DC DC Dönüştürücüler & Buck  Dönüştürücü # Bölüm 6

DC DC Dönüştürücüler & Buck Dönüştürücü # Bölüm 6

Bir DC voltajını farklı bir DC voltaj seviyesine dönüştüren ve genellikle regüle edilmiş bir çıkış sağlayan güç elektroniği devreleridir. Bu bölümde anlatılan devreler de güç kaynakları veya anahtarlayıcıları anahtarlama denir, anahtarlamalı DC-DC dönüştürücüler olarak sınıflandırılır. Bu bölümde bazı temel DC-DC dönüştürücü devreleri açıklanmaktadır. # Bölüm 7, birçok DC güç kaynağı tasarımında kullanılan bu devrelerin bazı ortak varyasyonlarını açıklar.

6.1 LİNEER GERİLİM REGÜLATÖRLERİ

Anahtarlamalı mod dönüştürücüleri ele almadan önce, # Bölüm 1‘de tanıtılan doğrusal DC-DC dönüştürücüler alternatif dürtüsünü gözden geçirmek yararlı olacaktır. Bir dc voltajını daha düşük bir dc voltajına dönüştürmenin bir yöntemi, Şekil 6-1’de gösterildiği gibi temel bir devredir. Çıkış voltajı

V_o = I_L*R_L

yük akımının transistör tarafından kontrol edildiği yer. Transistör temel akımını ayarlayarak, çıkış voltajı yaklaşık 0 ile 1 arası, aralıkta kontrol edilebilir. Bu tip devreye doğrusal DC-DC dönüştürücü veya lineer regülatör denir çünkü transistör doygunluk veya kesme bölgeleri yerine lineer bölgede çalışır. Etkili transistör, değişken bir direnç olarak çalışır.
Bu, bir DC besleme voltajını daha düşük bir DC voltajına dönüştürmenin ve çıkışı düzenlemenin basit bir yolu olsa da, bu devrenin düşük verimliliği, güç uygulamaları için ciddi bir dezavantajdır. Yük tarafından emilen güç V_o*I_L‘dir ve

Şekil 6-1 Temel bir lineer regülatör.

transistör tarafından emilen güç V_CE I_L‘dir, küçük bir baz akımı varsayarak. Transistördeki güç kaybı bu devreyi verimsiz kılar. Örneğin, çıkış voltajı giriş voltajının dörtte biri ise, yük direnci kaynak gücünün dörtte birini emer, bu yüzde 25’lik bir verimliliktir. Transistör, kaynak tarafından sağlanan gücün diğer yüzde 75’ini emer. Daha düşük çıkış voltajları, daha da düşük verimliliklerle sonuçlanır. Bu nedenle, doğrusal voltaj regülatörü yalnızca düşük güç uygulamaları için uygundur.

6.2 TEMEL BİR ANAHTARLAMA DÖNÜŞTÜRÜCÜ

Lineer regülatöre karşı etkili bir alternatif, anahtarlama dönüştürücüsüdür. Anahtarlamalı dönüştürücü devresinde, transistör, tamamen açık veya tamamen kapalı olarak elektronik bir anahtar olarak çalışır (bir BJT veya bir MOSFET’in triyot ve kesim bölgeleri için doygunluk veya kesme). Bu devre aynı zamanda DC kıyıcı olarak da bilinir. Şekil 6-2’deki anahtarın ideal olduğunu varsayarsak, çıkış, anahtar kapatıldığında giriş ile aynıdır, ve anahtar açıldığında çıkış sıfırdır. Periyodik

Şekil 6-2
(a) Temel bir DC-DC anahtar dönüştürücü;
(b) Anahtarlama eşdeğeri;
(c) Çıkış voltajı.

Anahtarın açılması ve kapanması Şekil 6-2c’de gösterilen darbe çıkışıyla sonuçlanır. Çıkış voltajının ortalama değer veya dc bileşeni

V_o = (1 / T)*∫₀^T v₀(t)*dt = (1 / T)*∫₀^DT V_s*dt = V_sD (Şekil 6-1)

Çıkış voltajının DC bileşeni görev oranının ayarlanmasıyla kontrol edilmektedir D, anahtarın kapalı olduğu anahtarlama süresinin kesri

D ≡ (t_on / (t_on + t_off)) = t_on / T = t_onƒ (Şekil 6-2)

ƒ anahtarlama frekansıdır. Çıkış voltajının DC bileşeni, bu devre için giriş voltajına eşit veya daha az olacaktır. İdeal anahtar tarafından emilen güç sıfırdır. Anahtar açık olduğunda, İçinde hiç akım yoktur; anahtar kapatıldığında, üzerinde voltaj yoktur. bu nedenle tüm güç yük tarafından emilir ve enerji verimliliği yüzde 100’dür. Gerçek bir anahtarda kayıplar meydana gelecektir, çünkü açıkken üzerindeki voltaj sıfır olmayacaktır, ve bir durumdan diğerine geçiş yaparken anahtar lineer bölgeden geçmelidir.

