4.1. Devre Tasarım Kriterleri
Genel olarak devre tasarımı aşamasında bazı kabuller yapılarak işe başlanır. Tasarımı gerçekleştirilen DA-DA yükseltici dönüştürücü devresi için belirlenen devre parametreleri Tablo 4.1’de verilmiştir. Giriş gerilim seviyesi 24V DA olarak belirlenmiştir. 24V DA gerilimi, iki adet 12V 7Ah etiket değerindeki kurşun asit akünün seri olarak bağlanması ile elde edilmiştir. Akü grubunun boş ve tam dolu olduğu andaki açık devre gerilimleri, devrenin giriş gerilim aralığını oluşturmuştur. Tasarımı gerçekleştirilen devre Şekil 4.1’deki gibidir.
Şekil 4.1. DA-DA yükseltici dönüştürücü devresi
Çıkış gerilim seviyesi 48V DA olarak belirlenmiş olup, 60W’lık bir çıkış gücü hedeflenmiştir. Bu durumda devrenin çıkış akımı Denklem (4.1)’e göre bulunur.
o o o P I = V (4.1)
Tablo 4.1 Tasarlanan devrenin parametreleri
Devre tasarımında bobin, kondansatör gibi pasif elemanların değerlerinin belirlenmesi amacıyla bir verim hedefi koyulmalıdır. Bu sebeple beklenen verim %90 olarak belirlenmiş ve sürekli halde akü grubundan çekilecek güç değeri hesaplanmıştır. Çıkış gücü 60W olan bir DA-DA yükseltici dönüştürücü devresinin girişinden sürekli halde;
o i
P P =
η (4.2)
bağıntısına göre 67W güç çekileceği hesaplanmış ve giriş gerilimini minimum olduğu durumda aküden çekilecek akım;
gmax i
gmin
P
I =
V (4.3)
bağıntısından 3,03A olarak bulunmuş ve bobin akımındaki dalgalılığın %20 kadar olması kabulü yapılarak bobin akımı değişimi;
L gmax
∆I = % c I (4.4)
‘e göre 0,606A olarak hesaplanmıştır. Minimum giriş gerilimi durumunda yarı iletken anahtarın iletimde kalma süresini belirleyen D doluluk boşluk oranı;
gmin D o
V - V +V
Tasarım İçin Yapılan Kabuller
Giriş Gerilimi 22-27V
Giriş Maks. Ort. Akım ~3,03A
Yük Gerilimi 48V
Yük Akımı 1,25A
Yük Direnci 38.4Ω Anahtarlama Frekansı Akım Dalgalılığı Çıkış Gerilim Dalgalılığı 20 kHz 0,606A (%1)0,48V Hesaplanan Değerler Endüktans 1,02mH Çıkış Kondansatörü 67µF
bağıntısına göre VD diyot gerilim düşümü 1V kabul edilerek 0,56 olarak hesaplanmıştır. 20 kHz anahtarlama frekansında gerekli olan endüktans değeri Denklem (3.19)’dan 1,02 mH olarak bulunmuş ve %1 çıkış gerilim dalgalılığı için çıkış kondansatörü ise Denklem (3.20) kullanılarak 67 µF olarak hesaplanmıştır. 4.2. Bobin Nüve Seçimi ve Hesaplamalar
DA-DA dönüştürücü devrelerinde bobinin endüktans değeri kolay hesaplanmakla beraber, tespit edilen frekans ve akımda çalışacak bobinin tasarımı ve nüve seçimi karmaşık bir iştir. Konuyla ilgili Mclyman “Transformer and Inductor Design Handbook” kitabında tasarımcılar için yol göstermiştir.
Bobinde depo edilecek enerji, Denklem (3.14)’e göre hesaplanır. Daha sonra nüve seçimi için Ke elektrik sabiti Denklem (4.6)’ya göre hesaplanır.
2
e o m -4
K = 0.145P B 10 (4.6)
DA-DA dönüştürücülerde birçok nüve çeşidi ve tipi kullanılmakla beraber, gerçekleştirilen uygulamada ferrit nüve tercih edilmiştir.
Bm akı yoğunluğu olup ferrit nüvelerde maksimum 0,44T olarak kabul edilmiştir [47]. Kg nüve geometrik faktörü olup Denklem (4.7)’ ye göre hesaplanır.
2 L g e W K = K m (4.7)
Denklem (4.7)’de m, bobin regülasyon katsayısı olup, bobinde oluşan bakır kaybının, bobinin aktardığı çıkış gücüne oranının yüzdesel değeridir. Hesaplanan Kg değerine göre bir nüve seçilir ve hesapladığımız endüktans değerini elde etmek için sarım sayısı, tel kesiti gibi hesaplara geçilir. Bu amaçla ilk önce akım yoğunluğu;
4 p L m u 2W 10 J = B A K (4.8)
bağıntısına göre hesaplanır. Burada AP, nüvenin geometrisine bağlı bir sabittir ve Denklem (4.9)’a göre bulunabilir.
