1-DC-DC ÇEVİRİCİLERE GİRİŞ:ALÇALTICI ÇEVİRİCİ

Buck Converter devresinin analizine girmeden önce güç elektroniğinde kullanılan temel kavramları açıklamakta fayda görüyorum.



Yukarıda verilen PWM(Pulse Width Modulation) işaretini elektroniğin bir çok alanında etkin bir şekilde kullanmaktayız. Özellikle güç elektroniği alanında elektrik enerjisini kontrol etmek için PWM tekniğinden faydalanıyoruz.

Burada DutyCycle(Görev Düngüsü) kavramından bahsedelim. Matematiksel olarak belirtildiği üzere işaretin HIGH level olduğu sürenin, işaretin periyoduna oranı diyebiliriz kısaca.

Şimdi bir yarıiletkenin (BJT/MOSFET/IGBT) kapı yada baz kısmına yanda belirtilen PWM işaretini uyguladığımızı düşünelim. Ton süresi boyunca anahtar iletimde Toff süresi boyunca ise anahtar kesimdedir.

Yani anahtar üzerinden geçen akımın şiddetini, DutyCycle değerini değiştirerek kontrol etme imkanına sahibiz.İşte bu temel üzerine çeşitli topolojilerde devreler geliştirerek, elektrik güç akışını kontrol etmekteyiz.

Şimdi Alçaltıcı çevirici (Buck Converter) tasarımına başlayalım. Aşağıda Alçaltıcı DC-DC çevirici şematik devresi verilmiştir.



Devreyi analiz etmeden önce, sürekli ve süreksiz akım iletim modlarından bahsetmek istiyorum.

Sürekli Akım İletim Modu: Devrede bulunan L endüktansının akımının sürekli olduğu çalışma moduna, Sürekli Akım İletim Modu (Continuous Conduction Mode (CCM)) adı verilir.

Süreksiz Akım İletim Modu: Devrede bulunan L endüktansının akımının 0 A değerine düşüp tekrar yükseldiği çalışma moduna, Süreksiz Akım İletim Modu (Discontinuous Conduction Mode (DCM)) adı verilir.

Her iki modunda farklı topolojilerde kullanılma durumu ve kendilerine göre avantaj ve dezavantajlı olduğu yerler vardır. Biz Buck Converter tasarımında “Sürekli Akım İletim Modu” tercih edeceğiz.



Matematiksel analizlere başlayalım. İlk olarak MOSFET’in iletimde olduğu Ton süresinde, KVL devre analiz methodunu uygularsak;

-Vinput + Vl + Vout=0 (Dnk. 1)   (Dnk. 1)
Vl=Vinput-Vout   (Dnk. 2)

MOSFET’in kesimde olduğu Toff süresinde, KVL devre analiz methodunu uygularsak;

Vl+Vout=0 (Dnk. 3)   (Dnk. 3)
Vl=-Vout    (Dnk. 4)

Sürekli hal durumunda endüktans üzerindeki gerilimin ortalama değeri sıfırdır. (Volt-Second Rule) Bu teoremden yararlanarak devrenin transfer fonksiyonunu çıkaralım.



Ton süresi boyunca ortalama değer;

(Vin-Vout)*Ton   (Dnk. 5)

Toff süresi boyunca ortalama değer;

(Vout)*Ton    (Dnk. 6)

Sonuç olarak Volt-Second Rule teoreminden anlaşılacağı üzere, Ton ve Toff süresi boyunca hesaplanan ortalama değerler birbirine eşittir

Vin*Ton-Vout*Ton=Vout*Ton    (Dnk. 7)

Vin*Ton = Vout(Ton+Toff)    (Dnk. 8)

(Vout/Vin) = Ton/(Ton+Toff)    (Dnk. 9)

Vout= Duty * Vin (Transfer Function)    (Dnk. 10)

Transfer fonksiyonundan (Dnk. 10) anlaşılacağı üzere bir DC-DC alçaltıcı çeviricide sürekli akım iletim modunda çıkış gerilimin ortalama değeri DutyCycle değerini kontrol ederek rahatklıkla ayarlanabilir.

Sonraki yazımda buck converter devresinin hesaplarını ve simulasyon sonuçlarını paylaşıyor olacağım.

Teşekkürler..................

