MicroCap ile temel SMPS denemeleri

[taydin]

SMPS ile ilgili bir kitabı okumaya başladım ve temel topolojilerden birisi olan "nonisolated flyback" ile ilgili bir devreyi MicroCap'de kurdum. Bu devre tamamen hesapsız, kafadan değerlerle kuruldu ve makul bir çalışma davranışı görülene kadar da giriş frekansı ve bobin endüktansı ile oynandı:

 

[taydin]

Bu devreyi ben buck converter elde etme amacıyla kurdum. Besleme voltajı 12V. Girişte 500 Hz lik, %50 duty cycle bir karedalga var. Kullanılan MOSFET IRFZ44. Bobin de 1 mH lik. Bunun simulasyonunu yaptım, ama devre bir boost converter çıktı

Çıkış voltajı 48V gibi ve 100 Ω luk yük de 500 mA gibi bir akım çekiyor. Tabi seçilen frekans düşük olduğu için oldukça fazla ripple var.

 

[taydin]

Bu da "isolated flyback" topolojisine bir örnek. Trafonun dönüşüm oranı 1:2. Çıkışta 18V elde ediyoruz.

Ama dikkat edilirse trafonun sekonderi gene ortak şaseye referanslı, yani trafo ile izolasyon yaptığımız halde şaseleri ortak yaparak izolasyonu tamamen anlamsız hale getiriyoruz Burada ama çalışma mantığını öğrenmek amaç, yoksa birisinin çarpılmasını engellemek değil.

 

[taydin]

Konu çok derin ve ayrıntılı. Mesela ilk devredeki MOSFET üzerindeki sinyal şekli ile ikinci devredeki MOSFET sinyal şekli farklı. Birisinde çok yüksek frekanslı parazitler var, ikincisinde yok. Halbuki bobinin ve trafo primerinin endüktansı aynı (1 mH). Bunların nedenlerini tam olarak anlamak lazım.

 

[taydin]

SMPS ile ilgili yüzlerce değişik topoloji ifade edilebiliyor. Ama bu okuduğum kitapta olayı oldukça sadeleştirmiş ve düşük/orta güç uygulamalarında en yaygın kullanılan 6 tane topoloji üzerinden konuyu ele alıyor.

Vakit buldukça bu en temel ve yaygın topolojilerden önce simulasyonla örnekler yapacağız, sonra da kullanılan bobin ve transformatörler ile ilgili bilgimiz arttıkça pratik devrelerle de denemeler yapacağız.

 

[ckocagil]

İlk devre için "nonisolated flyback" demiş ama bildiğimiz boost converter o zaten.

 

[ckocagil]

Normalde çıkış voltajı için boost converter denklemi: V_out / _Vin = 1 / D_off

Yani D_off = 0.5 olduğuna göre V_out = 24V çıkması lazım. Niye çıkmıyor? Çünkü bu denklem sadece indüktör üzerinden geçen akımın hiç sıfıra düşmediği "continuous conduction mode" (CCM) için geçerli. Ama 1mH düşük bir değer olduğu için yeterince güç depolayamıyor ve MOSFET açıldığında depoladığı bütün gücü kondansatöre gönderip akımı sıfıra iniyor. İndüktansı arttırmak yerine diğer bir çözüm de frekansı arttırmak. Böylece indüktörün tamamen boşalmasına fırsat vermemiş oluyoruz.

Şu minicik boost converterlar da yüksek frekansta çalıştıkları için bu kadar küçük indüktör kullanabiliyor: https://www.n11.com/arama?q=xl6009

 

[ckocagil]

(Üst üste yazıyorum ama) boost converter ile ilgili öğrendiğim en ilginç şey tıpatıp aynı mantıkla çalışan su pompalarının olduğu. Voltaj yerine basınç yükseltiyor. Diyot yerine tek yöne açılan vana, induktör yerine de suyun momentumunu kullanıyor.

Hydraulic ram - Wikipedia

en.wikipedia.org

Su analojisi hep yapılır, ben de induktörü hep akımın momentumu olarak hayal ederim ama bunu görmek gerçekten şaşırtmıştı

 

[taydin]

İlk devre için "nonisolated flyback" demiş ama bildiğimiz boost converter o zaten.

Evet hakikaten devreye bakınca bunun normal şartlarda V_CC den daha az voltaj üretmesi mümkün değil. MOSFET ON zamanında bobin enerji depolayacak. OFF zamanında da bobin üzerindeki voltaj, kondansatör üzerindeki voltaja eklenecek. Dolayısıyla, diyot voltaj düşümünü de hesaba katarsak, bu yapıda üretilebilecek en düşük voltaj V_CC - 0.65V olur.