P A C
A = W A (4.9)
WA ve AC sırasıyla kullanılabilir nüve alanı ile nüve kesit alanıdır. Şekil 4.2’de E tipi nüve için önemli kesitler belirtilmiştir. Sarım yapılacak telin kesiti;
Şekil 4.2. E tipi nüve için önemli kesitler [48]
W(B) L o ∆I I + 2 A = J (4.10)
bağıntısına göre belirlenir. Nüveye ait kullanılabilir sarım alanı, sarım sayısı açısından sınırlayıcı bir büyüklük olup Denklem (4.11)’e göre hesaplanır.
A A(eff) 2 W = W S (4.11) N1b sarım sayısı; A(eff) 1 1b W W S N = A (4.12)
olarak hesaplanır. S1 ve S2 katsayıları sırasıyla toplam sarım alanının kullanılabilir nüve pencere alanına oranı ve kullanılabilir nüve pencere alanının nüve pencere alanına oranı olup 0,75-0,6 olarak kabul edilmiştir [48]. Seçilen nüvenin, daha yüksek akım değerlerinde doymadan çalıştırılabilmesi için nüveler arası hava aralığı
2 -8 1b C g 0.4ΠN A 10 l = L (4.13)
olarak cm cinsinden bulunur. Genellikle hava aralığına kraft kağıdı koyulur. Bu kağıt çok ince bir kağıt olup 1 mils kalınlığındadır. 1 mils 0,0254 mm kalınlığında olup, hesaplanan hava aralığı büyüklüğü bu değere bölünüp kraft kağıdından kaç kat yapılacağı belirlenir. Hava aralığının bırakılması bir miktar kaçak akı oluşumuna yol açar [48]. Kaçak akı büyüklüğü;
g g C l 2G F = 1+ ln l A (4.14)
olarak hesaplanır ve yeni sarım sayısı;
-8 g 2b C l L N = 0,4ΠA F10 (4.15) olarak hesaplanır.
Uygulama için tasarlanan bobin Şekil 4.3’de verilmiş olup bobine ait parametreler Tablo 4.2’deki gibidir.
Tablo 4.2 Tasarlanan bobin parametreleri
Çıkış gücü 60W
Giriş maks. akımı 3.33A
AC dalgalılık Akımı (∆IL) 0.606A
Bobinde depolanan enerji 5.65mW.s
Elektriksel sabit 1.684x10-4
Geometrik faktör 0.019
Nüve EE40 MnZn
Akım yoğunluğu 505.54A/cm2
AW(B) 5.4x10-3 cm2 Wa(eff) 0,825 cm2 1. Sarım hesabı (N1b) 91 Hava aralığı 1.3mm Kaçak akı 1.42 mT 2. Sarım hesabı (N2b) 77
Şekil 4.3. Tasarlanan bobin 4.3. Kontrol Devresi
Tasarımı gerçekleştirilen DA-DA yükseltici dönüştürücü devresinde değişken giriş geriliminde çıkış geriliminin sabit tutulması gerekmektedir. Bu sebeple bir kontrol devresine ihtiyaç duyulmaktadır. Çıkış geriliminin sabit tutulması için uygulamada açık çevrim kontrol tercih edildiği için giriş geriliminin sürekli olarak ölçülmesi ve yarı iletken anahtara uygun PWM sinyalinin üretilmesi gerekmektedir.
Microchip firmasının yaygın olarak kullanılan PIC16F877A entegresi gerek analog bilgilerin okunması gerekse de PWM yarı iletken sürme sinyallerinin üretilmesi amacıyla kullanılmıştır. Entegrenin analog-dijital dönüştürücü özelliği sayesinde giriş gerilimi program döngüsü içinde sürekli olarak ölçülmüş ve 20 kHz frekansta ve uygun doluluk boşluk oranında PWM sinyali üretilmiştir. PWM sinyalinin üretildiği kontrol devresinin prensip devre şeması Şekil 4.4’de verilmiştir.
Şekil 4.4. Kontrol devresi
4.4. Yarı İletken Anahtar Seçimi ve Sürücü Devresi
Bir güç elektroniği devresinde, yarı iletken elemanın seçimi kuşkusuz büyük öneme sahiptir. Yarı iletken elemanın seçimi yapılmadan önce yük akımı, giriş ve çıkış gerilimi, anahtarlama frekansı gibi büyüklüklere karar verilmiş olması gerekir. Tasarlanan devrenin endüstriyel bir ürün olması hedefleniyorsa hacim ve maliyet en önemli parametreler olmasına rağmen, araştırma amaçla tasarımlar için bu ayrıntı göz ardı edilebilir. Bu sebeple burada maliyet ve hacimsel kritik yapılmayacaktır. Yükseltici dönüştürücü devresinde anahtar kesimdeyken, çıkış geriliminin tamamı (diyot gerilim düşümü ihmal edildiği takdirde) yarı iletken anahtar üzerinde olur. Çıkış gerilim seviyesinin büyüklüğünü referans alarak en az 3-5 katı büyüklüğünde drain source devrilme gerilimine sahip bir yarı iletken seçilmelidir [49].
