Havacılık Uygulamalarında Düzlemsel Transformatörlü LLC Şarj Cihazının Simülasyonu ve Gerçekleştirilmesi

Abstract

Bu tez, 270 VDC baraya bağlı uçak bataryaları için yüksek verimli ve geniş regülasyon aralığına sahip bir LLC rezonanslı şarj cihazının uçtan uca tasarımını, sayısal denetimini, simülasyonunu ve deneysel doğrulamasını sunar. Havacılıkta kütle/hacim kısıtları ve güvenilirlik hedefleri nedeniyle yumuşak anahtarlama ve yükseltici çalışma yeteneği olan topolojiler gereklidir; bu bağlamda CC/CV (Sabit Akım / Sabit Gerilim) profilini doğal olarak destekleyen LLC topolojisi seçilmiştir. Tasarım, batarya dayatmaları ve 270 VDC giriş arayüzüyle tanımlanan gereksinimlerden başlayarak rezonant tankın kazanç eğrileri üzerinden m (Endüktans oranı), Q (Kalite faktörü) ve Rac (Eşdeğer AC direnci) parametrelerinin çıkarımıyla boyutlandırılmasını içerir. fr seçimi sonrası Lr (Rezonans endüktansı), Cr (Rezonans kapasitansı), Lm (Manyetik endüktansı) değerleri hesaplanmış, pratik bileşen seçimleriyle güncellenmiştir. Yüksek frekanslı planar transformatör için seçim kriterleri belirtilmiş, anahtarlama elemanları olarak uygun Si/SiC cihazları değerlendirilmiştir. Çıkış doğrultma mimarisi hem verimi artıracak hem de dijital kontrol ile rahatlıkla yönetilebilecek şekilde seçilmiştir. Denetimde frekans modülasyonu temelli bir mimari ve PI kontrolcü kullanılmış; darbeli frekans modülatörü ile kapalı çevrim akım/gerilim regülasyonu gerçekleştirilmiştir. Kurulan modelle rezonans, üstü ve altı çalışma bölgeleri analiz edilmiş; simülasyon sonunda, topolojinin ve kurulan dijital kapalı çevrim kontrolün batarya sarjına uyumlu davrandığı görülmüştür. Deneysel çalışma, laboratuvar prototipi üzerinde yumuşak anahtarlama koşullarını, kazanç–frekans davranışını ve CC/CV regülasyonunu doğrular. Seçilen mimarinin verim ve çalışma aralığı hedeflerini karşıladığı görülür. Bölüm 1: Proje amacı ve literatür tarama, Bölüm 2: Havacılıkta elektrifikasyon motivasyonu, batarya tarihi, şarj sistemlerinin önemi ve rezonanslı çevirici tercihinin gerekçesi açıklar Bölüm 3: 270 VDC giriş ve batarya kaynaklı gereksinimler, topoloji seçiminin dayanaklarını belirtir. Bölüm 4: Güç ve kontrol/veri akışı için yüksek seviyeli mimari ve blok diyagramları göstermektedir. Bölüm 5: LLC yapısı, rezonant tank denklemleri ve akışı; Lr, Cr, Lm hesaplanması, planar transformatör ve yarıiletken/doğrultma seçimi gibi konuları ayrıntılı şekilde açıklar. Bölüm 6: Sayısal denetleyici platformu, frekans modülasyonu ve PI tabanlı kapalı çevrim tasarımını anlatır. Bölüm 7: Simülasyon kurulumu, kazanç eğrisi çıkarımı ve CC/CV performans analizlerini gösterir. Bölüm 8: Prototip üzerinde gerçekleştirilen testlerin sonuçlarını içerir.This thesis presents the end-to-end design, digital control, simulation, and experimental validation of a high-efficiency LLC resonant charger with a wide regulation range for aircraft batteries interfaced to a 270 VDC bus. Driven by stringent mass/volume constraints and reliability targets in aviation, soft-switching and step-up capability are required; the LLC topology is therefore adopted as it natively supports CC/CV (Constant Voltage/ Constant Current) charging. The design proceeds from battery-imposed requirements and the 270 VDC input interface. The resonant tank is dimensioned by extracting m (Inductance ratio), Q (Quality factor), and R_ac (Equivalent AC resistance) from voltage-gain curves. After selecting fr (Resonant frequency), Lr (Resonant inductance), Cr (Resonant capacitance), and Lm (Magnetizing inductance) are computed and then refined with practical component choices. Selection criteria for a high-frequency planar transformer are defined, suitable Si/SiC switching devices are assessed, and the output rectification architecture is chosen to maximize efficiency and to interface cleanly with digital control. Control uses frequency modulation with a PI regulator to realize closed-loop current and voltage regulation via a pulse-frequency modulator. Operation at, above, and below resontracksis analyzed in simulation; the results show that the topology and the implemented digital closed loop track the CC/CV profile appropriately for battery charging. Experimental work on a laboratory prototype confirms soft-switching conditions, the gain–frequency behavior, and CC/CV regulation. The measurements meet the targeted efficiency and operating range, and they align with the simulated trends. Chapter 1 explains the project aim and literature survey, Chapter 2 motivation for aviation electrification, battery history, the role of charging systems, and the rationale for resonant conversion. Chapter 3 states, the 270 VDC and battery-driven requirements, and the basis for topology selection. Chapter 4 presents the high-level architecture and block diagrams for power and control/data flow. Chapter 5 details the LLC structure, resonant-tank equations and workflow, computation of Lr, Cr, Lm, and the transformer, semiconductor, and rectification choices. Chapter 6 describes the digital controller platform, frequency-modulation strategy, and PI-based closed-loop design. Chapter 7 reports the simulation setup, gain-curve extraction, and CC/CV performance analyses. Chapter 8 provides prototype test results.