DC-DC Dönüştürücüler DC-DC Dönüştürücüler

DC-DC Dönüştürücüler DC-DC Dönüştürücüler

Power Electronics 1

İçerik İçerik

• DC-DC çeviricilerin temelleri

• Kompozit DC-DC çeviriciler ve

DC-DC çeviriciler çoklu bağlantısı

• İzoleli DC- DC çeviriciler

DC-DC Çeviriciler DC-DC Çeviriciler

Mikrodenetleyiciler 3

Girişine uygulanan DC gerilimi, başka bir gerilim seviyesinde bir DC gerilime Girişine uygulanan DC gerilimi, başka bir gerilim seviyesinde bir DC gerilime dönüştüren devrelerdir.

dönüştüren devrelerdir.

Anahtarlamalı Güç Kaynakları (SMPS), DC motor sürücü, Batarya şarj Anahtarlamalı Güç Kaynakları (SMPS), DC motor sürücü, Batarya şarj

devreleri, PV paneller için maksimum güç noktası takip devreleri (MPPT), Led devreleri, PV paneller için maksimum güç noktası takip devreleri (MPPT), Led sürücüler gibi alanlarda kullanılırlar.

sürücüler gibi alanlarda kullanılırlar.

DC DC - - DC DC K K onvert onvert ö ö r r lerin Temelleri lerin Temelleri

• Alçaltıcı konvertör - Buck converter (Step-down converter)

• Yükseltici konvertör -Boost converter (Step-up converter)

• Alçaltıcı-Yükseltici konvertör - Buck-Boost converter (Step-down/step-up converter)

• Cuk konvertör

• Sepic ve Zeta konvertör

DC DC - - DC DC çeviricilerin temelleri çeviricilerin temelleri

Alçaltıcı Konvertör (Buck – step-down converter) Alçaltıcı Konvertör (Buck – step-down converter)

SPDT switch changes dc SPDT switch changes dc component

component

Switch output voltage Switch output voltage waveform

waveform

Duty cycle D:

Duty cycle D:

0 0 D D 11

complement D’:

D’ = 1 - D

Dc bileşen= ortalama değer

Anahtarlanmış Çıkış Geriliminin DC bileşeni

Alçak geçiren devre eklenerek sadece DC bileşenin yüke aktarılması Alçak geçiren devre eklenerek sadece DC bileşenin yüke aktarılması

Alçaltıcı Konvertör (B

Alçaltıcı Konvertör (B uck converter uck converter ) )

İdeal anahtarlı alçaltıcı İdeal anahtarlı alçaltıcı konvertör

konvertör

Güç mosfeti ve diyot Güç mosfeti ve diyot eklenerek gerçekleme eklenerek gerçekleme

• Diyot ters yönde polarize

• Bobin üzerinde yüke akım artışı olur

• Bu durumda bobin üzerindeki gerilim

• Bobin akımı lineer olarak artar

V_d V_D

+ v_L -

C R_L

+

 V_o

V_dV_o

V_o

closed

opened

closed opened

t

DT T t

i_Lmin i_Lmax I_L

v_L

i_L

i_L

+

 S

o d

L

V V

v  









dt L v

i

dt L di v

L L

L L

1

Anahtar Kapalı Durumu

Anahtar Kapalı Durumu

• Bobinde depo edilen enerji nedeni ile, i

akım akışı

devam eder.

• Diyot iletimdedir.

• Akım diyot üzerinden devresini tamamlar.

• Bobin üzerindeki voltaj:

Anahtar Açık Durumu Anahtar Açık Durumu

V_d

+ v_L -

C R_L

+

 V_o

V_dV_o

V_o

closed

opened

closed opened

t

DT T t

i_Lmin i_Lmax I_L

v_L

i_L

i_L S

D

(1-D)T

o

L

V

v  

Analiz Analiz

L V V dt di

dt Ldi V

V v

o d L

o L d L

 









 

L V i V

L V V DT

i t

i dt

di

o d closed

L

o d L

L L





 



 







 

 



 

  ^{D T}

L i V

L V T

D i t

i dt

di

L V dt

di

dt Ldi V

v

o opened

L

o L

L L

o L

o L L

) 1 ( ) 1 (







 



 





 



 



 

 









Anahtar kapalı iken (on) Anahtar kapalı iken (on)

Anahtar açık iken (off) Anahtar açık iken (off)

Bobin akımının türevi sabittir ve lineer artar Bobin akımının türevi sabittir ve lineer artar

Kararlı halde bir periyot içerisindeki akım Kararlı halde bir periyot içerisindeki akım değişimi sıfırdır.

değişimi sıfırdır.

