ANAHTARLANAN KONDANSATÖRLÜ YUMUŞAK
advertisement
ANAHTARLANAN KONDANSATÖRLÜ YUMUŞAK ANAHTARLAMALI YARI KÖPRÜ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ Fatih EVRAN YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ OCAK 2008 ANKARA Fatih Evran tarafından hazırlanan ANAHTARLANAN KONDANSATÖRLÜ YUMUŞAK ANAHTARLAMALI YARI KÖPRÜ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ adlı bu tezin Yüksek Lisans Tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR ……………………………… Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik-Elektronik Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Ömer Faruk BAY ………………………………. Elektronik-Bilgisayar Eğitim Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi Yrd. Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR ………………………………. Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi Yrd. Doç. Dr. İres İSKENDER ………………………………. Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi Tarih: 2/1/2008 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Nermin ERTAN Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü ………………………………. TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Fatih EVRAN iv ANAHTARLANAN KONDANSATÖRLÜ YUMUŞAK ANAHTARLAMALI YARI KÖPRÜ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ (Yüksek Lisans Tezi) Fatih EVRAN GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ocak 2008 ÖZET Anahtarlamalı bir bastırıcı kondansatör yardımıyla yumuşak anahtarlama özelliğine sahip yarı köprü bir da/da dönüştürücünün analizi, tasarımı ve uygulaması gerçekleştirildi. Bu topoloji, güç anahtarların ve bastırıcı olarak kullanılan kondansatörlerin orta uçları arasına birbirlerine ters olarak yerleştirilen iki yardımcı anahtar kullanır. Bu yardımcı anahtarlar aşırı akım taşımazlar ve bu sebeple onların yüksek güçte olması gerekmez. Simülasyon ve deneysel sonuçlar kullandığımız yumuşak anahtarlamalı dönüştürücünün sert anahtarlamalı dönüştürücüden daha verimli olduğunu göstermektedir. Bilim Kodu : 905.1.038 Anahtar Kelimeler : Yarı köprü, da/da dönüştürücü, yumuşak anahtarlama, anahtarlama kayıpları, anahtarlamalı kondansatör Sayfa Adedi : 48 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR v SOFT SWITCHED HALF-BRIDGE DC-DC CONVERTER WITH SWITCHED CAPACITOR SNUBBER (M.Sc. Thesis) Fatih EVRAN GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY January 2008 ABSTRACT Analysis, design and implementation of a half-bridge dc-dc converter capable of soft-switching by the aid of a switched capacitor snubber is presented. The topology uses two reverse voltage blocking auxiliary switches placed between the center of the main leg and the center of the snubber capacitor leg. The auxiliary devices do not carry excessive currents and therefore do not have high ratings. Simulation and experimental results indicate that the soft switching converter is more efficient than the hardswitching one. Science Code : 905.1.038 Key Words : Half bridge, dc-dc converter, soft switching, switching losses, switced capacitor Page Number : 48 Adviser : Assist. Prof. M. Timur AYDEMİR vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Yrd. Doç. Dr. M. Timur AYDEMİR’e, manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan sevgili aileme teşekkürü bir borç bilirim. vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET .......................................................................................................................... iv ABSTRACT................................................................................................................ v TEŞEKKÜR................................................................................................................vi İÇİNDEKİLER .......................................................................................................... vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ....................................................................................... ix ŞEKİLLERİN LİSTESİ ..............................................................................................x RESİMLERİN LİSTESİ ...........................................................................................xiii SİMGELER VE KISALTMALAR.......................................................................... xiv 1. GİRİŞ ...................................................................................................................... 1 2. YARI KÖPRÜ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜLER.................................................... 5 2.1. Yumuşak Anahtarlama.................................................................................... 7 2.1.1. Asimetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücüler ........................... 8 2.1.2. Rezonans yarı köprü da-da dönüştürücüler.......................................... 10 3. ANAHTARLANAN KONDANSATÖRLÜ YUMUŞAK ANAHTARLAMALI YARI KÖPRÜ DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜ...........................................................14 3.1. Devrenin Analizi .............................................................................................16 4. DEVRENİN TASARIMI ...................................................................................... 25 4.1. Benzetim Çalışmaları ......................................................................................27 5. DENEYSEL SONUÇLAR ................................................................................... 32 5.1. Kullanılan DSP’nin Özellikleri .......................................................................42 6. SONUÇ VE ÖNERİLER ...................................................................................... 44 viii Sayfa KAYNAKLAR ......................................................................................................... 46 ÖZGEÇMİŞ .............................................................................................................. 48 ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 4.1. Yumuşak ve sert anahtarlamada dönüştürücü kayıpları ....................31 Çizelge 5.1. Farklı yüklerde iki topolojinin verimleri...........................................41 Çizelge 5.2. dsPIC30F4012’nin genel özellikleri ..................................................42 x ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Simetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücü devresi...................... 6 Şekil 2.2. Simetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücü devresinin dalga şekilleri .......................................................................................... 7 Şekil 2.3. Asimetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücü devresi.................... 8 Şekil 2.4. Asimetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücü devresinin dalga şekilleri.................................................................................................... 9 Şekil 2.5. Yarı köprü rezonans dönüştürücüler....................................................... 12 Şekil 2.6. İdeal rezonans dalga şekilleri.................................................................. 