BÖLÜM 5 DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER GİRİŞ
advertisement
BÖLÜM 5 DC-DC DÖNÜ TÜRÜCÜLER A. Deneyin Amac DC-DC gerilim azaltan dönü türücü (buck converter) ve DC-DC gerilim art ran dönü türücü (boost converter) devrelerinin davran lar incelemek. Bu deneyde gerilim azaltan ve gerilim art ran dönü türücü devrelerinin kal durum davran lar gözlenecektir. Darbe geni li inin ç gerilimine etkisi ile birlikte yük de iminin devre üzerindeki sonuçlar ve anahtarlama frekans n dönü türücünün verimine etkisi incelenecektir. Anahtarlama eleman olarak kullan lan mosfet ve diyotun anahtarlama karakteristikleri de gerekti i takdirde tekrar bu devreler üzerinde incelenebilir. B. Teori DC-DC dönü türücüler endüstride oldukça yayg n olarak kullan lmaktad r. Zaman zaman do rudan, ayarlanabilir gerilimli bir güç kayna uygulamas , herhangi bir uygulamada gerekli olan herhangi bir DC gerilim seviyesinin elde edilmesi , ya da empedanslar uyumsuz olan ard k 2 kat n birbirine uydurulmas vb. sebepler için kullan rlar. Piyasada 1W seviyesinden birkaç yüz watt seviyesine kadar olan kHz seviyesinde frekanslarda anahtarlama yapan DC-DC dönü türücüler bulunmaktad r. Gerilim Azaltan Dönü türücünün Kal Durum Devre Analizi ekil 5.1’de tipik tek transistorlü bir gerilim azaltan dönü türücü devre görünmektedir. emas Görüldü ü üzere devrede biri kontrollü(MOSFET) di eri ise kontrolsüz (diyot) olan iki adet anahtar bulunmaktad r. MOSFET’in kap -kaynak terminaline sabit frekansta , ayarlanabilir darbe geni li ine sahip, yine ekil 1’de görülen PWM sinyali uygulanmaktad r. Bu sinyalin DTS süresince (yani darbenin uyguland sürede) transistör, geriye kalan (1-D)TS ile gösterilen süresinde de diyot iletimde olacakt r. Bu durum devrenin 2 ayr modda çal arak lineer olmayan bir yap göstermesine sebep olur. imdi devrenin bu 2 ayr modunu inceleyerek gerilim azaltan dönü türücünün giri ile gerilimi aras ndaki ili kiyi bulabiliriz. GÜÇ ELEKTRON 190 ekil 5.1 ekil 5.2 ekil 5.3.a’ da dönü türücünün, transistörün iletimde diyotun kesimde oldu u mod 1’deki durumu gösterilmi tir. Transistör iletimde oldu u için k sa devre olarak, diyot ise kesim durumunda oldu u için aç k devre olarak gösterilmi tir. ekil 5.3a ekil 5.3b ekilde de görüldü ü gibi mod 1’de indüktör , do rudan ç ile giri aras na ba lanm r. Bu durumda bu modda indüktörün uçlar aras ndaki gerilim giri gerilim ile ç gerilimi aras ndaki fark kadard r. VL Vg V ekil 5.3b’deki mod 2 durumunda bakarsak bu kez transistorün kesimde diyotun iletimde oldu unu görürüz. Bu durumda indüktör üzerinde, ç gerilimine e it ve ters polariteli bir gerilim gözlemleriz. VL GÜÇ ELEKTRON 191 V Bu durumda indüktör geriliminin dalga ekli ekil 3’te gösterildi i gibi olacakt r. ekil 5.4 Art k bobinin her iki modda da hangi gerilim de erlerini ald biliyoruz. Bu durumda giri ve ç aras nda bir ba nt bulabiliriz. Kal duruma ula , dengedeki bir sistemde , bir anahtarlama periyodu süresinde indüktörün ak ndaki net de im rd r. Bu indüktör volt-saniye dengesi olarak bilinir. Buna göre a daki ifadeyi yazabiliriz. V L (t ) L di L (t ) dt [i L (t )]Ts 0 1 Ts V L(t )dt L0 i L (TS ) i L (0) 1 Ts V L(t )dt L0 Burada TS ifadesi bir anahtarlama periyodunu ifade etmektedir ve yukar da da söyledi imiz gibi bir anahtarlama periyodunda ak m de imi s rd r. En sondaki e itli in sol taraf bir anahtarlama periyodunun ba ve sonundaki ak m de erlerinin birbirinden kar lmas yani bir anahtarlama periyodu boyunca ak mdaki de imini ifade etmektedir. Dolay yla s ra e ittir ve bu ekilde e itli in sol taraf n da s ra e it olmas gerektiren a daki denklemi elde ederiz. 