6.3 Buck (Düşürücü) DÖNÜŞTÜRÜCÜ

Şekil 6-2c’deki tipte bir darbeli çıkış geriliminin DC bileşenini kontrol etmek bazı uygulamalar için yeterli olabilir, bir dc motorun hızını kontrol etmek gibi, ancak çoğunlukla amaç tamamen dc olan bir çıktı üretmektir. Şekil 6-2a’daki devreden bir DC çıkışı elde etmenin bir yolu, anahtardan sonra bir alçak geçiren filtre yerleştirmektir. Şekil 6-3a, temel dönüştürücüye eklenen bir LC düşük geçiş filtresini gösterir. Diyot, anahtar açıldığında indüktör akımı için bir yol sağlar ve anahtar kapatıldığında ters yönlüdür. Çıkış voltajı girişten daha düşük olduğu için bu devreye bir kova dönüştürücü veya bir düşürücü dönüştürücü denir.

Gerilim ve Akım İlişkileri

Düşük geçişli filtre ideal ise, çıkış voltajı, filtreye giriş voltajının ortalamasıdır. Filtre girişi, Şekil 6-3a’daki v_x, anahtar kapalıyken V_s‘dir ve anahtar açıkken sıfırdır, indüktör akımının pozitif kalması ve diyotu açık tutması şartıyla. Anahtar periyodik olarak D görev oranında kapatılırsa, filtre girişindeki ortalama gerilim Denklemde olduğu gibi V_sD’dir. (6-1).

Bu analiz, diyotun anahtar açıkken tüm süre boyunca ileriye dönük kaldığını varsayar, bu da indüktör akımının pozitif kaldığını gösterir. Anahtarlama süresi boyunca pozitif kalan bir indüktör akımı, sürekli akım olarak bilinir. Tersine, sürekli olmayan akım, indüktör akımının her periyotta sıfıra dönmesiyle karakterize edilir.

Şekil 6-3
(a) Buck DC-DC dönüştürücü;
(b) Kapalı anahtar için eşdeğer devre;
(c) Anahtar açık için eşdeğer devre.

Şekil 6-3a’daki Buck dönüştürücünün çalışmasını analiz etmenin bir başka yolu, indüktör voltajını ve akımını incelemektir. Bu analiz yöntemi, filtrenin tasarlanması ve bu bölümde daha sonra sunulacak devrelerin analiz edilmesi için yararlı olacaktır.

Buck dönüştürücüler ve DC-DC dönüştürücüler, sabit durumda çalışırken genel olarak aşağıdaki özelliklere sahiptir:

1. İndüktör akımı periyodiktir.
   i_L*(t + T) = i_L(t)
   (Şekil 6-3)
2. Ortalama indüktör voltajı sıfırdır (bkz. Bölüm 2.3).
   V_L = (1/T)*∫_t^t+T V_L(λ)dλ = 0
   (Şekil 6-4)
3. Ortalama kapasitör akımı sıfırdır (bkz. Bölüm 2.3).
   I_C = (1/T)*∫_t^t+T i_C(λ)dλ = 0
   (Şekil 6-5)
4. Kaynak tarafından sağlanan güç, yüke verilen güç ile aynıdır. İdeal olmayan bileşenler için, kaynak aynı zamanda kayıpları da sağlar.
   P_s = P_o -> ideal
   P_s = P_o + P_losses -> ideal değil
   (Şekil 6-6)

Şekil 6-3a’daki Buck dönüştürücünün analizi şu varsayımları yaparak başlar:

1. Devre, sabit durumda çalışıyor.
2. İndüktör akımı süreklidir (her zaman pozitiftir).
3. Kapasitör çok büyüktür ve çıkış voltajı V_o voltajında sabit tutulur. Bu kısıtlama, sonlu kapasitansın etkilerini göstermek için daha sonra gevşetilecektir.
4. Anahtarlama periyodu T; anahtar DT süresi için kapalıdır ve (1-D) T süresi için açıktır.
5. Bileşenler idealdir.