13 Şekil 3.1. Yumuşak anahtarlamalı yarı köprü da-da dönüştürücü .......................... 14 Şekil 3.2. Yumuşak anahtarlamalı yarı köprü da-da dönüştürücü yarı köprünün çalışma dalga şekilleri ............................................................................ 15 Şekil 3.3. Birinci kip için devre şekli...................................................................... 16 Şekil 3.4. İkinci kip için devre şekli........................................................................ 18 Şekil 3.5. Üçüncü kip için devre şekli .................................................................... 19 Şekil 3.6. Dördüncü kip için devre şekli ................................................................. 21 Şekil 3.7. Beşinci kip için devre şekli ..................................................................... 22 Şekil 3.8. Altıncı kip için devre şekli...................................................................... 23 Şekil 3.9. Yedinci kip için devre şekli .................................................................... 24 Şekil 4.1. Yük akımının ve toplam primer endüktansının bir fonksiyonu olarak kullanılan kondansatör değerleri ........................ 26 Şekil 4.2. Kullanılan endüktansın ve kondansatörün fonksiyonu olan anahtarlama zamanı ve buna karşılık gelen çıkış gerilimin eğrisi .......... 27 Şekil 4.3. Yumuşak anahtarlamada güç anahtarının kesime gitme durumu: kolektör-emitör gerilimi ve kondansatör gerilimi (üst şekil); kolektör akımı ve primer akımı (alt şekil).............................................. 28 xi Şekil Sayfa Şekil 4.4. Sert anahtarlamada güç anahtarının kesime gitme durumu: kolektör-emitör gerilimi (alt şekil); kolektör akımı (alt şekil) ................ 29 Şekil 4.5. Yumuşak anahtarlamada güç anahtarının kesime gitme durumu ve anlık güç kaybı...................................................................... 29 Şekil 4.6. Sert anahtarlamada güç anahtarının kesime gitme durumu ve anlık güç kaybı ................................................................................... 30 Şekil 5.1. 2A yük akımı için yumuşak anahtarlamada güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kondansatör gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ve primer akımı (2 V/div, 4 A/V, akım trafosunun çıkışı) ......................... 33 Şekil 5.2. 4A yük akımı için yumuşak anahtarlamada güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kondansatör gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ve primer akımı (2 V/div, 4 A/V, akım trafosunun çıkışı) ......................... 33 Şekil 5.3. 4A yük akımı için yumuşak anahtarlamada kesime gitme durumu....... 34 Şekil 5.4. 6A yük akımı için yumuşak anahtarlamada güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kondansatör gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ve primer akımı (2 V/div, 4 A/V, akım trafosunun çıkışı) ......................... 34 Şekil 5.5. 6A yük akımı için yumuşak anahtarlamada kesime gitme durumu........ 35 Şekil 5.6. 8A yük akımı için yumuşak anahtarlamada güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kondansatör gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ve primer akımı (2 V/div, 4 A/V, akım trafosunun çıkışı) ......................... 35 Şekil 5.7. 8A yük akımı için yumuşak anahtarlamada kesime gitme durumu........ 36 Şekil 5.8. 10A yük akımı için yumuşak anahtarlamada güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ve primer akımı (2 V/div, 4 A/V, akım trafosunun çıkışı) ......................... 36 Şekil 5.9. 10A yük akımı için yumuşak anahtarlamada iletime gitme durumu ...... 37 Şekil 5.10. 6A yük akımı için yardımcı anahtar akımı (üst dalga şekli; 5 A/div) ve primer akımı ..................................................................................... 38 xii Şekil Sayfa Şekil 5.11. 2A yük akımı için sert anahtarlamada kesime gitme sırasında güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ................ 39 Şekil 5.12. 4A yük akımı için sert anahtarlamada kesime gitme sırasında güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ................ 39 Şekil 5.13. 6A yük akımı için sert anahtarlamada kesime gitme sırasında güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (10 A/div) .............. 40 Şekil 5.14. 10A yük akımı için sert anahtarlamada kesime gitme sırasında güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (10 A/div) .............. 40 Şekil 5.15. 10A yük akımı için sert anahtarlamada iletime girme durumu............. 41 Şekil 5.16. dsPIC30F4012’nin iç yapısının blok şeması ........................................ 43 xiii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 5.1. Yapılan devrenin resmi ......................................................................... 32 xiv SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama aa Alternatif akım D Doluluk oranı da Doğru akım N Trafonun dönüştürme oranı T Periyot VO Çıkış gerilimi Vs Giriş gerilimi Kısaltmalar Açıklama AKYA-YK Anahtarlanan Kondansatörlü Yardımcı Anahtarlı Yumuşak Anahtarlamalı Yarı Köprü EMI Elektromanyetik Girişim IGBT İzole Kapılı Bipolar Tranzistörler Paux Yardımcı Anahtar Üzerinde Oluşan Güç Kaybı Poff Kesime Gitme Sırasında Oluşan Güç Kaybı Psw-total Toplam Anahtarlama Kaybı Ptotal Toplam Güç Kaybı PWM Darbe Genişlik Modülasyonu SAYK Sert Anahtarlamalı Yarı Köprü xv Kısaltmalar Açıklama SOA Güvenli Çalışma Alanı YAYK Yumuşak Anahtarlama Yarı Köprü ZVS Sıfır Gerilim Anahtarlama ZCS Sıfır Akım Anahtarlama 1 1. GİRİŞ DA-DA dönüştürücüler günümüzde pek çok çeşitli cihaz içerisinde uygulama alanı bulmaktadır. Uygulamanın türüne göre güç gereksinimi değişmekte, değişen güç gereksinimine göre de kullanılacak topoloji seçenekleri değişmektedir. Bunun yanında bazı uygulamalarda giriş-çıkış yalıtımı da arzulanmaktadır. Yarı köprü DA-DA dönüştürücüler, basitlikleri ve kolay denetlenebilirlikleri nedeniyle birkaç kW’a kadar olan güçlerde sıklıkla tercih edilebilmektedir. Bu devreler genellikle sert anahtarlama yöntemiyle ve darbe genişlik modülasyonu kullanılarak denetlenirler. Yarı köprülerde, birbirlerine seri bağlanan iki yarıiletken anahtardan oluşan kol doğru gerilim barasının iki ucu arasına bağlanır. Doğru gerilim barası uçları arasına ayrıca birbirinin eşdeğeri iki adet kondansatör bağlanarak bara gerilimi ikiye bölünür. Anahtarların orta noktası ile baranın orta noktası arasına da yük, veya yalıtım varsa, yüksek frekanslı transformatörün primer sargısı bağlanır. DA-DA dönüştürücülerde sert anahtarlama kullanılması durumunda yüksek anahtarlama kayıpları ve EMI sorunları ortaya çıkar. Bu sorunları gidermek için çeşitli yumuşak anahtarlama teknikleri önerilmiştir. Literatürde düşüren (Buck), yükselten (Boost), ve tam köprü DA-DA dönüştürücüler için çok sayıda yumuşak anahtarlama devresi önerilmiş olmakla birlikte, yarı köprülerde durum daha farklıdır. En basit yalıtımlı DA-DA dönüştürücü olan yarı köprüde anahtarlama kayıplarını azaltmak için kullanılan topolojiler a) Rezonans dönüştürücüler b) Asimetrik dönüştürücüler c) Yardımcı anahtarlı dönüştürücüler olarak üçe ayrılır. Yarı köprü rezonans dönüştürücüler seri, paralel yada seri-paralel rezonans dönüştürücüler olarak üçe ayrılır. [1] numaralı