Askeri standartlarla uyumlu DC-DC dönüştürücü tasarımı

Abstract

This thesis investigates the design and implementation of a DC-DC converter compliant with military standards. Power electronic systems used in military applications are required to operate reliably under harsh environmental and electrical conditions such as high electromagnetic interference (EMI), voltage spikes and surges, and reverse polarity. Therefore, the developed DC-DC converter must ensure robust and stable operation under these challenging conditions. Within the scope of this study, the military standards MIL-STD-461G, MIL-STD-1275E, and MIL-STD-704F related to DC–DC converters are examined. To meet the EMI requirements defined by MIL-STD-461G, an EMI filter is designed and prototyped, and the design is validated through the MIL-STD-461G CE102 test. In addition, the frequency attenuation characteristics of the EMI filter are obtained using a Bode Analyzer, and the measurement results are compared with simulation outcomes. To satisfy the electrical and transient voltage requirements specified in MIL-STD-1275E and MIL-STD-704F, an input protection circuit consisting of spike protection, reverse polarity protection, and surge protection is designed and prototyped. The proposed protection circuit successfully passes the MIL-STD-1275E compliance tests. In order to achieve high efficiency over a wide input voltage range, a two-stage isolated DC–DC converter architecture is adopted instead of a single-stage isolated topology. The first-stage performs voltage regulation using a synchronous buck converter, while the second-stage provides galvanic isolation through a full-bridge converter with synchronous rectification. The proposed two-stage isolated DC-DC converter is modeled and simulated in the MATLAB Simulink environment. Finally, the obtained results are discussed and future work is outlined.

Bu tezde, askeri standartlarla uyumlu bir DC-DC dönüştürücü tasarımı ele alınmıştır. Askeri uygulamalarda kullanılan güç elektroniği sistemleri; yüksek EMI, zorlu elektriksel koşullar, ani gerilim darbeleri ve ters polarite gibi olumsuz çevresel ve elektriksel etkilere maruz kalmaktadır. Bu nedenle geliştirilen DC-DC dönüştürücünün söz konusu koşullar altında güvenilir ve kararlı bir şekilde çalışması gerekmektedir. Çalışma kapsamında, DC-DC dönüştürücüler için uygulanabilir olan MIL-STD-461G, MIL-STD-1275E ve MIL-STD-704F askeri standartları incelenmiştir. MIL-STD-461G standardında tanımlanan EMI gereksinimlerini karşılamak amacıyla bir EMI filtresi tasarlanmış, prototipi üretilmiş ve CE102 testi ile doğrulanmıştır. Ayrıca EMI filtresinin frekans-zayıflatma karakteristiği Bode Analyzer kullanılarak elde edilmiş, ölçüm sonuçları simülasyon verileriyle karşılaştırılmıştır. MIL-STD-1275E ve MIL-STD-704F standartlarının tanımladığı elektriksel ve geçici gerilim gereksinimlerini sağlamak için spike koruma, ters polarite koruma ve surge koruma devrelerinden oluşan bir giriş koruma yapısı tasarlanmış ve prototiplenmiştir. Prototipe uygulanan MIL-STD-1275E testleri sonucunda tasarımın standartları başarıyla karşıladığı gözlemlenmiştir. Geniş giriş gerilimi aralığında yüksek verim elde edebilmek amacıyla tek aşamalı izole DC-DC dönüştürücüler yerine iki aşamalı izole bir mimari tercih edilmiştir. İlk aşamada senkron buck dönüştürücü ile regülasyon sağlanmış, ikinci aşamada ise senkron doğrultuculu full-bridge dönüştürücü ile galvanik izolasyon gerçekleştirilmiştir. Önerilen sistem MATLAB Simulink ortamında modellenmiş ve simülasyon sonuçları değerlendirilmiştir. Tezin sonunda elde edilen sonuçlar yorumlanmış ve gelecekte yapılabilecek çalışmalar sunulmuştur.