YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARINA SAHİP EVSEL UYGULAMALAR İÇİN HİBRİT ANAHTARLI BİR DA/AA DÖNÜŞTÜRÜCÜNÜN FARKLI GÜÇ KOŞULLARI ALTINDAKİ PERFORMANS ANALİZİ

Yıl 2025, Cilt: 13 Sayı: 2, 480 - 493, 27.06.2025

Hakan Akça , Uğur Savaş Selamoğulları

https://doi.org/10.21923/jesd.1671756

Öz

Bu çalışmada, yenilenebilir enerji kaynaklarının konutlarda verimli kullanımı için hibrit anahtar yapısına sahip bir da/aa dönüştürücü ve kontrol yöntemi incelenmiştir. Konut uygulamalarında, elektrik güç talebinin büyük oranda 500 W ve altında kalması nedeniyle bu tip sistemlerde kullanılacak da/aa dönüştürücünün düşük güçlerde yüksek verimliliğe sahip olması kritik bir önem taşımaktadır. Da/aa devlerinde yaygın olarak kullanılan IGBT anahtarı yerine paralel IGBT-MOSFET kombinasyonu ile beraber yük akımı geri besleme yöntemi kullanılarak düşük güç seviyelerinde ve farklı güç faktörlerinde verimlilik artırılmıştır. Analizlerde maksimum güç talebinin yanı sıra günlük yük değişkenliği de dikkate alınmıştır. Örneğin, 100 W gibi düşük bir güç seviyesinde hibrit anahtar kullanımı, yalnızca IGBT kullanımına kıyasla güç faktörü 1,00 ve 0,85 için sırasıyla %6,3 ve %8,0 oranında verim artışı sağlamıştır. Bu durum, hibrit anahtar yapısının yalnızca yüksek değil, aynı zamanda düşük güç faktörü koşullarında da avantaj sağladığını ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler

Yenilenebilir Enerji , DA/AA Dönüştürücü , Hibrit Anahtar , Güç Faktörü , Düşük Güç Verimliliği.

Destekleyen Kurum

Yıldız Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü

Proje Numarası

2010-04-02-KAP03

Teşekkür

Bu çalışma, Yıldız Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü tarafından 2010-04-02-KAP03 nolu proje kapsamında desteklenmiştir.

PERFORMANCE ANALYSIS OF A HYBRID-SWITCHING DC/AC CONVERTER USED IN RENEWABLE ENERGY SUPPLIED HOUSES UNDER DIFFERENT POWER CONDITIONS

Öz

In this study, a hybrid switch-based dc/ac converter and its control method are investigated for the efficient utilization of renewable energy sources in residential applications. Since the power demand in residential systems often remains below 500 W, achieving high efficiency at low power levels is critically important for dc/ac converters used in such systems. Instead of a conventional IGBT switch, a parallel IGBT-MOSFET combination along with a load current feedback method is employed to improve efficiency under low power levels and varying power factor conditions. In the analysis, not only the maximum power demand but also the daily load variability is taken into account. For example, at a low power level of 100 W, the hybrid switch configuration achieves an efficiency improvement of 6,3% and 8,0% compared to IGBT-only usage for power factors of 1,00 and 0,85, respectively. This indicates that the hybrid switch structure provides advantages both under high power factor conditions and under low power factor conditions.

Anahtar Kelimeler

Renewable Energy , DC/AC Converter , Hybrid Switch , Power Factor , Light Load Efficiency.