   

d o

o s o s

d

opened closed L

L

DV V

T L D

DT V L

V V

i i













 



 





 



 









0 )

1 ( 0

Analiz Analiz

min

max I

I

i_L  



I_L I_max

I_min i_L

i_L

t

Ortalama bobin akımı = Ortalama yük akımı Ortalama bobin akımı = Ortalama yük akımı

Maksimum akım:

Maksimum akım:

Minimum akım:

Minimum akım:

R I V

I_L  _R  ^o





 



  

 



 



 



 



 Lf

D V R

T L D

V R

V I i

I _L ^{L o o} _o

2 ) 1

( ) 1

1 2 (

1

max 2



 



  

 



 Lf

D V R

I i

I _L ^L _o

2 ) 1 ( 1

min 2

Bobin ripple akımı:

Bobin ripple akımı:

Sürekli Akım Modu Sürekli Akım Modu

 

 



  

 



 Lf

D V R

I i

I

2

) 1

( 1

min

2

i_L I_max

I_min t

0

Önceki analizden Önceki analizden

f R L D

L

Lf D V_o R

 







 



 



 



2 ) 1

( 2 0

) 1

( 1

min

Çıkış Voltaj Ripple Çıkış Voltaj Ripple

KCL, kapasitör akımı:

KCL, kapasitör akımı:

8 2

) 1

(

8 LCf

D C

i

V_o  T ^L  



i_L

i_L=I_R i_max

i_min 0

0

V_o +



V_o/R i_R

L i_L

i_C

i_C

Şarj yükü:

Şarj yükü:

Üçgen alan formülünden Üçgen alan formülünden

Ripple voltajı Ripple voltajı

Ripple faktörü

Ripple faktörü Ripple faktörünü azaltmak için:Ripple faktörünü azaltmak için:

-Anahtarlama frekansı arttırılır -Anahtarlama frekansı arttırılır -Bobin endüktansı arttırılır -Bobin endüktansı arttırılır -Kapasitör değeri arttırılır -Kapasitör değeri arttırılır

R L

c i i

i  

C V Q

V C Q CV Q

o o

o

 















8 2

2 2

1 T i_L T i_L

Q  



 



 



 



 



8 2

) 1

( LCf

D V

r V

o

o  

 

Temel Tasarım Prosedürü Temel Tasarım Prosedürü

D, gerekli olan çıkış voltajına göre hesaplanır.

Anahtarlama frekansı ve anahtarlama elemanı belirlenirken:

- Akustik gürültüyü engellemek için f>20KHz olmalı

- Yüksek f için daha küçük L ve C değerleri seçilir. Bu halde kayıplar artar, verim düşer, geniş soğutucu kullanılır.

- Mosget, IGBT veya Transistör kullanılabilir.

L_min hesaplanır. L>>10 L_min

Ripple faktör talebine göre C hesaplanır.

Kablolar rms akımı taşıyak şekilde seçilmelidir.

V_d (input spec.)

SWITCH

f = ? D = ? TYPE ?

D

L L_min= ? L = 10L_min

C ripple ?

R_L P_o = ? I_o = ?

