U.Arifoğlu Güç Elektroniği Devreleri Laboratuvarı Sürekli

U.Arifoğlu
Güç Elektroniği Devreleri Laboratuvarı
Sürekli Akım Modunda Çalışan Buck Çevirici Tasarımı
SORU: Aşağıdaki koşullar altında sürekli akım modunda çalışacak BUCK
(düşürücü) DA-DA çevirici tasarımı yapınız. Çevirici verimini η=% 85 alınız.
Vgiriş     V
Vçıkış   V
Içıkışmin  A
Içıkış max  A
Anahtarlama frekansı ( fs   kHz )
Vçıkış
Vçıkış
 %
Devrede anahtarlama elemanı olarak International Rectifier IRF150 power
MOSFET kullanılacaktır. (VDSS = 100 V, ISM = 40 A, rDS = 55m, Co = 100 pF ve Qg
= 63 nC.)
Devrede diyot olarak ise MBR1060 Schottky barrier diode seçilmiştir. (IDM = 20
A, VDM = 60 V, VF = 0.4V ve RF = 25m.)
ÇÖZÜM
Vgirişmin  V ; Vgirişmax  V ; Vgirişnom  V
Pçıkışmax  Vçıkış * Içıkışmax   *  W
Pçıkışmin  Vçıkış * Içıkışmin   *  W
R yük min 
R yük max 
Vçıkış
Içıkış max
Vçıkış
Içıkış  min


 .ohm



 ohm

U.Arifoğlu
Güç Elektroniği Devreleri Laboratuvarı
Devreye ilişkin Doğru gerilim transfer fonksiyonu:
TV DC min 
TV DCnom 
TV DC max 
Vçıkış
Vgiriş max
Vçıkış
Vgiriş  nom
Vçıkış
Vgiriş min


 .



 .



 .

Anahtarlama oranı (D) için değerler:
T
.
Dmin  VDC min 
 .

.
T
.
Dnom  VDCnom 
 .

.
T
.
Dmax  VDC max 
 .

.
Anahtarlama frekansı ( fs   kHz ) için, devreyi sürekli akım modunda
çalıştıracak minimum endüktans değeri;
Lmin 
R L max (  Dmin )  * (  .)

 . H
fs
 *
Bu değere en yakın (piyasada bulunan) endüktans değeri (ve bu endüktansın iç
direnç değeri) L=40μH ; LR=0.05 ohm seçilecektir.
Bobin üzerinden akan akımın maksimum dalgalılık (ripple) değeri:
i L max 
Vçıkış * (  Dmin )
fs * L

 * (  .)
 * *
 . A
Çıkış uçları (yük) arasındaki gerilime ilişkin dalgalılık (ripple) değeri (%1 idi):
Vr 
Vçıkış



  mV

rC ; kapasitenin iç direnç değeri (ESR direnci) olmak üzere, yüke paralel olarak
bağlanacak filtre kapasitesinin yeteri kadar büyük ise;
Vr  rC max * iL max
yazılabilir ve bu durumda kapasitenin ESR direnç değeri;
U.Arifoğlu
rC max 
Güç Elektroniği Devreleri Laboratuvarı
Vr
iL max

 *
 . m
.
olacaktır.
rC   m seçelim. ESR üzerinde düşen ripple gerilimi için filtre kapasitesinin
minimum değeri;
 D
  Dmin  Dmax
.
Cmin  max max ,

 . F

  * fs * rC  * fs * rC  fsrC  * *  *
C değeri olarak bulunan bu değerden yüksek olacak şekilde, C=100 μF değerinde
ve ESR direnci 50 mΩ olan 50 V luk bir DA gerilime dayanan bir kapasite seçelim.
Alçak geçiren filtrenin köşe frekansı;
fo 



 . kHz
 LC   * * *
olacaktır.
Bu durumda tasarlanan devre için frekans oranı;
fs / fo   / .  .
olacaktır.
MOSFET ( VSMmax ) ve GÜÇ DİYODU ( VDMmax ) nun maksimum stres altında
dayanması gereken maksimum gerilim tepe değeri;
VSMmax  VDMmax  Vgiriş  V
ve MOSFET ( ISMmax ) ve GÜÇ DİYODU ( IDMmax ) nun maksimum stres altında
dayanması gereken maksimum akım tepe değeri;
ISM  max  IDM  max  Içıkış  max 
i L _ max

  
.
 .A

olacaktır.
Bundan sonra, artık, "güç kaybı" ve "devrenin verimi" hesaplanabilir:
Her iki hesaplama için; yük direncinin minimum ( R yükmin  .ohm ) değeri ve
giriş gerilim değerinin ise maksimum ( Vgirişmax  V ) değeri ve anahtarlama
oranı (D) olarak ise Dmin=0.441 alınacaktır.
U.Arifoğlu
Güç Elektroniği Devreleri Laboratuvarı
MOSFET iletim kaybı hesabı:
PrDS  Dmin * rDS * Içıkış  max   .* . *  . W
MOSFET anahtarlama kaybı:
Psw  fo * Co * Vgiriş  max    * * *   . W
Buna göre MOSFET için toplam aktif güç kaybı:
P
PMOSFET  PrDS  sw  .  .  . W

NOT:
1) Gerçekte, MOSFET de maksimum iletim kaybı; R yükmin  .ohm değeri
Vgirişmax  V değeri ve anahtarlama oranı (D) olarak ise Dmax=0.588 için
meydana gelir.
2) MOSFET de maksimum iletim kaybı; R yükmin  .ohm değeri Vgirişmin  V
değeri ve anahtarlama oranı (D) olarak ise Dmax=0.588 için;
PrDS  Dmax * rDS * Içıkış  max   . * . *  . W
olacaktır.
DİYOD için iletim gerilim düşümü (VF) için kayıp hesabı:
PVF  (  Dmin ) * VF * Içıkışmax  (  .) * . *  . W
DİYOD un RF iç direnç değeri için kayıp hesabı:
PrF  (  Dmin ) * R F * Içıkış  max   (  .) * . *  . W
Buna göre DİYOD için toplam aktif güç kaybı:
PD  PVF  PRF  .  .  . W
Devredeki bobinin (ESR) iç direnci (rL=50 mΩ) üzerindeki kayıp hesabı:
PrL  rL * Içıkış  max   . *   W
Devredeki kapasite (ESR) iç direnci (rC=50 mΩ) üzerindeki kayıp hesabı:
r * (i L max ) . *.
PrC  C

 . W


U.Arifoğlu
Güç Elektroniği Devreleri Laboratuvarı
Sonuç olarak devredeki toplam aktif güç kaybı:
PTOPLAM  PrDS  Psw  PD  PrL  PrC  .  .  .    .  . W
olacaktır.
TÜM BU HESAPLAMALAR SONUNDA BUCK ÇEVİRİCİNİN GERÇEK VERİMİ:

Pçıkış
Pçıkış  PTOPLAM


 %.
  .
olacaktır.
Eğer MOSFET tetikleme devresinin gücü hesaplanmak istenir ise;
Pmosfet _ kapı  fs * Qkapı * VGStepe  tepe   *  * *  . mW
olacaktır.