kaynakta, yarı köprülerde kullanılan bu farklı rezonans devrelerini, düşük çıkış gerilim uygulamaları için, oldukça kapsamlı biçimde karşılaştırmalı olarak incelemiştir. Seri rezonanslı devrede, transformatörün primer sargısına seri bağlanan bir endüktans ile, küçük değerli bara bölücü kondansatörler rezonans devresini oluşturur. Paralel rezonanslı devrede, transformatörün primer sargısına seri bağlanan bir endüktans ile primer uçlarına 2 paralel bağlanan kapasitör rezonans devresini oluşturur. Seri-paralel rezonans devresinde ise hem transformatör seri endüktansı, hem transformatör paralel endüktansı hem de bara bölücü küçük kapasitörler rezonans devresini oluşturur. Güç denetimi, anahtarlama frekansı rezonans frekansının çevresinde değiştirilerek sağlanır. Rezonans devreli yarı köprülerde, sıfır akım yada sıfır gerilim anahtarlama nedeniyle anahtarlama kayıpları kuramsal olarak sıfıra indirilebilir. Ancak, değişken anahtarlama frekansları, anahtar üzerinde daha yüksek akım streslerin oluşması, kullanılan trafonun manyetik tasarımının zor olması ve denetimin karmaşıklığı yüzünden bu tip dönüştürücüler pek fazla kullanılmazlar. Yarı köprü dönüştürücünün yüksek frekans transformatörü orta uçlu yapılır ve transformatörün sekonder transformatörün kaçak sargılarına endüktansı, paralel anahtarların bir kondansatör parazitik bağlanırsa kapasiteleri ve sekonderdeki kondansatörü içeren rezonans devreleri oluşturularak, hem primerdeki anahtarların sıfır gerilimde anahtarlama yapması sağlanabilir hem de hem de sekonderdeki diyotların ters toparlanma akımları azaltılabilir [2]. Böylece EMI sorunu azaltılır ve devrenin düşük güçlerde çok yüksek frekanslara çıkması olasıdır. Sert anahtarlamalı devrelerde, anahtar iletimdeyken devrenin kaçak endüktanslarda biriken enerji, anahtarın tıkamaya sokulmasıyla birlikte akacak yol arar ve anahtar gerilimlerin kısa süreli aşırı yükselmelerine ve salınımlara neden olurlar. Bu nedenle transformatör sargılarının kaçak endüktansları istenmeyen elemanlardır. Ancak, bu elemanları yumuşak anahtarlama için kullanım yoluna giden çalışmalar da mevcuttur [3]. Sıfır gerilim anahtarlama trafonun mıknatıslama endüktansı kullanılarak da başarılabilir [3]. Bu durumda, devreye dışarıdan bir endüktans bağlanmasına gerek kalmaz. Kavram, yarı köprü yanında diğer dönüştürücülere de uygulanabilmektedir. Ancak bu devrelerde sabit anahtarlama frekansı kullanılabilmesi için doymalı reaktörlerin kullanımına gerek duyulur. Bu da sistem karmaşasını artırır. Yine transformatör yardımıyla yumuşak anahtarlama yapan bir başka devre de [4] numaralı kaynakta önerilmiştir. Bu devre, Yardımcı Rezonans Geçişli Evirici Bacak (ARCPI) devresinde karşılaşılan zorlukların (denetim karmaşıklığı, yardımcı 3 anahtarın korunması, orta uçtaki gerilim değişimi) giderilmesi için önerilmiştir. Devrede kullanılan transformatörün dönüştürme oranının 0.5’den küçük olması durumunda sıfır gerilim anahtarlanmanın başarıldığı, yardımcı devreler için ek bir korumaya gereksinim olmadığı gösterilmiştir. Ancak bu devre de yine karmaşa içermektedir. Yarı köprü devrelerde sıfır gerilim anahtarlamayı sağlamaya yönelik bir başka öneri de asimetrik yarı köprü devresi kullanımıdır [5-10]. İlk olarak [5] numaralı kaynakta önerilen devre, fiziksel yapı olarak bir yarı köprü devreden farksızdır. Farklılık denetim tekniğinden kaynaklanmaktadır. Bu devrede, anahtarlar eşit %50 doluluk oranıyla değil, toplam doluluk oranı %100 olacak biçimde anahtarlanırlar. Örneğin, üst anahtar %60, alt anahtar %40 doluluk oranıyla anahtarlanabilir. Bu sayede anahtarlama kuramsal olarak kayıpsız hale gelir. Devrenin kötü yanı, giriş-çıkış ilişkisinin doğrusallığını kaybetmiş olmasıdır. Bu da denetimde zorluk yaratmaktadır. Ayrıca, bu devre geniş giriş gerilimi değişim aralıklarında kullanılabilir değildir [10]. Bu sorunu çözmek için [11] farklı bir PWM anahtarlama yöntemi önermektedir. Önerilen sistemde sekonder tarafında akım katlayıcı kullanılmakta, primerde de yardımcı bir anahtardan yararlanılmaktadır. Ancak bu devre düşük gerilimler için tasarlanmış olup, yüksek yük gerilimlerindeki başarısı bilinmemektedir. Sert ve yumuşak anahtarlamalı yüksek güçlü dönüştürücülerin karşılaştırmalı olarak incelendiği [11]’de, basit bir yarı köprü devreye dikkat çekilmiştir. [12] numaralı kaynakta önerilen bu devre, anahtarların orta noktası ile kaynak kondansatörlerinin orta noktası arasına bağlanan yardımcı bir devre ile yumuşak anahtarlama sağlanabildiğini göstermektedir. Literatürde çok fazla yankı bulmamış olan bu devre, bu tez kapsamında biraz değiştirilerek yeniden incelenmiş, devrenin benzetimi yapılmış ve laboratuarda gerçekleştirilen bir prototip ile denenmiştir. Sonuçlar, güç değeri yüksek olmayan iki yardımcı anahtarın kullanımıyla sert anahtarlamalı yarı köprüye göre daha yüksek verim elde edilebileceğini göstermiştir. Tezin 2. bölümünde, yarı köprü devrelerle ilgili genel bir inceleme sunulmaktadır. 4 3. Bölümde, bu tezde incelenen yumuşak anahtarlamalı dönüştürücü tanıtılmaktadır. 4. Bölüm’de devrenin tasarım çalışmaları anlatılmakta ve benzetim sonuçları sunulmaktadır. 5. Bölüm’de ise deneysel çalışma sonuçları verilmektedir. 6. Bölüm, çalışmanın sonuçlarını özetlemektedir. 5 2. YARI KÖPRÜ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜLER Yarı köprü da-da dönüştürücüler basitliklerinden dolayı orta güçlü uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu dönüştürücülerde genellikle simetrik sert anahtarlama yöntemi kullanılır. Yani, sabit bir anahtarlama periyodu içerisinde üst ve alt anahtarlar eşit süreli olarak iletimde tutulup, iletim süresi dolduğunda denetleyici tarafından devreden çıkartılır. Bunun dışında rezonanslı yarı köprü devreleri ve asimetrik anahtarlamalı yarı köprü devreleri de kullanılmaktadır. Simetrik denetiminin ana dezavantajı anahtarların sert anahtarlanmasıdır. Bunun yanında, her iki anahtarın tıkamada olduğu zaman diliminde trafonun kaçak endüktans ve yarı iletken güç anahtarının yapısında bulunan kapasiteler arasında bir salınım oluşur ve bir EMI gürültüsü meydana gelir. Bu osilasyonu bastırmak için bir rezistif bastırıcı devre sık olarak kullanılmaktadır. Sonuç olarak trafonun kaçak endüktansında oluşan manyetik enerji bu bastırıcı devreler yardımıyla dağıtılır. Simetrik yarı köprü da-da dönüştürücüde, Şekil 2.1’de gösterildiği gibi giriş kaynağı Vs’yi 2 eşit gerilime bölmek için yüksek ve eşit kapasiteli C1 ve C2 kondansatörleri kullanılmıştır. T1 ve T2 anahtarları simetrik olarak anahtarlanarak, trafonun primer sargılarına yarı bara geriliminin (Vs/2) uygulanması sağlanır. Giriş kaynağının kısa devre olmasını önlemek için her iki anahtar da aynı anda iletime girmemelidir. Güç anahtarları yalıtımlı trafonun primer tarafındadır ve sekonder tarafında ise diyotlu doğrultucu ile endüktans ve kapasiteden oluşan bir süzgeç katı vardır. Çıkış diyotları olan D1, D2, D3 ve D4 doğrultma işlemini yapmaktadır. L1 endüktansı ve C3 kapasitesi alçak geçiren bir süzgeç işlevi görür. 