Proje Numarası

2010-04-02-KAP03

Kaynakça

• Akça, H., Ayaz, R., 2024. Fotovoltaik Sistem Entegreli Elektrikli Araç Şarj Sistemlerinde Optimum Kapasitenin Belirlenmesi, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 12(3), 476–487.
• Akca, H. ve Selamogullari, U. S., 2013. Hybrid switch use for light load efficiency improvement of a power inverter for stand-alone residential renewable energy system, 15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), Lille, Fransa, ss. 1–6.
• Anderson, H. C., Hadi, A.A., Jones, E. S. ve Ionel, D. M., 2012. Power Factor and Reactive Power in US Residences – Survey and EnergyPlus Modeling, 10th IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications, September 26-29, 2021, Istanbul, TURKEY
• Blaabjerg, F., Chen, Z. ve Kjaer, S. B. (2004). Power electronics as efficient interface in dispersed power generation systems. IEEE Transactions on Power Electronics, 19(5), 1184–1194.
• Deshpande, A., Paul, R., Emon, A. I., Yuan, Z., Peng, H., ve Luo, F., 2022. Si-IGBT and SiC-MOSFET hybrid switch-based 1.7 kV half-bridge power module. Power Electronic Devices and Components, 3, 100020.
• Hu, Z., Xu, J., Wang, Y., He, Z., Yuan, X., Wang, J. ve Shen, Z. J., 2023. Comparative Study on the Characteristics of SiC FET–Si IGBT and SiC MOSFET–Si IGBT Hybrid Switches. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 11(2), ss. 1749–1761.
• Hu, Z., Wang, Y., He, Z., Xu, J., Wang, J. ve Shen, Z. J., 2024. Research on Characteristics of SiC FET–Si IGBT and SiC MOSFET–Si IGBT Hybrid Switches. IEEE Transactions on Power Electronics, 39(2), ss. 2902–2914.
• Jiang, X., Jiang, H., Zhong, X., Mao, H., Wu, Z., Tang, L., Chen, H., Cheng, J. ve Ran, L., 2022. Impact of gate resistance on improving the dynamic overcurrent stress of the Si/SiC hybrid switch, IEEE Transactions on Power Electronics, 37(11), 13319–13330.
• Jin, M., Zhang, C., Wang, J., Hu, B., Yin, X. ve Shen, Z. J., 2024. A Si/SiC Hybrid Full-Bridge Inverter and Its Modulation Scheme. IEEE Transactions on Power Electronics, 39(3), ss. 3425–3437.
• Li, Z., Zhang, C., Yu, J., Hu, B., He, Z., Wang, J. ve Shen, Z. J., 2022. Dynamic gate delay time control of Si/SiC hybrid switch for loss minimization in voltage source inverter, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 10(4), 4227–4238.
• Li, N., Macavilca, M. B., Wu, C., Finney, S. ve Judge, P. D., 2024. Converter topology for megawatt scale applications with reduced filtering requirements, formed of IGBT bridge operating in the 1000 Hz region with parallel part-rated high-frequency SiC MOSFET bridge, IEEE Transactions on Power Electronics, 39(1), 799–812.
• Liu, P., Liu, Y., Cao, Q., Xiao, B., Tang, M., Tu, C. ve Yu, B., 2025. Active gate driver for current overshoot suppression of SiC+Si hybrid switches with dynamic gate current regulation. Microelectronics Reliability, 168, 115689.
• Long, L., Xiao, F., Tu, C., Guo, Q, Xiaq, B., Liu, P. ve Blaabjerg, F., 2024. Adaptive Multipattern Inverter Control of Si/SiC Hybrid Switches Based on Safe Operating Range Characteristics. IEEE Journal Of Emerging And Selected Topics In Power Electronics, (12) 6, 5828-5838.
• Marinov, A. ve Valchev, V., 2009. Power loss reduction in electronic inverters through IGBT-MOSFET combination. The 6th International Conference on Mining Science & Technology, 1539-1543.
• Oneill, M. 2004. Silicon carbide MOSFETs challenge IGBTs. www.powerelectronics.com
• Selamogullari, U. S., Torrey, D. A. ve Salon, S., 2010. A systems approach for a stand-alone residential fuel cell power inverter design, IEEE Transactions on Energy Conversion, 25(3), 741–749.
• Selamoğulları, U. S., 2020. Yenilenebilir enerji kaynaklarına sahip bir evin talep karakteristiğine uygun bir inverter tasarımının incelenmesi, Politeknik Dergisi, 2020; 23(2) : 257-265.
• Stecca, M., Tan, C., Xu, J., Soeiro, T. B., Bauer, P. ve Palensky, P., 2022. Hybrid Si/SiC switch modulation with minimum SiC MOSFET conduction in grid connected voltage source converters, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 10(4), 4275–4287.
• Qin, H., Xiw, S., Ba, Z., Liu, X., Chen, W., Fu, D. ve Xun, Q., 2023. Evaluation and Suppression Method of Turn-Off Current Spike for SiC/Si Hybrid Switch. IEEE Access, (11)2023, 26832-26842.
• Xiao, B., Guo, Q., Tu, C., Xiao, F., Liu, P., Long, L., ve Blaabjerg, F., 2024. A Novel Switching Strategy Based on the Driving Voltage and Switching Sequence for Si/SiC Hybrid Switch, IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 71, No. 11.
• Xu, C., He, J. ve Lin, L., 2021. Research on capacitor-switching semi-full-bridge submodule of modular multilevel converter using Si-IGBT and SiC-MOSFET, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 9(4), 4385–4396.
• Wang, Y., Chen, M. ve Xu, D., 2022. Design of low inductance SiC-MOS/Si-IGBT hybrid module for PV inverters, IEEE Open Journal of Power Electronics, 3, 942–954.
• Woldegiorgis, D., Hossain, M. M., Saadatizadeh, Z., Wei, Y. ve Mantooth, H. A., 2023. Hybrid Si/SiC switches: A review of control objectives, gate driving approaches and packaging solutions, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 11(2), 1737–1752.
• Yin, T., Lin, L., Shi, X. ve Jing, K.,2023. A Si/SiC hybrid full-bridge submodule for modular multilevel converter with its control scheme. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 11(1), 327–339.
• Zhang, C., Qu, K., Hu, B., Wang, J. Yin, X. (2022). A High-Frequency Dynamically Coordinated Hybrid Si/SiC Interleaved Totem-Pole PFC Converter, IEEE Journal Of Emerging And Selected Topics In Power Electronics, (10)2, 2088-2100.
• Zhang, C., Yuan, X., Wang, J., Hu, B., Liu, Z. ve Shen, Z. J., 2024. Si/WBG hybrid half-bridge converter using coupled inductors for power quality improvement and control simplification, IEEE Transactions on Power Electronics, 39(3), 3339–3350.