DC-DC konvertörler hakkında kapsamlı bir çalışma.
DC-DC KONVERTÖRLERE GİRİŞ SEMBOLLER fs = Anahtarlama frekansı
fo = Konvertör çalışma frekansı
fr = Rezonans frekansı
R = Kondaktör etkin yük direnci
n = Sarım oranı
Vs = Sekonder ortalama gerilimi
Is = Sekonder ortalama akımı
DITsi = Anahtar kesimde iken bobin akiminin degisim süresi
DITs2 = Bobin akiminin sifir oldugu süre
VL = Ani yük gerilimi
IL = Yük akımı
D = Darbeleme görev oranı. Bir sistemde ortalama darbe gücünün tepe darbe gücüne oranı
PWM = Darbe Genişlik Modülasyonu (Pulse Width Modulation)
Pd = Giriş Gücü
ILB = Ortalama bobin akımı
IL,tepe = Bobin akımının tepe değeri
ILB,max = Ortalama bobin akımının maksimum değeri
IOB = Sürekli ve süreksiz iletim durumundaki akım değeri
Lm = Trafo endüktansi
L = Akım tutucu endüktans
DVo = Çıkış geriliminin en alt ve üst seviyesindeki farkı
DQ = Bobin akiminin kondansatörden dolayi olusturdugu yük
DIL = Çıkıştaki bozulmalara sebep olan bobin akımı
fc = Filtre frekansı
Ts = Toplam periyot
TI = İletim süresi
Tk = Kesim süresi
k = Sabit
Vk = Kontrol sinyali
VST = Osilatör sinyalinin tepe değeri
Vo = Çıkış gerilimi
Vd = Giriş gerilimi
Io = Çıkış akımı
Id = Giriş akımı
Po = Çıkış gücü
1.GİRİŞ Güç elektroniğinin temelleri, daha elektronik sözcüğünün yaygın olarak kullanılmaya başlamasından önce, 20.yüzyılın başlarında atılmıştır. Günümüzde kullanılan güç çevirici devrelerinin çoğu o yıllarda geliştirilmiş devrelerdir.
Güç elektroniği dalındaki ilk çalışmalar alternatif akımdan doğru akım elde edebilmek için yapılmıştır. Bu amaçla önce mekanik dönüştürücüler kullanılmış ve daha sonraları, civa buharlı doğrultucuların bulunması ve geliştirilmesi ile mekanik doğrultuculardan statik doğrultuculara doğru bir değişim başlamıştır. 1920"li yılların başında geliştirilen ızgara denetimli civa buharlı tüplerde doğru akım çıkış geriliminin denetlenebilmesi mümkün olmuş ve bu amaçla geliştirilen devreler, günümüzde kullanılan devrelerin temelini oluşturmuşlarıdır.
İlk yarıiletken doğrultucu bakır oksitli olup, 1920"li yılların sonlarında kullanılmaya başlamış. 1930"larda ise selenyum doğrultucular ortaya çıkmıştır.
İkinci Dünya Savaşı"ndan sonra katı hal fiziğinde önemli gelişmeler olmuş ve 1950"lerde imal edilen yarı iletken diyotları, 1957 yılında General Electric firmasının geliştirip imal ettiği tristörler izlemiştir. Bu yarıiletken, güç elektroniği dalında bir devrim yaratmış, küçük ve sağlam yapısı, çalışma koşullarından etkilenmemesi gibi özellikleri dolayısıyla güç elektroniği uygulama alanlarını büyük çapta artırmıştır.
Güç elektroniğinin evrimini hızlandıran ve uygulama alanlarını genişleten bir diğer etken de yakın geçmişte yaşadığımız enerji krizi olmuştur. Enerji tasarruf yapma zorunluluğu, asenkron motorları daha verimli bir şekilde çalıştırabilmeyi sağlayacak yeni güç elektroniği devrelerinin geliştirilmesini sağlamıştır.
1957 yılında tristörün güç elektroniği elemanları arasına katılmasının yarattığı devrime benzer bir devrim de, 1974 yılında, ilk mikroişlemcinin piyasaya sürülmesiyle yaşanmıştır. Mikroişlemciler, çok sayıda ayrık ve tümleşik devre elemanlarının yerini alabilme özellikleri ile güç elektroniği dalında çalışan kişiler önünde yeni ufuklar açmış, şimdiye kadar karmaşık yapıları ve ekonomik olmamaları nedenleri ile ancak özel durumlarda kullanılan güç elektroniği devrelerini ve denetim yöntemlerini tekrar cazip bir duruma getirmiştir. Asenkron motorların, karmaşık ve pahalı olmayan sistemlerde, doğru akım motorları kadar kolay ve hassas bir şekilde denetlenebilme olanağı doğmuş ve fırça, komitatör problemleri ve bakım zorlukları doğrudan doğru akım motor sürücü sistemleri bir ekonomik alternatif olarak düşünülmeye başlamıştır. Güç elektroniği uygulama alanları özellikle son yıllarda hızla artmış ve iletişim, savunma, endüstriyel süreçler, güç üretimi, taşıma ve dağıtımı, enerji dönüşümü, ulaşım , dağıtım ve tüketici elektroniği gibi çok geniş bir alana yayılmıştır.