6 Şekil 2.1. Simetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücü devresi Anahtarların doluluk oranı D ile ve transformatörün dönüştürme oranı N ile ifade edilirse, sert simetrik anahtarlamalı yarı köprü doğrultucunun çıkış gerilimi şu biçimde hesaplanır: VO = D × Vs N (2.1) Bu bağıntıdan da anlaşılacağı üzere, bir anahtarın doluluk oranı en çok D=0.5 olacağından, N=1 olarak kabul edilirse, çıkış geriliminin alabileceği en büyük değer Vs/2 olur. Daha yüksek değerler elde edebilmek için transformatörün dönüştürme oranının 1’den küçük olması gerekir. Bu da primer akımının sekonder akımından yüksek olması ve kayıpların artması demektir. Şekil 2.2’de bu devrenin tipik dalga biçimleri gösterilmektedir. 7 Şekil 2.2. Simetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücü devresinin dalga şekilleri 2.1. Yumuşak Anahtarlama Son yirmi yıldır sert anahtarlamalı dönüştürücülerin sakıncalarını ortadan kaldırmak için birçok yumuşak anahtarlamalı evirici yapıları geliştirilmiştir. Teknolojik gelişmeler ile yarı iletken güç anahtarlarının güçleri, anahtarlama hızları ve verimleri arttırılmış boyutları küçültülmüştür. Bu amaçla günümüzde düşük iletim direncine sahip az sayıda kapı sürme gücü gerektiren IGBT’ler yumuşak anahtarlamalı devrelerde oldukça yoğun bir biçimde kullanılmaktadır. Anahtarlama, temel olarak bir güç elemanın iletim ve kesime girme işlemleridir. IGBT orta güçlü çalışmalarda en önemli devre elemanıdır. Devrelerin tasarımında maliyet ve boyut açısından devre elemanlarının küçük boyutlu ve hafif olmaları istenir. Yumuşak anahtarlamalı devrelerin en önemli avantajları akım ve gerilimdeki salınımların azaltılması, anahtarlama kayıplarının azaltılması ve rezonanslı devrelerde yüke bağımlı olmaması güvenirliliği arttırmaktadır. Devre düzeneğinin ek elemanlara ihtiyaç duyması ve de denetim güçlükleri bu alanda yeni yöntemlerin gelişmesinde çalışmalar yapılmasına neden olmaktadır. Son yıllarda da-da PWM dönüştürücü güç elektroniği 8 uygulamalarının temel seçimi olmuştur, çünkü oldukça sade bir yapısı vardır. Kesintisiz güç kaynağı, kaynak makineleri,…vb. uygulamalarda PWM’li da-da dönüştürücü devrelerini görmek mümkündür. PWM dönüştürücüleri yarı iletkenin anahtarlama kayıpları ve sınırlamalarına karşın birkaç KHz ve 10 Kwattlar seviyesinde oldukça uygundur. Yapılan çalışmalarla yüksek frekanslarda güç yoğunluğu ve devre performansı geliştirilmektedir. Yüksek anahtarlamalı bir PWM dönüştürücü için şu sınırlamalar mevcuttur. SOA dışındaki iletim ve kesim geçişleri esnasında güç elemanları üzerindeki anahtarlama stresleri; anahtarlama kayıpları, EMI’nin neden olduğu yüksek di/dt ve dv/dt’dir. Çeşitli yumuşak anahtarlamalı dönüştürücülü devrelerde ZVS yada ZCS kullanılarak anahtarlama kayıpları ve EMI yüksek frekanslarda azaltılmıştır [13]. 2.1.1. Asimetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücü Şekil 2.3’de gösterilen Asimetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücünün simetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücü de olduğu gibi iki güç anahtarı arasında boşluk bulunmamaktadır. Simetrik denetimde giriş kondansatörleri giriş gerilimini eşit olarak paylaşmalarına karşın asimetrik denetimde iki kondansatör farklı gerilimleri paylaşır ve trafonun sekonder tarafında bulunan tam doğrultucu çıkışındaki gerilim VC1’den VC2’ye değişir. Şekil 2.3. Asimetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücü devresi 9 Trafonun doyuma gitmemesi için anahtarların iletimde olduğu volt × sn ve kesimde olduğu durumlarda ki volt × sn değerleri eşit olmalıdır. Bu durumda kapasite üzerinde oluşan gerilimler; D × VC1 = D × [1- VC 2 ] (2.2) VS = VC1 + VC 2 (2.3) VC1 = VS × [1- D] (2.4) VC 2 = VS × D (2.5) Çıkış gerilimi ise; Vo = D × VC1 + [1- D] × VC 2 N VO = 2 Vs × D × [1- D] N olarak bulunur. Şekil 2.4. Asimetrik denetimli yarı köprü da-da dönüştürücü devresinin dalga şekilleri (2.6) (2.7) 10 Kondansatör üzerinden akan akımın Amper × sn değeri eşit olmalısından dolayı güç anahtarları üzerinden akan akımların iletimde ve kesimde olduğu durumlarda da Amper × sn değerleri eşit olmalıdır. D × IT 1 = IT 2 × [1- D ] = IT 1 = [1- D] × IT 2 = D × Io 2N Io 2N Io 2N (2.8) (2.9) (2.10) Bu devrede anahtarların iletime geçmeden önce üzerlerinde sıfır gerilim oluşabilmesi için harici olarak bir endüktans kullanmazsak kaçak endüktans üzerinde biriken enerjinin yarı iletkenin yapısında (drain-source arasındaki) parazitlik kapasiteleri doldurup boşaltması gerekir. Yarı iletkenin yapısında bulunan diyot iletime geçtiği anda güç anahtarı iletime geçebilir. Asimetrik yarı köprü çıkış gücü 1kW’tan düşük olan uygulamalar için oldukça uygundur. Asimetrik yarı köprünün çıkış dalgalanması simetrik yarı köprüye göre oldukça düşüktür. Bu sebeple daha düşük bir çıkış filtresi kullanılabilir. Toplam iletim kayıpları düğer PWM anahtarlama dönüştürücülerle aynıdır. Anahtarların doluluk oranları farklı olduğu için özellikle daha düşük doluluk oranlarında çalışıldığında anahtarların maruz kaldığı stres farklıdır. 2.1.2. Rezonans yarı köprü da-da dönüştürücü Rezonans dönüştürücülerin ana fikrinde rezonans kapasitesi düşük dv/dt ile kesime girme kayıpları sıfıra oldukça yakın olmasını ve yardımcı endüktans ile rezonans kapasitesi arasında rezonansla iletimde sıfır gerilimde anahtarlanmasını sağlar. Güç anahtarı kendisine ters paralel diyot iletime girdikten sonra ZVS altında iletime 11 geçmektedir. Bu dönüştürücüler yüksek frekanslarda hacim olarak oldukça düşük olmalarına karşın geniş tepe akımları ve gerilimlere sahiptirler. Şekil 2.5’de yüksek frekanslı anahtarlama güç kaynaklarında kullanılan 3 tip rezonanslı devre gösterilmiştir. Seri rezonans devresinde iki giriş kapasitesi (CS) seri rezonans kapasitesini oluşturmaktadır. Seri rezonans devrelerde yük regülasyonu zordur. Bu dönüştürücünün diğer bir dezavantajı çıkışta kullanılan kondansatör üzerinden yüksek dalgalanmalı akımların geçmesidir. Düşük çıkış gerilimli-yüksek çıkış akımlı devrelerde bu sebepten dolayı kullanılmamaktadır. Daha çok yüksek çıkış gerilimli-düşük çıkış akımlı devrelerde kullanılır. Seri rezonanslı devresinin en önemli avantajı girişte kullanılan seri rezonans kapasitelerinin da gerilimi bloklamak için kullanılmasıdır. Diğer bir önemli avantajı ise yük azaldıkça anahtar üzerinden geçen akımın azalmasıdır. Paralel rezonans devresinde ise CP rezonans kapasitesidir. Paralel rezonans devrelerinde yüksüz çalışmalarda çıkış gerilimi çok yüksek değerlere çıkmasına rağmen çıkış geriliminin regülasyonu olabilmektedir. Bu dönüştürücünün en önemli dezavantajı ise güç anahtarları üzerinden akan akımın yükten bağımsız olmasıdır. Seri-paralel rezonansta rezonans kapasiteleri CP ve CS dir. 12 (a) (b) (c) Şekil 2.5. Yarı köprü rezonans dönüştürücüler (a) Seri (b) Paralel (c) Seri-Paralel Bu üç dönüştürücüde düşük anahtarlama kayıplarına sahiptir. Bu devreler rezonans frekansının üzerinde yada altında çalışabilir. Şekil 2.6’da rezonans frekansının 13 üzerinde çalışan bir dönüştürücü için dalga şekilleri gösterilmiştir. Bu üç dönüştürücü devresinde anahtarlama yardımıyla rezonans devresine kare dalga biçiminde bir gerilim uygulanır ancak primer devresinden akan akım sinüzoidaldir. Şekil 2.6. İdeal rezonans dalga şekilleri Şekil 2.6’da görüldüğü gibi güç anahtarlama elemanı iletime geçmeden önce kendisine ters paralel bağlı olan diyot iletimde olduğu için güç anahtarlama elemanın iletime geçişi sırasında herhangi bir anahtarlama kaybı olmaz. 