2 2

, 3

2



 



 

 _L ^L

RMS

L i

I I

Yükseltici Konvertör (Boost

Yükseltici Konvertör (Boost converter converter ) )

Anahtar Kapalı Durumu Anahtar Kapalı Durumu

  L

DT i V

L V dt

di

DT i t

i dt

di

L V dt

di

dt L di V

v

d closed

L

d L

L L

L

d L

L d

L









 



 









DT T

i_L

v_L CLOSED

t

t V_d

V_d V_o

i_L

V_d

L D

S C + v_L  i_L

+ v_o



Anahtar Açık Durumu Anahtar Açık Durumu

   

L

T D V

i V

L V V

dt di

T D i t

i dt

di

L V V

dt di

dt L di V

V v

o d

opened L

o d L

L L

L

o d L

o L d

L

) 1

( ) 1

(



 





 





 



 

 









DT T

( 1-D )T i_L

v_L OPENED

t

t V_d

V_d V_o

i_L

V_d

D

S C + v_L-

i_L

+ v_o -

Analiz Analiz

   

 

D V V

L

T D V

V L

DT V

i i

o d

o d

d

opened closed L

L

 



 

 









1

) 0 1

(

0

Yükseltici konvertörde, çıkış voltajı giriş voltajına eşit yada

büyüktür.

Analiz Analiz

L DT V R D V I i

I _L ^{L d d}

2 )

1 (

2 ²

min 

 

 





Ortalama bobin akım:

Ortalama bobin akım:

Maksimum bobin akımı:

Maksimum bobin akımı:

Minimum bobin akımı:

Minimum bobin akımı:

Giriş Gücü = Çıkış Gücü Giriş Gücü = Çıkış Gücü

R D V R

D V I

V

R I V

V

d d

L d

o d

d

2 2 2

2

) 1

( )

1 (

 



 





 



R D I_L V^d ₂

) 1

( 





L DT V R D V I i

I _L ^{L d d}

2 )

1 (

2 ²

max 

 

 





L ve C değeri L ve C değeri

 

 

RCf D V

r V

RCf D V RCf

DT V V

V C R DT

Q V

f

R D

D

TR D

L D

L DT V

R D

V I

o o

o o

o

o o

d d

 











 



 



 



 

 



 



faktör Ripple

2 1

2 1

2 0 )

1 (

0

2

2 min

2 min

I_max I_min

I_min I_max

i_c i_D i_L

V_d v_L

V_dV_o

I_o=V_o / R

DT T

Q

Sürekli Akım Modu Sürekli Akım Modu

Alçaltıcı-Yükseltici Konvertör (Buck-Boost

Alçaltıcı-Yükseltici Konvertör (Buck-Boost converter converter ) )

Anahtar Kapalı Durumu Anahtar Kapalı Durumu

DT T

I_min

I_max

i_c i_D i_L

V_d v_L

Q V_dV_o

I_o=V_o / R

I_max

I_min

L DT i V

L V DT

i t

i

L V dt

di

dt L di Vd

v

closed d L

d L

L

d L

L L







 

 











)

(

Anahtar Açık Durumu Anahtar Açık Durumu

DT T

I_min

I_max

i_c i_D i_L

V_d v_L

Q V_dV_o

I_o=V_o / R

I_max

I_min

L

T D i V

L V T

D i t

i

L V dt

di

dt L di V

v

opened o L

o L

L

o L

o L L

) 1

) ( (

) 1

(

 





 

 













Analiz Analiz

D>0.5, çıkış voltajı giriş voltajından büyük D<0.5, çıkış voltajı giriş voltajından küçük Çıkış voltajı her zaman negatif.

Anahtar kapalı olduğunda bobinde enerji depo edilir. Anahtar açıldığında enerji yüke transfer edilir.

 

 





 





 













D V D

L

T D V

L DT V

s o d

opened iL

closed iL

V 1

) 0 1

(

0

o

) (

) (

Analiz Analiz

Ortalama bobin akım:

Ortalama bobin akım:

Giriş Gücü = Çıkış Gücü Giriş Gücü = Çıkış Gücü

s d o

s o

I R V

V

P P





2

D I R V

V D I I

L o d

L s







2

2 2

) 1

( D

R

D V D

V P RD

V

I V

d o d

L o

 







L ve C değeri L ve C değeri

Sürekli Akım Modu Sürekli Akım Modu

f R L D

L DT V D

R

D _d

2 ) 1

(

2 0 )