Yarı iletken anahtar üzerinden akan akım, üretici firma veri sayfalarında IDR drain akımı olarak adlandırılır ve yarı iletken eklem bölgesi sıcaklığına göre akım değeri değişir. Yükseltici dönüştürücü devrede, Şekil 3.3.b.’ye göre yarı iletken anahtar
bobin üzerinden sürekli hale ulaşana kadar geçen akım değerini simülasyon sonuçlarına göre değerlendirerek uygun drain akımına sahip yarı iletken seçilmelidir. Aksi takdirde aşırı akımdan dolayı yarı iletken zamanla ısınıp, kullanılmaz hale gelebilir.
Yarı iletken anahtar iletim durumunda bir direnç gibi davranır ve;
2 k D DS
P = I R (4.16)
bağıntısına göre bir kayıp güç oluşur. RDS direnci iletim kaybını doğrudan etkilediğinden küçük olması istenir.
Bunun yanında yarı iletken elemanın iletime giriş ve kesime giriş anlarında da anahtarlama frekansı, yükselme ve düşme zamanlarına bağlı olarak anahtarlama kayıpları meydana gelir. İletime giriş ve kesime giriş anlarındaki kayıplar sırasıyla Denklem (4.17) ve Denklem (4.18)’de verilmiştir.
D DS r P SW(on) I V t f P = 2 (4.17) D DS f P SW(off) I V t f P = 2 (4.18)
Denklem (4.17) ve Denklem (4.18)’deki ID drain akımı, VDS yarı iletken drain source gerilimi, tr yükselme süresi, tf ise düşme süresidir. Görüldüğü gibi tr ve tf süreleri ve anahtarlama frekansı, kayıpları doğrudan etkilemektedir. Şekil 4.5’te anahtarlama kaybınının yarı iletken akım ve geriliminin yükselme ve düşme sürelerine bağlı olduğu görülmektedir.
Uygulamada IRFP450 MOSFET’i için aynı firmanın IR2118 sürücü entegresi kullanılmıştır. IR2118 sürücü entegresine genliği yükseltilmiş ve kontrol devresinden izole edilmiş PWM sinyali 6N136 optokuplörü tarafından sağlanmıştır. Şekil 4.6’da MOSFET sürme devresi gösterilmiştir.
Şekil 4.6. Yarı iletken kapı sürme devresi 4.5. Diyot Seçimi
Yükseltici DA-DA dönüştürücü devresinde diyot, yarı iletken anahtar iletim durumundayken çıkış gerilimini ters polariteli olarak üzerinde tutmaktadır. Bu gerilimin büyüklüğü, ileri yönlü akım taşıma kapasitesi çıkış akımına uygun ve diyotun ters toparlanma süresinin ise çalışma periyoduna göre daha küçük süreli olması gerekir. Ters toparlanma süresi trr Şekil 4.7’deki ta + tb sürelerinin toplamıdır. Ayrıca diyot iletim halindeyken oluşan ileri yönlü gerilim düşümünün de küçük olması istenir. Gerçekleştirilen uygulamada ters toparlanma süresi ns.’ler mertebesinde olan MUR 840 çok hızlı (ultra-fast) diyotu seçilmiştir.
4.6. Besleme Devreleri
Tasarımı gerçekleştirilen DA-DA yükseltici dönüştürücü devresinde
mikrodenetleyici, optokuplör, sürücü entegresi gibi devre elemanları sabit besleme gerilimine ihtiyaç duyarlar. Bu amaçla ±5V DA ve +15V DA besleme devreleri kurulmuştur. ±5V DA besleme devresi Şekil 4.8’de gösterilmiştir.
Şekil 4.8 ve Şekil 4.9’daki devrelerde şebeke gerilimi 12V AC’ye çevrilir ve daha sonra bir köprü diyot ile doğrultulurak, yüksüz durumda doğru akım formunda √2 katı kadar bir gerilime dönüştürülür. Son olarak ise regüle entegreleri ile ±5V ve 15V DA gerilim seviyesine dönüştürülür.
Şekil 4.8. ±5V DA besleme devresi
Şekil 4.9. +15V DA besleme devresi 4.7. Gerilim ve Akım Ölçümü
DA-DA dönüştürücü devresinin giriş ve çıkış geriliminin ölçülmesi için Şekil 4.10’ daki gerilim bölücü devreleri dönüştürücü devresine eklenmiştir. Seçilen direnç
ayarlanmmıştır. Gerilim bölücü devreleri Şekil 4.11’deki tampon devre aracılığıyla mikrodenetleyici analog girişine bağlanmıştır. Analog veriler mikrodenetleyici içinde bulunan yazılım sayesinde gerçek değerine çevrilmiştir. Tampon devresi, güç devresi ile kontrol devresi arasında suni bir izolasyon oluşturmuş ve iki devre arasında megaohm mertebesinde direnç sağlanmıştır. Bu devre, kontrol devresinin güç devresinden dolayı oluşabilecek aşırı akımlardan korunması açısından önemlidir. Tasarlanan yükseltici dönüştürücü devresinin giriş akımını ölçmek için LTS-25NP akım transdüseri kullanılmıştır.
Şekil 4.10. Gerilim bölücü devreleri