14 3. ANAHTARLANAN KONDANSATÖRLÜ YUMUŞAK ANAHTARLAMALI YARI KÖPRÜ DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ Anahtarlanan kondansatörlü yardımcı anahtarlı yumuşak anahtarlamalı yarı köprü dönüştürücü devresi (AKYA-YK) Şekil 3.1’de gösterilmiştir. Bu devrede güç anahtarlarının tıkamaya geçişi sırasında oluşan kayıpları azaltmak için iki tane kondansatör ve kondansatörleri devreye almak için iki tane de yardımcı anahtarlar kullanılmıştır. Her iki yardımcı anahtar aynı anda iletime ve tıkamaya geçer. Yardımcı anahtarlar, ana güç anahtarları iletimde olduğu herhangi bir zaman içinde iletime geçmektedir. Yumuşak anahtarlamayı başarabilmek için güç anahtarı tıkamaya geçtikten belli bir süre sonra yardımcı anahtarlar tıkamaya geçmelidir. Yardımcı anahtarlarlar güç anahtarlarının iki katı hızında çalışmalarına rağmen yardımcı anahtarların kayıpları oldukça azdır. Şekil 3.1. Anahtarlanan kondansatörlü yumuşak anahtarlamalı yarı köprü da-da dönüştürücü Devrede yumuşak anahtarlama işleminin gerçekleştirilebilmesi için transformatörün primer endüktansından akan akımın, anahtarlar tıkamaya geçtikten sonra bir süre 15 daha akması gerektiğinden, bu devrede ya kaçak endüktans değeri büyük bir transformatör kullanılır yada primere seri bağlı ek endüktans bağlanır. Q1 Q 1s Q 2s Q2 IL I_ Q 1 Vs V s /2 Vce1 V1 V cs1 Vp Vb M ode 1 2 4 3 5 6 7 4' 1' 2' 5' 6' 3' Şekil 3.2. AKYA-YK devresinin çalışma kiplerindeki dalga şekilleri 16 3.1. Devrenin Analizi AKYA-YK devresinin çalışması, Şekil 3.2’de gösterildiği gibi farklı kipler için incelenebilir. a) 1. Kip: Bu kip, gücün primerden sekondere aktarıldığı çalışma konumudur. İletimde olan elemanlar Şekil 3.3’de kalın çizgilerle gösterilmektedir. Üst anahtar ve yardımcı anahtarlar aynı anda iletimdedir. Anahtarlar ideal olarak kabul edilirse, üst anahtarın ve üst kondansatörün gerilimi sıfırdır ve primer sargısı uçlarındaki sabit gerilim mıknatıslanma akımının doğrusal olarak artmasına neden olur. Primer akımı, yükten yansıyan akım ve mıknatıslanma akımının toplamına eşit olup, hafif bir eğimle artar. Aşağıdaki eşitlikler bu çalışma durumu için geçerlidir. Vce1 = Vcs1 ;Vcs 2 = Vce 2 = Vs (3.1) Burada Vce, Vcs anahtar ve kondansatör gerilimini göstermektedir. Üst anahtar tıkamaya sokulduğunda bu çalışma durumu sona ermektedir. Şekil 3.3. Birinci kip için devre şekli 17 b) 2. Kip: Üst anahtarın tıkama süreci başlatıldığında, anahtar akımı doğrusal olarak azalmaya başlar. Bu sırada, primer endüktansının değerinin yüksek olması nedeniyle primer akımı sabit kalır. Akımlar arasındaki fark eşit miktarlarda alt ve üst kondansatörlerden akarak üst kondansatörün dolmasına, alt kondansatörün de boşalmasına neden olur. Bu kip, t=tf (anahtar akımının düşme süresi) anında anahtar akımının tamamen sıfır olmasına kadar sürer. Buna göre, anahtar akımının değişimi şu biçimde tanımlanabilir: i sw (t ) = I pmax (1 − t tf (3.2) ) Burada I pmax primer akımının, kipin başlangıcında sahip olduğu, tepe değeridir. Primer endüktansı yeterince büyük olduğu için primer akımı tepe değerinde sabit kalmaktadır ve güç transferi, azalarak olsa da, devam etmektedir. Anahtar ve kondansatör gerilimleri aşağıda gösterilmiştir. Vce1 = Vcs1 = I pmax 4Cs t f t2 (3.3) Üst anahtar gerilimi artarken alt anahtar ve kondansatör gerilimi azalmaktadır. Kondansatör ve anahtar üzerinde oluşan gerilimin kip sonunda ulaştığı değerler aşağıda gösterilmiştir. Vce1 (t f ) = Vcs1 (t f ) = V f = I pmax t f 4Cs (3.4) Akımın sıfıra düştüğü anda kondansatör gerilimlerinin değerinin ne olduğu devrenin sağlıklı çalışması açısından önemlidir. Kondansatör gerilimleri bara geriliminin yarısına ulaştığında güç aktarımı kesileceğinden, akım sıfıra düştüğü anda kondansatör geriliminin henüz bu değere ulaşmamış olması gerekmektedir. Bu kısıtlama, kondansatör değeri için bir alt sınır oluşturur. 18 Csmin = I max p tf (3.5) 2Vs Şekil 3.4. İkinci kip için devre şekli c) 3. Kip: Anahtar akımının tamamen kesilmesiyle, primer akımı kondansatörler tarafından eşit paylaşılmaya başlanır ve bu akımların etkisiyle üsteki kondansatörün gerilimi doğrusal olarak artmaya, alttaki kondansatörün gerilimi de doğrusal olarak azalmaya başlar. Bu değişimler şu eşitlikle tanımlanırlar: ics1 = I pmax ics 2 = − (3.6) 2 I max p (3.7) 2 Vce1 (t ) = Vcs1 (t ) = V f + Vce 2 (t ) = Vcs 2 (t ) = V f − I pmax 2Cs I pmax 2Cs t (3.8) t (3.9) 19 Bu geçiş sırasında üst ve alt taraftaki kondansatör gerilimleri Vs/2’ye eşit olduğunda primer gerilimi sıfır olur ve primerden sekondere güç iletimi durur. Bu çalışma durumunun süresi aşağıdaki denklemde belirtilmiştir. tf ' = ( Vs 2C − V f ) maxs Ip 2 (3.10) Şekil 3.5. Üçüncü kip için devre şekli d) 4. Kip: Primerden sekondere güç aktarımının durmasıyla sekonder tarafında, yük akımı diyotlar üzerinden serbest döngüye başlarlar. Primerde, paralel kondansatörler (Cs1 and Cs2) ve primer endüktansı (Lp) bir rezonans devresi oluşturur ve primer akımı azalmaya başlar. i p (t ) = I pmax cos(ω0t ) Vce1 (t ) = Vcs1 (t ) = Vs + Z 0 I pmax sin(ω0t ) 2 (3.11) (3.12) 20 burada Z0, ω0 ve Cr devrenin karakteristik empedansı, rezonans frekansı ve rezonans kondansatörü olup şu biçimde tanımlanırlar. Z0 = Lp Cr ; ω0 = 1 L pCr ; C r = 2C s ; (3.13) Bu çalışma durumu, t = t ′f′ anında, üst anahtar gerilimi Vs’ye, alt anahtar gerilimi sıfıra ulaşıp, alt anahtara ters paralel bağlı diyot iletime geçince sona erer. Bu andaki primer akımının değeri şu biçimde hesaplanır: i p (t ′f′ ) = I p1 = I pmax 1 − ( Vs )2 max 2Z 0 I p (3.14) Primer akımı sıfır olmadan önce üst anahtar geriliminin Vs’ye ulaşması için aşağıda bağıntılarda gösterilen koşullar sağlanmalıdır. Z 0 I pmax > Vs 2 C s < C smax = 2( (3.15) I pmax Vs )2 Lp (3.16) Bu bağıntılardan, dönüştürücüde kullanılması gereken minimum endüktans değeri aşağıda gösterilen denklmende hesaplanabilir: Lp > ( Vs 2 C s ) 2 I pmax (3.17) Bu denklem, devrenin çalışabilmesi için primerde oldukça büyük bir endüktans kullanılmasının gerekli olduğunu göstermektedir. 21 Şekil 3.6. Dördüncü kip için devre şekli e) 5. Kip: Alt anahtara bağlı diyotun iletime girmesiyle yarı bara gerilimi primere bağlı endüktans üzerinde düşer ve bu endüktans akımının doğrusal olarak azalmasına yol açar. i p (t ) = I p1 − Vs t 2L p (3.18) Bu çalışma durumunum süresi (tlf) primer akımın sıfır olması için geçen süredir. t lf = 2 L p I p1 Vs (3.19) Yardımcı anahtarlar bu çalışma kipi bittikten sonra, yani primer akımı tamamen sıfıra düştükten sonra, herhangi bir anda tıkamaya sokulabilirler. Ana anahtarların kapı gerilimlerinin sıfır yapılmasının ardından yardımcı anahtarları devreden çıkartmak için geçmesi gereken en düşük süre şu biçimde hesaplanabilir: 22 t dmin = t f + t ′f + t ′f′ (3.20) Bu süre, eklem yükü depolama süreci göz önüne alınarak bir miktar daha arttırılabilir. Ancak, sürenin çok uzun tutulması durumunda, tıkama süreci tamamen sona erdikten sonra, bastırıcı kapasitörleri de içine alan yeni bir rezonans devresi oluşur. Şekil 3.7. Beşinci kip için devre şekli f) 6. Kip: Yardımcı anahtarlar devreden çıktıktan ve primer akımı sıfır olduktan sonra parazitik bileşenlerden oluşan bir rezonans devresi