1 (

V

2 min

2 d

 





 

RCf D V

r V

RCf D V RC

DT V V

V C R DT

V

o o

o o

o

o o

 











 



 



 

Q

L DT V D

R D V I i

I

L DT V D

R D V I i

I

d d

L L

d d

L L

2 )

1 ( 2

2 )

1 ( 2

min 2 max 2

 

 







 

 







Voltaj Ripple Voltaj Ripple

Min ve max bobin akımı Min ve max bobin akımı

Kompozit

Kompozit DC/DC DC/DC konvertör ve konvertör ve DC/DC DC/DC konvertörlerin çoklu bağlantısı konvertörlerin çoklu bağlantısı

• Akımı terslenebilir kıyıcı

• Köprü kıyıcı (H-bridge DC/DC converter)

• Çoklu faz ve çoklu kanal DC/DC

konvertör

A A kımı terslenebilir konvertör kımı terslenebilir konvertör

E L

V ₁

V D ₁ u _o

i_o V ₂

V D ₂

E _M M

R

30 Buck

Buck ve Boost devrelerinin ve Boost devrelerinin kombinasyonudur.

kombinasyonudur.

DC motor yük olarak bağlandığında iki DC motor yük olarak bağlandığında iki bölgede çalışabilir

bölgede çalışabilir ( ( II.. & II & II.).) ileri yön motor çalışma ileri yön motor çalışma ileri yön frenleme ileri yön frenleme

Köprü Kıyıcı

Köprü Kıyıcı (H-bridge chopper) (H-bridge chopper)

DC motor için

DC motor için 44 bölgede çalışabilir. bölgede çalışabilir.

E L R

+ -

V

VD

1

u

V

E

V

VD

2

i

V

VD VD

4

M

Çoklu faz ve çoklu kanal

Çoklu faz ve çoklu kanal DC/DC DC/DC konvertör konvertör

Çoklu kanal paralel kullanıldığından Çoklu kanal paralel kullanıldığından dolayı akım kapasitesi artar.

dolayı akım kapasitesi artar.

Çıkış voltaj ve akım ripple değerleri Çıkış voltaj ve akım ripple değerleri azalır.

azalır.

İzoleli

İzoleli DC DC - - DC DC Konvertörler Konvertörler

Kullanım nedenleri:

Kullanım nedenleri:

Giriş ve çıkış arasında elektriksel izolasyon Giriş ve çıkış arasında elektriksel izolasyon

İzoleli çoklu çıkış ihtiyacı İzoleli çoklu çıkış ihtiyacı

Kullanılan Güç Yarıiletkenleri Kullanılan Güç Yarıiletkenleri

Invert

Invert ö ö r r kısmı kısmı : Power MOSFETs, IGBTs : Power MOSFETs, IGBTs Doğrultucu çıkışı

Doğrultucu çıkışı : Fast recovery di : Fast recovery di yotlar, Schottky yotlar , Schottky diyotlar diyotlar , , Inverter

Inverter Transformatör Transfor matör Doğrultucu Doğrultucu Filtre Filtr e

DC DC girişgiriş

ACAC Yüksek FrekansYüksek FrekansACAC DC DC çıkışçıkış İzolasyon

İzolasyon

İzoleli

İzoleli DC DC - - DC DC konvertörlerinin sınıflandırılması konvertörlerinin sınıflandırılması

İzoleli DC-DC çeviriciler

Single-ended converters

• Forward converter

• Flyback converter

Double-ended converters

• Half bridge

• Push-pull

• Full bridge

Transformatör akımının tek yada çift yönlü olmasına göre değişir.

Forward

Forward Konvertör Konvertör

• Basit, düşük maliyetli

• Tek yönlü transformatör akımı, Düşük güçlü uygulamalar

S u

i

i

O

t

t

t t U

O O

O

U _i +

S

VD ₁

VD ₂ N ₁ L

N ₃ N ₂

VD ₃

U _o W ₂

W ₁ W ₃

T t N

N U

U

1 2 i

o



Flyback

Flyback Konvertör Konvertör

+ U

+

S

N

N

VD

U

W

W

S u

i

i

t

t

t t

t

t U

O O O O

off on 1

2 i

o

t t N

N U

U 

• Basit, düşük maliyetli

• Tek yönlü transformatör akımı, Düşük güçlü

uygulamalar

Half bridge converter Half bridge converter

• Maliyeti forward ve flyback konvertöre göre yüksek

• Çift yönlü transformatör akımı, birkaç kilowatt.