Çoğu endüstriyel uygulamalarda sabit gerilimli DC kaynağın, değişken gerilimli DC kaynağa çevrilmesi gerekmektedir. DC/DC konvertörler olarak da bilinen bir DC kıyıcı direkt olarak DC "yi DC "ye dönüştürür. Bir konvertör, sürekli değiştirilebilir sarım oranlı bir AC transformatörün eşdeğer DC devresi gibi de düşünülebilir. Transformatörün AC gerilimi arttırıp azaltabildiği gibi DC/DC konvertör de bir DC kaynağın gerilim değerini arttırıp, azaltabilir.
Konvertörler, elektrikli otomobillerde, deniz yük asansörlerinde, çatal kaldırıcılı kamyonlarda, maden ocağı çekicilerinde motor çekim kontrolü için oldukça sık kullanılır. Yumuşak hız kontrolü, yüksek verim ve dinamik tepki gibi avantajları DC/DC konvertörlerin tercih nedenleridir. Ayrıca enerjiyi malzemenin içine geri göndermek için de motorların aktif frenlenmesinde de kullanılmaktadır. Bu özellik sık durmalı aktarım sistemlerinde enerjinin korunmasını sağlar.
Bir Konvertörün Çalışma Sistemi: Şekil 1.1."de görüldüğü gibi özetlenebilir.
Şekil 1.1. DC/ DC Konvertör Sistemi
DC-DC KONVERTÖRLERİN SINIFLANDIRILMASI AKIM VE GERİLİM YÖNÜNE GÖRE KONVERTÖRLER (KIYICILAR) 5 gruba ayrılabilir.
- A Sınıfı Konvertörler
- B Sınıfı Konvertörler
- C Sınıfı Konvertörler
- D Sınıfı Konvertörler
- E Sınıfı Konvertörler
A Sınıfı Konvertör
Yük akımı yükün içine doğru akar. Şekil 2.1.a "da gösterildiği gibi yük gerilimi de yük akımı da pozitiftir. Eksenleri IL, VL "den oluşan bir düzlemin tek bölgesinde çalışabildiği için tek kadran tipi konvertör olarak adlandırılabilir.
Şekil 2.1. Konvertörlerin Kadran Sınıflandırılması
B Sınıfı Konvertör
Yük akımı yükün dışından akar. Şekil 2.1.b "de gösterildiği gibi yük gerilimi pozitif fakat yük akımı negatiftir. B sınıfı konvertör de A sınıfı konvertör gibi tek kadran tipidir. Buna karşılık, düzlemin ikinci bölgesinde çalıştığı için invertör olarak da kullanılabilir. Bu tip konvertör de Şekil 2.2.a "da gösterilmektedir. Şekildeki E bataryası yükün bir kısmı ve DC motorun geri EMK "sı olarak düşünülebilir.
S1 anahtarı kapatıldığında E bataryasından dolayı L bobininden bir akım geçer ve VL gerilimi sıfır olur. Ani yük gerilimi VL ve yük akımı IL Şekil 2.2.b ve c "de sırasıyla gösterilmiştir.
Şekil 2.2 B Sınıfı Konvertör
Şekil 2.2.a "daki devrede S1 anahtarı kapatıldığında
IL (t=0) = I1 olduğunda,
AT.t = t1,
IL (t = t1= kT) = I2 olur.
S1 anahtarı açıldığında, L bobininde depolanmış enerjinin büyüklüğü D1 diyotu üzerinden VS kaynağına geri verilir. Yük akımı iL azalır.
t2 = (1-k).T , t = t2"de
IL (t = t2) = I1 Kararlı hal sürekli akımı için
IL (t = t2) = 0 Kararlı hal süreksiz akımı için
C Sınıfı Konvertör
Şekil 2.1.c "de gösterildiği gibi yük akımı hem pozitif hem negatiftir. Fakat yük gerilimi her zaman pozitiftir. Şekil 2.3"de gösterilen ve iki kadran tip konvertör olarak bilinen C sınıfı konvertör A ve B tip konvertörlerin birleştirilmesinden oluşur. S1 ve D2, A sınıfı; S2 ve D1 B sınıfı konvertör vazifesini görür.S1 ve S2 aynı anda kapatılmadığı sürece C sınıfı konvertör hem doğrultucu hem de ters çevirici (invertör) olarak kullanılabilir.
Şekil 2.3 C Sınıfı Konvertör
D Sınıfı Konvertör
Yük akımı devamlı pozitiftir. Şekil 2.1.d "de gösterildiği gibi yük gerilimi hem pozitif hem negatiftir. Şekil 2.4"deki bu devre doğrultucu veya ters çevirici olarak kullanılabilir. S1 ve S4 anahtarları kapatılırsa VL ve IL pozitif olur. S1 ve S4 anahtarları açıldığında yük akımı IL pozitif olur ve endüktif bir yük için akmaya devam eder. D2 ve D3"ün hazırladıkları yol ile yük akımı ve VL ters çevrilir.
Şekil 2.4 D Sınıfı Konvertör
E Sınıfı Konvertör
Şekil 2.1.e "de gösterildiği gibi, yük akımı ve yük gerilimi, hem pozitif hem negatiftir. Şekil 2.5. "de gösterilen ve 4 katran tip konvertör olarak da adlandırılabileceğimiz E sınıfı konvertör, 2 tane C sınıfı konvertörün birleştirilmesinden oluşur.
Şekil 2.5 E Sınıfı Konvertör