1 Ts L Ts V L (t )dt 0 V L(t )dt 0 0 0 Bu denklem aç kça ekil 3’te gösterilen indüktör gerilimi dalga eklinin alt nda kalan I ve II ile gösterilmi alanlar toplam n s r oldu unu ifade etmektedir. Buna göre; Ts V L(t )dt (Vg V )( DTS ) ( V )(1 D)TS 0 0 V g DTS VDTS VTS VDTS TS (V g D V ) 0 0 DV g V g DTS Vg D V VT S 0 0 V Görüldü ü gibi giri gerilim ile ç gerilim aras ndaki ili kiyi indüktör volt-saniye dengesi prensibini kullanarak bulduk. Burada D darbe geni li i(duty cycle) de eri olup 0 ile 1 aras nda de mektedir. Yaln z bu ifadenin, bir tak m yakla mlar ve varsay mlar yap larak elde etti imiz bir sonuç oldu unun fark nda olunmal r. Bu varsay mlar devrenin ideal oldu una dair olan varsay mlard r. Örne in her iki moddada, indüktör gerilimi denklemini yazarken transistör ve diyot üzerindeki gerilim dü ümünü hesaba katmayarak bunlar n s r oldu unu varsayd k. Ayr ca mod 2’de transistör kesimde oldu u için giri teki kaynak devreyi beslememekte yani ç devresi ak dolay yla enerjisini kendi içinde çevirmektedir. Yük, bu modda kaynaktan enerji almad için enerjisini kapasitör ve GÜÇ ELEKTRON 192 indüktörde depolanan enerjiden almaktad r. Bu sebeple enerjisi azalan bu elemanlar n ak m ve gerilimlerinde azalmalar olacakt r. Daha sonra devre tekrar mod 1’e dönünce kaynak devreye ba lanacak ve transistör üzerinden yüke enerji aktarmaya ba layacakt r. Dolay yla kapasitör ve indüktörün de enerjisi artacak ve s ras yla gerilim ve ak mlar da artacakt r. Yani biz her iki modun denklemini de yazarken ç gerilimini V gibi sabit bir de er olarak ald k. Oysa ç gerilimi, kapasitörün az önce bahsetti imiz enerji al veri leri sebebiyle V+v(t) eklinde V+ V ile V- V aras nda sal nan bir de erdir . Dolay yla biz V de erini alarak bu V sal n V ortalama de erine göre çok küçük ve ihmal edilebilir oldu unu varsayd k. Son olarak, önemli olan bir ba ka parametremiz de indüktör ak r. Çünkü devreden de görüldü ü gibi yük ak n süreklili i indüktör sayesinde sa lanmaktad r. Kapasitör ve yükün çekti i ak mlar n toplam bize bobinin ak verecektir. Bobin de devrede sürekli olarak enerji al veri inde bulunan bir eleman oldu u için ak nda de imler olacakt r. Bu sal mlar n seviyeleri bobinin her modda maruz kald gerilimler bilindi i takdirde hesaplanabilir. V L (t ) Burada mod 1’de Bu de Vg di L (t ) bize bobin ak dt V L L di L (t ) dt V L (t ) L n e iminin ifadesini vermektedir. Yani bobin ak imiyle DTS süresince artarken mod 2’de im ekil 4’te gösterilmi tir. ekil 5.5 GÜÇ ELEKTRON di L (t ) dt 193 V L imiyle azalmaktad r. Gerilim Art ran Dönü türücünün Kal Durum Devre Analizi ekil 5.6’ da tek transistörlü tipik bir gerilim art ran dönü türücünün (boost converter) devre emas görülmektedir. Bu devre de gerilim azaltan dönü türücü devresi gibi anahtar olarak bir mosfet bir de diyot bulundurmaktad r. Mosfet yine ayn ekilde, sabit frekansl bir PWM sinyali ile sürülmektedir. ekil 5.6 Bu devre de diyotun ve transistorün iletimine göre 2 moddan olu maktad r. ekil 5.7’de bu modlar gösterilmektedir. ekil 5.7a ekil 5.7b Devreyi, gerilim azaltan dönü türücüde yapt z gibi bobin gerilimi üzerinden modelleyerek, giri gerilimi ile ç gerilimi aras nda ili kiyi elde edebiliriz. Transistorün