN E,DAĞ B,Tamyürek B,AYDEMİR M Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması. . 2021; 317 - 334.
Vancouver	TURAN E,DAĞ B,Tamyürek B,AYDEMİR M Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması. . 2021; 317 - 334.
IEEE	TURAN E,DAĞ B,Tamyürek B,AYDEMİR M "Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması." , ss.317 - 334, 2021.
ISNAD	TURAN, Enes vd. "Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması". (2021), 317-334.

APA	TURAN E, DAĞ B, Tamyürek B, AYDEMİR M (2021). Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 9(2), 317 - 334.
Chicago	TURAN Enes,DAĞ Bülent,Tamyürek Bünyamin,AYDEMİR M.Timur Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji 9, no.2 (2021): 317 - 334.
MLA	TURAN Enes,DAĞ Bülent,Tamyürek Bünyamin,AYDEMİR M.Timur Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, vol.9, no.2, 2021, ss.317 - 334.
AMA	TURAN E,DAĞ B,Tamyürek B,AYDEMİR M Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji. 2021; 9(2): 317 - 334.
Vancouver	TURAN E,DAĞ B,Tamyürek B,AYDEMİR M Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji. 2021; 9(2): 317 - 334.
IEEE	TURAN E,DAĞ B,Tamyürek B,AYDEMİR M "Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması." Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 9, ss.317 - 334, 2021.
ISNAD	TURAN, Enes vd. "Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması". Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji 9/2 (2021), 317-334.