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