iletimde diyotun kesimde oldu u mod 1’de bobin, transistör üzerinden do rudan topra a ba lanm durumdad r. Dolay yla üzerinde giri gerilimi oldu u gibi görünecektir. VL Vg Mod 2’de transistör kesimdedir ve devre diyot üzerinden ç a enerji aktarmaktad r. Bu durumda bobin gerilimi giri gerilimi ile ç gerilimi aras ndaki farka e it olacakt r. VL GÜÇ ELEKTRON Vg 194 V Buna göre bobinin terminalleri aras ndaki gerilim olacakt r. ekil 5.8’ de gösterildi i gibi ekil 5.8 Gerilim art ran dönü türücüye de indüktör volt-saniye dengesi prensibini uygulayarak giri -ç gerilimi ifadesini bulabiliriz. Bir önceki k mda aç klad z ekliyle volt-saniye dengesi için Ts V L(t )dt 0 durumu sa lanmal r. Bu da ayn ekilde indüktör gerilim dalga 0 eklinin alt nda kalan alanlar toplam r. Ts V L(t )dt (V g )( DTS ) (Vg V )(1 D )TS 0 0 V g TS Vg V Vg DTS V g TS VT S VDT S VD 0 VTS V g DTS 0 Vg V Vg L 0 V (1 D) ekilde gerilimlerden hesaplayabiliriz. e imiyle artacak ve mod 2’de azalacakt r. Bu durum ekil 8’de gösterilmi tir. Vg Vg V L L ekil 5.9 GÜÇ ELEKTRON Vg VD ) 1 D n e imini yine benzer göre mod 1’de bobin ak VD V 0 Vg V Bobin ak TS (V g VDTS 195 Vg V L Buna e imiyle 5. 1 DC-DC Gerilim Azaltan Dönü türücü 5.1.1. Darbe Geni li i Etkisi ekil 5.10 ekil 5.11 ekil 5.10’da görülen devreyi kurunuz. Yük olarak ba layaca z reostay 10 ohm’a ayarlay z. Ba lant lar kontrol ettikten sonra devreye enerji veriniz. Osiloskoptan bak p “duty cycle” potunu kullanarak darbe geni li ini 0.5’e ayarlay z. Yine ayn ekilde “switching frequency” potunu kullanarak anahtarlama frekans 20kHz’e ayarlay z. GÜÇ ELEKTRON 196 Yükü ba lad ktan sonra dönü türücünün giri ine ba lad z güç kayna açarak giri gerilimini 15V’a ayarlay z. Darbe geni li ini 0.1’den 0.9’a kadar 0.1 lik ad mlarla de tirerek her ad mda ç geriliminin ortalama de erinin ölçünüz. D=0.1 D=0.5 ve D=0.9 de erleri için indüktör ak ve ç geriliminin üzerindeki dalgalanmay osiloskopta gözlemleyerek dalga ekillerinin çiziniz. (Not : ndüktör ak ölçüm kart n ak m k sm ndan, ç geriliminin üzerindeki dalgalanmalar ise, osiloskobun AC modundan görülebilir.) 5.1.2. Anahtarlama Frekans Etkisi Devreyi de tirmeksizin darbe geni li ini 0.5’e ayarlay n. Yük gerilimi dalgalanmas n tepe-tepe de erini ölçünüz. Bobin ak n dalga eklini çiziniz. Ayn lemleri, 40kHz,60kHz, 80kHz ve 100 kHz için tekrarlay z. 5.1.3. Yük Etkisi Anahtarlama frekans 100kHz’e , darbe geni li ini de 0.5’e ayarlay n. Yük olarak ba lad z reostan n direncini devre süreksiz ak m moduna geçene kadar yava yava art n. Ç geriliminin de erini ölçerek, mosfet (akaç-kaynak gerilimi) ve diyot gerilimleriyle birlikte dalga ekillerini çiziniz. (Not: Mosfet’in akaç(drain) terminali de kaynak(source) terminalide toprakta olmad için bu eleman n gerilimini osiloskopta gözlerken daha dikkatli olunuz. Yanl toprak kullan sigortalar att rabilir) 5.1.4. Verim Anahtarlama frekans 40kHz’e darbe geni li ini 0.5’e ayarlay z. Yük direncini tekrar 10 ohm’a getiriniz. Giri ak ile, ç ak m ve geriliminin ortalama de erlerinin ölçerek ortalama giri ve ç güçlerinin hesaplay z. Bu de erleri kullanarak dönü türücünün bu frekanstaki verimini hesaplay z. Ayn i lemleri 60kHz, 80kHz, 100kHz için tekrarlay z. Gerilim azaltan dönü türücü için al nan baz ölçümler a da gösterilmi tir. 25kHz frekansta D=0.5 de erinde darbe geni li i dalga ekilleri. ekil 5.12 GÜÇ ELEKTRON 197 Ayn frekansta bobin uçlar aras ndaki gerilim ekil 5.13 D=0.5 için ç gerilimi ve üzerindeki dalgalanma ekil 5.14 D=0.75 için bobin üzerindeki gerilim ve darbe geni li i-yük gerilimi dalga ekilleri ekil 5.15 GÜÇ ELEKTRON 198 5. 