oluşur. Rezonans anahtarların dahili kapasitesi, primer endüktansı ve anahtar diyotları arasında oluşur. Salınımlar sırasında bastırıcı kondansatörler devrede değildir, ama anahtar gerilimleri değişerek sonunda yarı bara gerilimine eşitlenirler. Bu salınımların süresi, akım yolundaki sönüm elemanlarının değerine bağlıdır. Ancak, salınım nasıl olursa olsun, sonuçta anahtarlar üzerinde eşit gerilimler oluşur. Vce1 = Vce 2 = Vs ; Vcs1 = Vs ; Vcs 2 = 0 2 (3.21) 23 Şekil 3.8. Altıncı durum için devre şekli g) 7. Kip: Bu kipte alt anahtar iletime sokulur. Anahtar iletime geçmeden önce üzerinde Vs/2 gerilimi vardır. Anahtarın iletime geçişi sırasında oluşan kayıplar kullanılan büyük endüktans nedeniyle düşüktür. Yarı bara gerilimi, primer akımının doğrusal olarak artmasına neden olur. Primer akımının denklemi aşağıda gösterilmiştir. i p (t ) = Vs t 2L p (3.22) Bu çalışma kipinin süresi (tlr) primer akımının yükten yansıyan akıma eşit olması için geçen süredir. Bu eşitlik sağlanana kadar, primerden sekondere güç transferi başlamaz ve sekonderde yük akımı diyotlar üzerinde dolaşımını sürdürür. t lr = 2 L p I pmin Vs Burada I pmin minimum sekonder akımının yansıtılmış değeridir. (3.23) 24 Ana anahtar tamamen iletime geçtikten sonra herhangi bir anda yardımcı anahtarlar devreye alınabilir. Yardımcı anahtarlar devreye girerken üzerlerinde herhangi bir gerilim olmadığından, iletime geçiş güç kayıpları sıfırdır. Şekil 3.9. Yedinci durum için devre şekli Bu andan sonra tüm gelişmeler, pozitif yarı dönemdeki gelişmelerin bire bir aynısı olduğundan, burada yinelenmeyecektir. 25 4. DEVRENİN TASARIMI Bu bölümde, AKYA-YK devresinin tasarımı yapılacaktır. Tasarlanan devrenin sahip olacağı özellikler şu biçimde seçilmiştir. Çıkış Akımı ve Gerilimi: 10A, 100V Giriş Gerilimi: 2x155V (Vs=310V) Anahtarlama Frekansı: 20kHz Devrenin teorik maksimum doluluk oranı 0.5 olduğundan, çıkış geriliminin 100 V olabilmesi için transformatör sekonder geriliminin değeri V Vsec = o = 100 V 2d olarak bulunur. Transformatör primer gerilim değeri de 0-155 V arasında değişeceğine göre, transformatörün dönüştürme oranının (N) 1:1 seçilmesi yeterli güvenlik payının bırakılmasını sağlar. Buna göre primere yansıyan yük akımı değeri I Ip = s N = 10 A olur. Mıknatıslanma akımı ve akım dalgalanmasından kaynaklanan değişimlerin de göz önüne alınması ve 1.5 güvenlik katsayısının kullanılmasıyla, kullanılacak anahtarın akım değerinin 20 A olması gerektiği görülür. Ancak, güvenli bir deney düzeneği oluşturmak için, IXGH32N60 IGBT (32A, 600V) kullanımına karar verilmiştir. Yardımcı anahtarlar için de IRFP 460 MOSFET kullanımı uygun bulunmuştur. Bu dönüştürücüde anahtarların tıkamaya geçişi sırasında oluşan kayıpları azaltmak için kondansatörler kullanılmaktadır. 3. Bölümde, kullanılan kondansatörler için sınır 26 değerler hesaplanmış, rezonans endüktans ile kondansatör değerleri arasında da bir ilişki oluşturulmuştu. Şekil 4.1’de, bu ilişkiler kullanılarak, yük akımının ve primerde kullanılan endüktansın bir fonksiyonu olarak elde edilen kondansatör değerleri gösterilmiştir. Kondansatörün minimum değeri yardımcı anahtarın akım düşme zamanı (120ns) kullanarak hesaplanmıştır ve şekil 4.1’de kesikli çizgi ile gösterilmiştir. snubber capacitor limits 25 snubber capacitor (nf) 20 Lp=10 uH Lp=8 uH 15 Lp=6 uH 10 Lp=4 uH Lp=2 uH 5 minimum cap 0 1 2 3 4 5 6 output current (A) 7 8 9 10 Şekil 4.1. Yük akımının ve toplam primer endüktansının bir fonksiyonu olarak kullanılan kondansatör değerleri Büyük kondansatör değerleri anahtar tıkamaya geçerken anahtar üzerindeki gerilim daha yavaş yükselmesini sağlar. Buna karşın, kondansatör değeri büyüdükçe ihtiyaç duyulan endüktans değeri de artmaktadır. Yük akımının 5-10A olduğu durumlarda yumuşak anahtarlama için kullanılacak kondansatör ve endüktans değerleri 10nF ve 8μH seçilebilir. Diğer bir taraftan kullanılan kondansatörler ve endüktans primerden sekonere doğru güç iletimini sınırlandırır. Bu sebeple her kondansatör ve endüktans değerleri için çıkış gerilimlerini hesaplamak zorunludur. Kullanılan endüktansın ve kondansatörün bir fonksiyonu olan anahtarlama zamanı ve buna karşılık gelen çıkış geriliminin eğrisi şekil 4.2’de gösterilmiştir. 27 maximum on time and output voltage as a function of Lp max on time (us) 23.5 Cs=5 nF 23 22.5 22 Cs=20 nF 21.5 2 3 4 5 6 Lp (uH) 7 8 9 10 8 9 10 max Vout (V) 145 140 Cs=5 nF 135 Cs=20 nF 130 2 3 4 5 6 Lp (uH) 7 Şekil 4.2. Kullanılan endüktansın ve kondansatörün fonksiyonu olan anahtarlama zamanı ve buna karşılık gelen çıkış geriliminin eğrisi Şekil 4.2’nin anlamı şu biçimde açıklanabilir: Örneğin 5nF kapasitör ve 5μH endüktans seçimi yapılırsa, anahtarın iletim konumunda kalabileceği en uzun süre 23μs olur. Geri kalan süre geçişler için ayrılmalıdır. Bu durumda çıkışta elde edilebilecek en yüksek gerilim ise 138 V civarındadır. Daha büyük kondansatör ve daha büyük endüktans değerlerinin kullanılması çıkış geriliminin de düşmesine neden olur. 4.1. Benzetim Çalışmaları PSpice simülasyon programı kullanılarak hem YAYK ve hem de SAYK dönüştürücü devresi için simülasyon sonuçları elde edilmiştir. Deneysel çalışmada kullanılan güç anahtarının ve yardımcı anahtarının simülasyonda kullanılacak gerçek modelleri olmadığı için her iki dönüştürücü için anahtarlama elemanı olarak, yazılım kütüphanesinde bulunan IXGH10N60 (IGBT) elemanı kullanılmıştır. 28 Şekil 4.3’te yumuşak anahtarlama yarı köprüsü için güç anahtarının kesime gitme sırasında dalga şekilleri gösterilmiştir. Primerde kullanılan endüktans sayesinde primer akımı güç anahtarı kesime gittikten sonra bile devam etmektedir ve kondansatör yavaşça Vs gerilimine kadar dolmaktadır. Şekil 4.4’te aynı şartlar altındaki sert anahtarlama yarı köprüsü için dalga şekillerini göstermektedir. Devrede güç anahtarı üzerinde oluşan gerilimin yükselme hızını azaltmak için kullanılan kondansatör olmadığı için güç anahtarının kesime gitmesi sırasında güç anahtarı üzerinde gerilimin yükselme hızı oldukça yüksektir. Şekil 4.5 ve Şekil 4.6’da iki dönüştürücü için güç anahtarların kesime gitme sırasında oluşan anlık güç kayıpları gösterilmiştir. Beklenildiği gibi yumuşak anahtarlamalı devreye göre sert anahtarlamalı yarı köprü devresinin kesime geçişi sırasında oldukça yüksek anahtarlama kayıpları vardır. Sert anahtarlama da anlık güç değerleri 3.5kW gibi yüksek değerlere ulaşmaktadır. Buna karşın yumuşak anahtarlamada bu değer yaklaşık olarak 100W’dır. Ama süre sert anahtarlamada daha kısadır. Şekil 4.3. Yumuşak anahtarlamada güç anahtarının kesime gitme durumu: kolektöremitör gerilimi ve kondansatör gerilimi (üst şekil); kolektör akımı ve primer akımı (alt şekil) 29 Şekil 4.4. Sert anahtarlamada güç anahtarının kesime gitme durumu: kolektör-emitör gerilimi (alt şekil); kolektör akımı (alt şekil) Şekil 4.5. Yumuşak anahtarlamada güç anahtarının kesime gitme durumu ve anlık güç kaybı 30 Şekil 4.6. Sert anahtarlamada güç anahtarının kesime gitme durumu ve anlık güç kaybı Çizelge 4.1’de aynı şartlar altında sert ve yumuşak anahtarlamalı yarı köprünün simülasyonundan elde edilen güç kaybı verisi gösterilmektedir. Bu çizelgede iki dönüştürücünün kesime gitme sırasında meydana gelen anahtarlama ve anahtar üzerinde meydana gelen toplam kayıplarının yanında yumuşak anahtarlamada kullanılan yardımcı anahtarlar üzerindeki kayıplar da belirtilmiştir. Çizelgede son sütunda toplam güç kayıpları verilmiştir. Topoloji farklılığının iletim kayıpları ve iletime girme sırasında meydana gelen anahtarlama kayıpları üzerinde bir etkisi olmayacağı için bu kayıplar gösterilmemiştir. Hesaplamalar ile sonuçlar birbirleriyle uyuşmaktadır. Yumuşak anahtarlamalı dönüştürücüler daha düşük anahtar kayıplarına sahiptir. Doğal olarak simülasyondan elde edilen verilerin ancak simülasyonda kullanılan anahtarlama elemanın modeli kadar geçerli olduğu düşünülebilir. Buna karşın bütün simülasyonlarda aynı anahtarlama elemanı kullanıldığı için bu iki dönüştürücü arasında bir karşılaştırma mümkündür ve sonuçlar da gerçekçidir. 