V_o çıkışını belirlemek için anahtar analizinde, önce anahtar kapalı ve sonra açık anahtar için indüktör akımını ve indüktör voltajını incelemektir. Bir periyot boyunca indüktör akımındaki net değişim, kararlı durum da çalışması için sıfır olmalıdır. Ortalama indüktör voltajı sıfırdır.

Kapalı Anahtarın Analizi

Şekil 6-3a’daki Buck dönüştürücü devresinde anahtar kapatıldığında, diyot ters yönlüdür ve Şekil 6-3b eşdeğer bir devredir. İndüktör üzerindeki voltaj

V_L = V_s – V_o = (L*di_L)/dt

Yeniden düzenlersek,

di_L/dt = (V_s-V_o) / L anahtar kapalı

Akımın türevi pozitif bir sabit olduğundan, akım, Şekil 6-4b’de gösterildiği gibi daha erken artar. Anahtar kapalıyken akımdaki değişim, önceki denklem değiştirilerek hesaplanır.

di_L/dt = ∆i_L /∆t = ∆i_L / D*T = (V_s – V_o) / L
(∆i_L)_closed = ((V_s – V_o) / L)*D*T
(Şekil 6-7)

Şekil 6-4 Buck dönüştürücü dalga biçimleri:
(a) Endüktör voltajı;
(b) Endüktör akımı;
(c) Kondansatör akımı.

Açık Anahtar için Analiz

Anahtar açık olduğunda, diyot, indüktör akımını taşımak için ileri yönlü hale gelir ve Şekil 6-3c’deki eşdeğer devre uygulanır. Anahtar açıkken indüktör üzerindeki voltaj

V_L = – V_o = (L*di_L)/dt

Yeniden düzenlersek,

di_L/dt = -V_o / L anahtar açık

İndüktördeki akımın türevi negatif bir sabittir ve akım Şekil 6-4b’de gösterildiği gibi doğrusal olarak azalır. Anahtar açıkken indüktör akımındaki değişiklik

∆i_L /∆t = ∆i_L / (1-D)*T = – V_o / L
(∆i_L)_open = (- V_o / L)*(1-D)*T
(Şekil 6-8)

ÖRNEK 6-1

Buck Dönüştürücü

Kondansatör Direnci – Dalgalanma Gerilimi Üzerindeki Etki

Buck Dönüştürücü için Senkron Düzeltme

6.4 TASARIM HUSUSLARI

ÖRNEK 6-2

Buck Dönüştürücü Tasarımı 1

Güç Elektroniği İle İlgili Diğer Yazılarımız

• Güç Elektroniği Formülleri & Denklemleri
• Güç Elektroniği Giriş (Introduction) # Bölüm 1
• Güç Hesaplamaları (Power Computations) # Bölüm 2
• Yarım Dalga Doğrultucular (Half-Wave Rectifiers) # Bölüm 3
• Tam Dalga Doğrultucular (Full-Wave Rectifiers) # Bölüm 4
• AC Voltaj Kontrolörleri (AC Voltage Controllers) # Bölüm 5
• DC Güç Kaynakları (DC Power Supplies) # Bölüm 7
• İnvertörler (Inverters) # Bölüm 8
• Rezonans Dönüştürücüler (Resonant Converters) # Bölüm 9
• Sürücü Devreleri, Snubber Devreleri ve Isı Emiciler (Drive Circuits, Snubber Circuits, and Heat Sinks) # Bölüm 10
• Fourier Serisi (Fourier Series for Some Common Waveforms) # Ek Bölüm A
• Durum Uzayı Ortalaması (State-Space Averaging) # Ek Bölüm B

---

Kaynak : Power Electronics – D. Hart (McGraw-Hill, 2010) BBS

https://www.academia.edu/36742714/Power_Electronics_D_Hart_McGraw_Hill_2010_BBS

---

EK KAYNAKLAR

• KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü : Power Electronic Circuits (Güç Elektroniği Devreleri)
• 320Volt.com

www.cihancalli.com.tr Adresindeki Güç Elektroniği Yazıları

• The Little Cat
  by admin
  30 May 2024