Mesut ERDEN
Power Electronics Engineer

İçeriğe Gitmek İçin Tıklayın
2-ALÇALTICI ÇEVİRİCİ (Buck Converter) HESAPLAMALAR

Bir önceki yazımda DC-DC Alçaltıcı çeviricinin (Buck Converter) transfer fonksiyonunu hesap etmiştik. Bu yazıda ise devrede kullanılan her bir elemanın değerlerinin nasıl hesaplanacağından bahsedeceğiz.

Öncelikle devremizin parametrelerini belirleyelim.



Adım 1 Maksimum DutyCycle hesabı:    D= Vout/(Vin*verim)

D=12/(24*1)=0,5   Burada devrenin verimi %100 olarak seçilmiştir. Unutulmamalıdır ki , pratikte hiçbir devrenin verimi %100 olamaz. Pratik uygulamanızda bu devre için %90 verim almanız idealdir.

Adım 2 Bobin dalgalanma akımı hesabı: V=L*(di/dt) temel denklemi gereği indüktör üzerindeki akım zamana bağlı olarak doğrusal bir şekilde artar ya da azalır. Eğer sürekli akım modunda çalışmak istiyorsak bobin üzerindeki dalgalanma akımı ΔIL = (0.2 to 0.4) *IoutIL = (0.2 to 0.4) *Iout yani çıkış akımının maksimum yüzde 40 ı kadar, bobin üzerindeki akımın dalgalanmasına izin vermelisiniz. Aksi takdirde Süreksiz moda geçebilir ve devrenin tüm hesaplamalarını tekrar yapmak zorunda kalabilirsiniz. Ben %20 olarak seçiyorum.

Buradan ΔIL = 0.2 * 3 = 0.6 A IL = 0.2 * 3 = 0.6 A

Adım 3 Endüktans hesabı: L= (Vout*(Vinput-Vout))/((ΔIL = 0.2 * 3 = 0.6 A IL)*Fsw*Vinput)) Bu denklemden;

L=(12*(24-12))/(0.6*100000*24)

L=100uH

Adım 4 Diyot seçimi: Diyot üzrindeki harcanan gücünüzü azaltmak için Schottky diyot kullanmanızı tavsiye ederim. Hem hızlı olmaları hemde üzerine düşen gerilimin düşük olaması sebebiyle Schottky diyotlar güç elektroniğinde fazlaca kullanılmaktadır.

Diyot üzerinden geçen akımın ortalama değeri If_diode = Iout * (1-D) denklemi ile hesap edilir.

If_diode= 3 *(1-0,5) = 1,5 A

Ben MBR735 Schottky diyotunu seçtim. Bu diyotun çalışma koşulları Vf=0.5V If=7.5 A Maksimum ters dayanma gerilimi ise 35V tur. Aşağıda diyotun datasheet linki verilmiştir.

Diyot üzerinde harcanan güç Pdiode= If_diode* Vf = 1,5*0,5 = 750mW

datasheet dökümantasyonu için tıklayın

Adım 5 Çıkış kondansatör hesabı: Kondansatörler güç elektroniğinde çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır. Buck Converter devresinde ise çıkış gerilimini sabitlemek için kullanılmaktadır. Minumum kullanılması gereken kondanasatör değeri;

Cout_min= ΔIL = 0.2 * 3 = 0.6 A IL/(8 * Fsw * Vpp)

Cout_min= 0,6/(8*100000*0,05)

Cout_min=15uF

Adım 6 Çıkış gerilim dalgalanması hesabı: Bu aşamada kondansatörlerde ESR (Equilavent Series Resistance) yani eşdeğer seri direnç önem arz etmektedir. Bobin üzerindeki dalgalanan akım ile kapasitenin ESR değerinin çarpımı bize çıkış gerilim dalgalanmasını vermektedir.

Gerekli ESR değerini hesaplayalım.

Vpp= ΔIL = 0.2 * 3 = 0.6 A IL * ESR

ESR_max=50mV/0,6 = 83 mOhm olmalıdır.

Seri eşdeğer direncin(ESR) ne olduğunu araştırmayı size bırakıyorum .Aşağıda LTspice programı ile hesaplamış olduğum Buck Converter devresi ve devrenin simulasyon sonuçları görülmektedir.




Sonraki yazıda buluşmak üzere……...
Mesut ERDEN
Power Elecrtonics Engineer

İçeriğe Gitmek İçin Tıklayın