31 Çizelge 4.1. Yumuşak ve sert anahtarlamada dönüştürücü kayıpları SAYK 10A 8A 6A 4A 2A Poff 7.68 6.36 5.24 4.10 3.21 Psw-total 16.95 13.40 10.31 7.10 5.06 Ptotal 33.90 26.80 20.62 14.20 10.12 Poff 1.75 1.26 0.91 0.49 0.33 YAYK Psw-total Paux 11.50 0.90 9.62 1.00 7.72 1.26 4.76 1.58 3.03 1.30 Ptotal 24.80 21.24 17.96 12.68 8.66 32 5. DENEYSEL SONUÇLAR Bu bölümde, yumuşak anahtarlamalı devrenin bir prototipi gerçekleştirilmiş ve bu devre üzerinde çeşitli yük değerlerinde denemeler yapılmıştır. Aynı kart, yardımcı elemanlar devre dışı bırakılarak sert anahtarlama için de kullanılmıştır. Resim 5.1. Yapılan devrenin resmi Deneylerde aşağıdaki parametreler kullanıldı. Giriş Gerilimi: 2x155 V da (şebeke gerilimi doğrultuldu) Çıkış Gerilimi: 100V Trafonun Dönüştürme Oranı (N): 1:1 Primerde Kullanılan Endüktans Değeri: 8 μH Güç Anahtarlama Elemanları: IXGH32N60 IGBT Yardımcı Anahtarlar: IRFP 460 Yardımcı Anahtarlar ve Güç Anahtarı Arasındaki Gecikme Zamanı: 1μs Anahtarlama Frekansı: 20kHz Şekil 5.1, 2A yük akımı için yumuşak anahtarlama devresinin genel bir çalışmasını göstermektedir. Güç anahtarının iletimden çıkma sırasında primer akımının devam 33 ettiği ve güç anahtarı geriliminin yavaşça yükseldiği gözlenebilir. Akım tamamen bittiğinde kondansatör Vs gerilimine çıkmaktadır. Akım tamamen kesildiğinde, anahtar üzerindeki parazitik kapasitelerle kaçak endüktans arasında bir rezonans meydana gelmektedir. Şekil 5.1. 2A yük akımı için yumuşak anahtarlamada güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kondansatör gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ve primer akımı (2 V/div, 4A/V, akım trafosunun çıkışı) Şekil 5.2. 4A yük akımı için yumuşak anahtarlamada güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kondansatör gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ve primer akımı (2 V/div, 4 A/V, akım trafosunun çıkışı) 34 Şekil 5.3, güç anahtarının tıkamaya geçişini ayrıntılı olarak göstermektedir. Şekil 5.3. 4A yük akımı için yumuşak anahtarlamada kesime gitme durumu Şekil 5.4. 6A yük akımı için yumuşak anahtarlamada güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kondansatör gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ve primer akımı (2 V/div, 4 A/V, akım trafosunun çıkışı) Şekil 5.5, güç anahtarının kesime girme durumunu ayrıntılı olarak göstermektedir. 35 Şekil 5.5. 6A yük akımı için yumuşak anahtarlamada kesime gitme durumu Şekil 5.6. 8A yük akımı için yumuşak anahtarlamada güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kondansatör gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ve primer akımı (2 V/div, 4 A/V, akım trafosunun çıkışı) Şekil 5.7, güç anahtarının tıkamaya girme durumunu ayrıntılı olarak göstermektedir. 36 Şekil 5.7. 8A yük akımı için yumuşak anahtarlamada kesime gitme durumu Şekil 5.8. 10A yük akımı için yumuşak anahtarlamada güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) ve primer akımı (2 V/div, 4 A/V, akım trafosunun çıkışı) 37 Primer tarafına eklenen endüktans, yarıiletken anahtarın iletime girmesi sırasında meydana gelen anahtarlama kayıpların azaltılmasına yardımcı olur. Şekil 5.9’da güç anahtarın iletime girmesi gösterilmiştir. Şekil 5.9. 10A yük akımı için yumuşak anahtarlamada iletime girme durumu Şekil 5.10’da primer akımı ile birlikte yardımcı anahtar üzerinden akan akımın dalga şekli gösterilmiştir. Güç anahtarı devrede olduğu zamanlarda yardımcı anahtarlar üzerinden akım akmaz. Ancak güç anahtarı devreden çıktıktan sonra kısa süre devrede kaldığı için yardımcı anahtarlar üzerinden akan akımın değeri yüksek olmamaktadır. 38 Şekil 5.10. 6A yük akımı için yardımcı anahtar akımı (üst dalga şekli; 5 A/div) ve primer akımı 2A, 4A, 6A ve 8A yük akımlarında seçilen endüktans değerinin yeterli olmamasından dolayı yumuşak anahtarlama daha büyük endüktans değeriyle sağlanabilir. Dönüştürücü yumuşak anahtarlama ile karşılaştırmak için sert anahtarlama deneyleri de yapılmıştır. Sert anahtarlamada 2A, 4A, 6A, 10A yük akımları için güç anahtarının kesime gitme durumları Şekil 5.11, Şekil 5.12, Şekil 5.13 ve Şekil 5.14’te gösterilmiştir ve 10A yük akımı için iletime girme durumu Şekil 5.15’te gösterilmiştir. 39 Şekil 5.11. 2A yük akımı için sert anahtarlamada kesime gitme sırasında güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) Şekil 5.12. 4A yük akımı için sert anahtarlamada kesime gitme sırasında güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (5 A/div) 40 Şekil 5.13. 6A yük akımı için sert anahtarlamada kesime gitme sırasında güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (10 A/div) Şekil 5.14. 10A yük akımı için sert anahtarlamada kesime gitme sırasında güç anahtarı gerilimi (100 V/div), kolektör akımı (10 A/div) 41 Şekil 5.15. 10A yük akımı için sert anahtarlamada iletime girme durumu Osiloskop problarının hassas olmamasından dolayı anahtarların güç kayıplarını hesaplamak mümkün olmamıştır. Bu sebeple giriş ve çıkış güç kayıpları ölçülmüş ve bu iki dönüştürücünün verimleri hesaplanmıştır. AA giriş terminalinde giriş gücü Fluke® 43B güç kalite analiz cihazını kullanılarak ölçülmüştür. Çıkış gücü ayarlanabilir rezistif yük üzerinde ölçülmüştür. Dönüştürücülerin verimleri çizelge 5.1’de gösterilmektedir. Bütün akım seviyelerinde yumuşak anahtarlama devresi sert anahtarlamalı devreye üstünlük sağlamıştır. Bu şekiller dönüştürücülerin bütün kayıplarını içermektedir (anahtar, trafo, giriş doğrultucusu, çıkış doğrultucusu). Çizelge 5.1. Farklı yüklerde iki topolojinin verimleri Yük Akımı (A) 2 4 6 8 10 YAYK (%) 85 82 80 79 78 SAYK (%) 84 74 75 77 76 Elde edilen verimlerin en iyi değerinin %85 civarında kalması, özellikle manyetik elemanların tasarımının iyi yapılmamış olmasından ve devre kurulumunda çok duyarlı olunamamasından kaynaklanmıştır. Ölçüm alabilmek için çeşitli noktalarda bağlantılar uzun tutulmuş olup, bu da kayıpların yüksek olmasına neden olmuştur. Her iki devre için de, iyi bir tasarımla %90 üzerinde verim elde etmek mümkündür. 42 Ancak, bir karşılaştırma yapıldığında, her iki topoloji de aynı devreyi kullandığından, yumuşak anahtarlamanın daha iyi verim sağladığı açıkça görülmektedir. Devrenin gerçek artılarının daha yüksek yük akımı devrelerinde elde edileceği düşünülmektedir. 