+ + S ₁

S ₂

VD ₁

VD ₂

L

U _i N ₁ N ₂

N ₃

u+_d

U _o +

C ₁

C ₂ W ₁ W ₃ W ₂

S ₁ S ₂

u _{S 1}

u _{S 2}

i_{S 1}

i_{S 2}

i_{D 1}

i_{S 2}

t

T t

t

t

t

t

t

t t_on

U _i

U _i

i_L

i_L

O O O O O O O O

T t N

N U

U

1 2 i

o



Push-pull converter Push-pull converter

+ +

S ₁

S ₂

VD ₁

VD ₂

L

U _i N ₁

N ₁^'

N ₂

N ₂^' U _o

S ₁ S ₂

u _{S 1}

u _{S 2}

i_{S 1}

i_{S 2}

i_{D 1}

i_{S 2}

t_on

T

t t

t

t

t

t

t

t 2 U _i

2 U _i

i_L

i_L

O O O O O O O O

T t N

N U

U

1 2 i

o

 2

• Maliyeti forward ve flyback konvertöre göre yüksek

Full-bridge converter Full-bridge converter

+ +

N ₁ S ₂

S ₃

S ₄

VD ₁

VD ₂ VD ₄ VD ₃ L S ₁

N ₂ +

-

+

- u _d

u _T

U _i U _o

W ₂ W ₁

S ₁( S ₄) S ₂( S ₃)

u _{S 1}( u _{S 4})

u _{S 2}( u _{S 3})

i_{S 1}( i_{S 4})

i_{S 2}( i_{S 3})

i_{D 1}( i_{D 4})

i_{S 2}( i_{S 3})

t_on

T

t t

t

t

t

t

t

t U _i

U _i

i_L

i_L O

O O O O O O O

T t N

N U

U

1 2 i

o

2



• Maliyeti yüksek

• Çift yönlü transformatör akımı, birkaç yüz kilowatt.

İzoleli

İzoleli DC DC - - DC konvertörin doğrultucu devreleri DC konvertörin doğrultucu devreleri

+ VD ₁

VD ₂

L

+

VD ₁ VD ₃ L

VD ₂ VD ₄

+ V

V

L Tam dalga doğrultucu

Tam dalga doğrultucu

Köprü doğrultucu Köprü doğrultucu

Senkron doğrultucu

Senkron doğrultucu

Güç Kaynakları Güç Kaynakları

• Lineer Güç Kaynakları

41

Regüleli Regüleli DC DC çıkışçıkış AC şebekeAC şebeke

Invert Invertöörr

FiltreFiltre TransforTransformatörmatör DCDC

Yüksek Yüksek frekans frekans

ACAC

Doğrultucu

Doğrultucu DoğrultucuDoğrultucu FiltreFiltre

ACAC Yüksek

Yüksek frekans frekans

Isolation Isolation

DC-DC-DC DC konvertörkonvertör

AC şebekeAC şebeke

Doğrultucu

Doğrultucu FiltreFiltre RegüRegülatlatöörr

Transfo

Transformatörrmatör DCDC RegüleliRegüleli

DC DC çıkışçıkış Şebeke frekansı

Şebeke frekansı

İzolasyon İzolasyon

Anahtarlamalı Güç Kaynakları (SMPS)

Anahtarlamalı Güç Kaynakları (SMPS)

Örnekler Örnekler

Mikrodenetleyiciler 42

Örnekler Örnekler

Mikrodenetleyiciler 43

Örnekler Örnekler

Mikrodenetleyiciler 44

Örnekler Örnekler

Mikrodenetleyiciler 45

Örnekler Örnekler

Mikrodenetleyiciler 46