2 DC-DC Gerilim Art ran Dönü türücü 5.2.1. Darbe Geni li i Etkisi ekil 5.16 ekil 5.17 ekil 5.16’da görülen devreyi kurunuz. Yük olarak ba layaca z reostan n direncini 50 ohm’a ayarlay z. Giri gerilimini 10 V’a ayarlay z. Ba lant lar kontrol ederek devreye enerji veriniz. Anahtarlama frekans 50kHz’e ayarlay z. Darbe geni li ini minimumdan 0.7’e kadar 0.1likad mlarla art z. Her ad mda yük geriliminin ortalama de erini kay t ediniz. ndüktör ak ve ç gerilim üzerindeki dalgalanmay osiloskopta gözlemleyerek dalga ekillerini çiziniz. GÜÇ ELEKTRON 199 5.2.2. Anahtarlama Frekans Etkisi Darbe geni li ini 0.5’e, anahtarlama frekans 100kHz’e ayarlay z. Yükün 50 ohmda oldu una emin olunuz. Ç bobin ak n dalga eklini çiziniz. Ayn i lemi 40kHz, 60kHz ve 80kHz için tekrarlay z. 5.2.3. Yük Etkisi Darbe geni li ini 0.4’e, anahtarlama frekans 100kHz’e ayarlay z.Devre süreksiz ak m moduna geçene kadar yükü art z. Mosfet ve diyotun terminalleri aras ndaki gerilimi çiziniz. Yük geriliminin ortalama de erini ölçünüz. (Not: Gerilim art ran dönü türücüde diyot terminallerinden hiçbiri toprakta olmad için diyot gerilimi ölçümünde dikkatli olunuz. Differential probe ya da osiloskobun 2 kanal birden kullan z) 5.2.4. Verim Anahtarlama frekans 100kHz’e, darbe geni li ini 0.5’e ayarlay z. Yük direncini , yük ak 0.4 A olacak ekilde ayarlay z. Giri ak ve ç gerilimini ölçerek , dönü türücünün bu frekanstaki verimini hesaplay z. Ayn basamaklar 40 kHz, 60 kHz ve 80 kHz için tekrarlay z. DC-DC gerilim art ran dönü türücü için al nan baz sonuçlar a D=0.6 için darbe geni li i ve yük gerilimi D=0.6 için bobin gerilimi dalga ekli ekil 5.18 GÜÇ ELEKTRON ekil 5.2.3 ekil 5.2.4 ekil 5.19 200 da verilmi tir: Sonuçlar Deney 5.1.1’de her bir darbe geni li i için ölçtü ünüz gerilim de erlerini darbe geni li i- yük gerilimi eklinde grafi e dökünüz. Her bir darbe geni li i de eri için yük gerilimini teorik olarak hesaplay z. Teorik de erler ölçünlenlerle uyu uyor mu. Uyu muyorsa neden? Aç klay z. Deney 5.1.2’de her bir frekans de eri için gözlemledi iniz dalga ekillerini ölçekli ka da çizerek raporunuza ekleyiniz. Anahtarlama frekans n bobin ak üzerindeki etkisini k saca aç klay z. Deney 5.1.3’teki dalga ekillerini ölçekli ka da çizerek raporunuza ekleyiniz. Deney 5.1.4’te her bir frekans için elde etti iniz verim de erlerinin grafi ini çiziniz. Anahtarlama frekans n, devrenin verimine yapt etkiyi nedenleriyle aç klay z. Deney 5.2.1’de gerilim art ran dönü türücü için yapt z ölçümleri grafik haline getirerek deney raporuna ekleyiniz. Her bir darbe geni li i için yük geriliminin de erini teorik olarak hesaplay z. Teorik ve pratik de erler uyu uyor mu? Uyu muyorsa neden? Aç klay z… Bobin ak n dalga eklini ölçekli ka da çizerek raporunuza ekleyiniz. Deney 5.2.3’de her bir frekans için elde etti iniz dalga ekillerini ölçekli ka da çizerek raporunuza ekleyiniz. Deney 5.2.3’te elde etti iniz diyot ve mosfet gerilim dalga ekillerini ölçekli ka da çiziniz. 0.4 darbe geni li ine göre elde etmeniz gereken yük gerilimini teorik olarak hesaplay z. Deneyde ölçtü ünüz de erle uyu uyor mu? Aç klay z… Deney 5.2.4’te elde etti iniz verim sonuçlar tablo haline getirerek grafi ini çiziniz. Sonuçlar yorumlay z. GÜÇ ELEKTRON 201