5.1. Kullanılan DSP’nin Özellikleri Bilgisayar teknolojisi gerektiren uygulamalarda kullanılmak üzere tasarlanmış olan dsp’ler mikrodenetleyicilere göre güçlü bir aritmetik işlem birimi vardır. Günümüz dsp’leri otomobillerde, kameralarda, cep telefonlarında, faks modem cihazlarında, fotokopi, radyo, tv, bazı oyuncaklar gibi sayılamayacak kadar pek çok alanda kullanılmaktadır. Bir sayısal işaret denetleyicisi olan dsPIC, Microchip firması tarafından üretilmiştir ve aritmetik işlem yeteneği oldukça güçlüdür. Motor kontrol için tasarlanan dsPIC30F4012, dsPIC30FXX ailesinden olup RISC yapı üzerine kurulu Harvard mimarisi ile üretilmiştir ve flaş program belleğine sahiptir. Çizelge 5.2’de dsPIC30F4012’nin genel özellikleri verilmektedir. Çizelge 5.2. dsPIC30F4012’nin genel özellikleri Saat frekansı En yüksek çalışma frekansı 120Mhz (30MIPS) Bellek Flash program belleği 48Kbyte RAM belleği 2Kbyte EEPROM belleği 1Kbyte Zamanlama birimleri 5 A/D dönüştürücü 10 Motor kontrol PWM Modülü 6 Haberleşme UART, SPI, CAN, I2C Giriş çıkış uç sayısı 20 Kesme kaynağı 30 Çalışma gerilim aralığı 2.5-5.5V Çevresel birimleri Diğer özellikleri 43 Şekil 5.9’de dsPIC30F4012’nin iç yapısının blok şeması gözükmektedir. Kullandığımız dsPIC40F12’nin veri yolu 16 bit uzunluğundadır ve güçlü aritmetik işlemleri yapabilen dsp ve mikroişlemci çekirdeğine sahiptir. Bu dsp ailesinde program sayıcının uzunluğu 24 bittir ve 16 tane çalışma saklayıcısına sahiptir. 2 tane akümülatörü vardır ve akümülatörlerin uzunluğu ise 40 bittir. Şekil 5.16. dsPIC30F4012’nin iç yapısının blok şeması 44 6. SONUÇ VE ÖNERİLER DA/DA dönüştürücülerin kullanımı gittikçe yaygınlaşmaktadır. Bu dönüştürücüler arasında bulunan yarı köprü devresi, basitliği ve kullanım kolaylığı nedeniyle düşük ve orta güç düzeylerinde sıklıkla tercih edilmektedir. Öte yandan, bu dönüştürücülerin verimi önem verilen bir parametredir. Özellikler anahtarlama frekansının yüksek tutulması durumunda güç kayıpları çok yüksek olabilmektedir. Bir çok topoloji için muhtelif yumuşak anahtarlama devreleri geliştirilmiş ve bu sorun küçültülmeye çalışılmıştır. Ancak, yarı köprü devrelerinde bu türden fazla çalışma yoktur. Bu tezde, daha önce literatürde yer bulmuş bir öneri, biraz daha değiştirilerek uygulanmış ve olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Bu tezde önerilen AKYA-YK devresinde, normal sert anahtarlamalı devreye eklenmiş iki adet yardımcı anahtar bulunmaktadır. Bu anahtarlar, ana anahtarlara paralel bağlanmış bastırıcı kondansatörleri uygun zamanlarda devreye alıp çıkarmakta ve böylece yumuşak anahtarlama geçişlerine neden olmaktadır. Tezde, bu devrenin analiz ve tasarımı ana hatlarıyla belirtilmiştir. Hem yumuşak hem de sert anahtarlamalı devrelerin önce benzetim çalışmaları sonra da deneysel çalışmaları yapılmıştır. Yumuşak anahtarlamalı dönüştürücünün veriminin sert anahtarlamalı devrenin veriminden yüksek olduğu simülasyon ve deneysel sonuçlarla gösterilmiştir. Önerilen devrede fazladan iki yarıiletken anahtarın bulunması maliyet artırıcı bir unsur olarak görülmekle birlikte, yardımcı anahtarlama elemanlarının güç anahtarları devrede iken akım taşımaması, ana anahtarlar devreden çıktığında çok kısa süre ile akım taşıması nedeniyle bu elemanların akım değerlerinin yüksek olması gerekmemektedir. Bu nedenle, bu elemanlar için ucuz iki MOSFET kullanılabilir. Her ne kadar yapılan deneylerle yumuşak anahtarlamalı devrenin üstünlüğü kanıtlanmış olsa da, gerçekleştirilen sistemlerin çok iyi tasarlanmış, profesyonel devreler olmaması nedeniyle, verimler olması gerekenden biraz düşük çıkmıştır. 45 Gerçek değerler, daha iyi tasarlanmış devrelerin daha geniş bir yük aralığında denenmesiyle elde edilebilir. Bu çalışmanın ardından, sistemin küçük işaret modelinin elde edilmesi yoluyla kararlı bir denetleyici tasarımının yapılması uygun olabilir. Böylece devrenin dinamik tepkisinin incelenmesi de mümkün olacaktır. Ayrıca, sistemin manyetik elemanların optimizasyonu da yapılması gerekmektedir. 46 KAYNAKLAR 1. Steigerwald, R., “A Comparison of Half-Bridge Resonant Converter Topologies”, IEEE Transactions on Power Electronics, 3 (2): 174-182 (1988). 2. Kim, H.S., Huh, D.Y., and Cho, G.H., “A New Zero Voltage Switching High Frequency DC-to-DC Converter”, TENCON '91, New Delhi, 217-221 (1991). 3. Farrington, R., Jovanovic, M.M., and Lee, F.C., “A new family of isolated converters that uses the magnetizing inductance of the transformer to achieve zero-voltage switching”, IEEE Transactions on Power Electronics, 8 (4): 535-545 (1993). 4. Xiaoming, Y., and Barbi, I., “Analysis, designing, and experimentation of a transformer-assisted PWM zero-voltage switching pole inverter”, IEEE Transactions on Power Electronics, 15 (1): 72-82 (2000). 5. Imbertson, P., and Mohan, N., “New PWM converter circuits combining zero switching loss with low conduction loss”, INTELEC'90 12th International Telecommunications Energy Conference, Orlando, 179-185 (1990). 6. Imbertson, P., and Mohan, N., “Asymmetrical duty cycle permits zero switching loss in PWM circuits with no conduction loss penalty”, IEEE Transactions on Industry Applications, 29 (1): 121-125 (1993). 7. Imbertson, P., and Mohan, N., “A Novel Asymmetrical Duty Cycle Soft Switching DC-DC Converter with Lower Conduction Losses than in HardSwitched PWM Converters”, International Conf. on Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth, New Delhi, 727-733 (1996). 8. Imbertson, P., and Mohan, N., “New directions in DC-DC power conversion based on idealized concepts leading ultimately to the asymmetrical duty-cycle power converter”, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 44 (8): 722-727 (1997). 9. Yi-Hsin, L., and. Chern-Lin, C., “Analysis and design of two-transformer asymmetrical half-bridge converter”, IEEE 33rd Annual Power Electronics Specialists Conference, Cairns, 943-948 (2002). 10. Mao, H., Qahouq, A., Luo, S., and Batarseh, I., “Zero-Voltage-Switching Half-Bridge DC-DC Converter With Modified PWM Control Method”, IEEE Transactions on Power Electronics, 19 (4): 947-958 (2004). 47 11. Aydemir, M.T., Bendre, A. and Venkataramanan., G. “A critical evaluation of high power hard and soft switched isolated DC-DC converters”, IEEE IAS Annual Meeting Conference Records, Pittsburgh, 1338-1345 (2002) 12. Barbi, I., Oliveira, M.A., and J.B., Vieira., “A half-bridge pulse-width modulated zero-current-switched quasi-resonant converter”, IECON '89 15th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society, Philadelphia, 54-59 (1989). 13. Nil, M., Nil, M., Çakır, B. “A half-bridge pulse-width modulated zerocurrent-switched quasi-resonant converter”, ELECO’2006 ElektrikElektronik-Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu ve Fuarı, Bursa, 566-570 (2006) 48 ÖZGEÇMİŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, adı : EVRAN, Fatih Uyruğu : T.C. Doğum tarihi ve yeri : 23.02.1977 Mersin Medeni hali : Bekar Telefon : 0 (312) 231 74 00-2355 Faks : 0 (312) 230 84 34 e-mail : [email protected] Eğitim Derece Lisans Eğitim Birimi Uludağ Üniversitesi/ Elektronik Mezuniyet tarihi 2002 Mühendisliği Bölümü Lise Silifke Lisesi 1994 İş Deneyimi Yıl Yer Görev 2005- Gazi Üniversitesi Araştırma Görevlisi 2004-2005 Nuriş Kaynak Makinaları A.Ş AR-GE Mühendisi Yabancı Dil İngilizce Hobiler Müzik dinlemek, Bilgisayar teknolojileri