Zaten MOSFET hep OFF kalsa bile çıkışta V_CC - 0.65V olacak

 

[taydin]

Bu devreyi ben buck converter elde etme amacıyla kurdum. Besleme voltajı 12V. Girişte 500 Hz lik, %50 duty cycle bir karedalga var. Kullanılan MOSFET IRFZ44. Bobin de 1 mH lik. Bunun simulasyonunu yaptım, ama devre bir boost converter çıktı

2315 eklentisine bak

Çıkış voltajı 48V gibi ve 100 Ω luk yük de 500 mA gibi bir akım çekiyor. Tabi seçilen frekans düşük olduğu için oldukça fazla ripple var.

Yukarıdaki devrede sadece frekansı değiştirdim ve 50 kHz yaptım. Bu durumda çıkış voltajı 21V gibi oldu.

Ama şu ilginç: MOSFET gate sinyali 5V. MOSFET de sanki bu voltajda tam ON oluyor gibi. Ama gate sinyalini 10V yaparsam daha çok voltaj alıyorum. Bu nasıl oluyor? gate sinyali ideal, iç direnci yok (en azından ayarlanabilen bir simulasyon parametresi değil). Acaba MOSFET modelinde bir gate seri direnci mi tanımlı bu farkı yaratan?

 

[taydin]

Ama şu ilginç: MOSFET gate sinyali 5V. MOSFET de sanki bu voltajda tam ON oluyor gibi. Ama gate sinyalini 10V yaparsam daha çok voltaj alıyorum. Bu nasıl oluyor? gate sinyali ideal, iç direnci yok (en azından ayarlanabilen bir simulasyon parametresi değil). Acaba MOSFET modelinde bir gate seri direnci mi tanımlı bu farkı yaratan?

MOSFET model dosyasına baktım, hakikaten 10 Ω gate direnci tanımlı. O yüzden voltaj farkettiriyor. Daha yüksek voltaj MOSFET'i daha çabuk ON yapıyor ve dolayısıyla bobinde daha fazla enerji birikiyor.

 

[taydin]

Normalde çıkış voltajı için boost converter denklemi: V_out / _Vin = 1 / D_off

Yani D_off = 0.5 olduğuna göre V_out = 24V çıkması lazım. Niye çıkmıyor? Çünkü bu denklem sadece indüktör üzerinden geçen akımın hiç sıfıra düşmediği "continuous conduction mode" (CCM) için geçerli. Ama 1mH düşük bir değer olduğu için yeterince güç depolayamıyor ve MOSFET açıldığında depoladığı bütün gücü kondansatöre gönderip akımı sıfıra iniyor. İndüktansı arttırmak yerine diğer bir çözüm de frekansı arttırmak. Böylece indüktörün tamamen boşalmasına fırsat vermemiş oluyoruz.

Şu minicik boost converterlar da yüksek frekansta çalıştıkları için bu kadar küçük indüktör kullanabiliyor: https://www.n11.com/arama?q=xl6009

Evet bu mantık yapıyor. Şimdi 50 kHz çıkınca çıkış voltajı 21.6V gibi. Ve şunu da görüyorum: Bu frekansta endüktansı 100 µH yapsam bile çıkış voltajı değişmiyor (yük aynı).

 

[taydin]

Gate sinyal genliği ile ilgili de şunu görüyorum:

Gate voltajı 5V ise, duty cycle %50 iken çıkış voltajı 21.6V, duty cycle %90 iken 27V

Gate voltajı 10V ise, duty cycle %50 iken çıkış voltaj 23V, duty cycle %90 iken 80V !!!

Demekki 5V gate sinyali bu MOSFET'i tam olarak sürmeye yetmiyor.

 

[taydin]

(Üst üste yazıyorum ama) boost converter ile ilgili öğrendiğim en ilginç şey tıpatıp aynı mantıkla çalışan su pompalarının olduğu. Voltaj yerine basınç yükseltiyor. Diyot yerine tek yöne açılan vana, induktör yerine de suyun momentumunu kullanıyor.

Hydraulic ram - Wikipedia

en.wikipedia.org

Su analojisi hep yapılır, ben de induktörü hep akımın momentumu olarak hayal ederim ama bunu görmek gerçekten şaşırtmıştı

Evet çok yakın bir benzetme Bobinin üzerindeki voltaj ile kondansatör üzerindeki voltaj da, V_CC nin üzerine çıkıyor ve o basınç ile kondansatörün şarj edilmesi sağlanıyor.