BÖLÜM 5 DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLER GİRİŞ

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