Daha önceki makalede, anahtarlama tekniği ile minimum kayıpla güç kontrolünü görmüştük. Oradaki devrede ideal bir MOSFET kullanmıştık, çünkü amacımız güç kontrolünü kavramsal olarak anlamaktı. Artık devreyi geliştirmeye devam ediyor olacağız ve gerçekte meydana gelen etkileri görmek için artık ideal MOSFET yerine gerçeğe daha yakın olan bir MOSFET modeli kullanacağız.
Buradaki ve daha önceki makalenin devrelerinin hem çizimi hem de simulasyonunda PowerSim firmasının PSIM yazılımını (sürüm 2021a) kullanıyorum. PSIM, güç elektroniği devrelerinin simulasyonunda kullanılan de fakto standart yazılımdır. Devrelerin konsept olarak davranışını incelemek için ideal komponentlerle çalışmaya da olanak veriyor, tasarımın ileriki aşamalarında gerçeğe daha yakın olan modellerle de çalışmaya olanak veriyor. Bu programın ücretsiz demo versiyonu bile öğrenme amaçlı birçok devre ile çalışma yapılmasına olanak veriyor. 99 Avroya satın alınabilen öğrenci versiyonu ise daha ileri seviyede özelliklerin kullanılmasına olanak veriyor. Güç elektroniği ile uğraşanların mutlaka bu programı incelemesi ve tasarımda sağladığı kolaylıkları anlaması gerekir.
PSIM'de MOSFET için ideal, level 1, level 2 gibi modellerin arasından seçim yapılabiliyor. Bizim buradaki amacımız için level 1 modeli yeterli olacaktır. Daha önceki güç kontrol devresini level 1 MOSFET ile tekrar kuralım ve dalga şekillerini görelim.
Bu devrede MOSFET gate'ini %50 duty cycle olan pozitif 10 V genlikli, 25 kHz lik bir kare dalga ile sürüyoruz. Ve beklendiği üzere, devrenin çıkışında 100 V besleme voltajını açıp kapatıyoruz. Amacımız sadece güç kontrolü olsaydı bu yapı işimizi görüyor olacaktı. Ama eğer bizim istediğimiz girişteki 100 V beslemeyi daha düşük bir değere indirmek ve stabil bir çıkış voltajı elde etmek ise, bu şekilde devre iş görmüyor. Örneğin çıkışta stabil 50 VDC elde etmek istiyoruz. Kare dalga duty cycle değerini azaltarak ORTALAMA 50 VDC elde edebiliriz, ama sabit 50 VDC elde edemiyoruz. Çıkış voltajı 100 V ve 0 V arasında gidip geliyor. Bu çıkış voltajında iki tane bileşen var:
1) Kare dalga voltajın ortalama değeri (bu DC bileşen)
2) Kare dalga şeklinin oluşmasına sebep olan harmonikler (bunlar da AC bileşenler)
Eğer bir şekilde bu harmonikleri uzaklaştırabilirsek, sadece 50 V luk DC bileşeni geride bırakabilir ve amacımıza ulaşmış oluruz. AC bileşenleri uzaklaştırmanın yolu bir low pass filtre kullanmaktır. Eğer RC low pass filtre kullanırsak, amacımıza ulaşırız, ama RC filtrenin direnci üzerinde kaybolacak olan güç, anahtarlama ile elde etmeye çalıştığımız verim artışını tamamen iptal edecektir, o yüzden RC filtre kullanamayız, onun yerine bir LC filtre kullanmamız gerekiyor. Aşağıda bu devreyi görüyoruz:
LC filtreden geçen kare dalga çıkış, artık çok az bir ripple değeri haric bir DC voltaja dönüşmüş durumda. 33 V gibi bir değer görüyoruz burada.
Ama bu devrede çok ciddi bir sorun var. MOSFET anahtar, peryodik olarak bobine giden akımı açıp kapatmaktadır. MOSFET ON olduğunda, bobinden geçen akım artıyor ve belli bir değere ulaşıyor. Ama sonrasında MOSFET OFF olmaya başladığında, bobin kendi içerisinden geçen akımın değişmesine karşı koyuyor ve bu esnada binlerce voltluk bir ters EMF meydana geliyor ve bizim MOSFET anında telef oluyor! Aşağıda MOSFET'in drain source arasındaki voltajı görüyoruz:
Tabi burada level 1 MOSFET modelinde MOSFET kapasitansları modellenmediği için 35 kV gibi biraz abartılı bir voltaj görüyoruz. Gerçek bir devrede bu voltaj MOSFET'in anahtarlama hızına bağlı olarak değişecektir ve gene de kilovoltlar mertebesinde olacaktır. MOSFET OFF olduğunda bobinden geçen akımın bir şekilde akmaya devam etmesine izin vermemiz lazım. Bunun için de LC filtrenin girişine bir diyot bağlıyoruz ve bu diyot, MOSFET OFF olduğu anda bobinden akmaya devam eden akımı kendi üzerine alıyor. Aşağıda diyodun ilave edildiği devreyi görüyoruz:
Bu devreyi çalıştırdığımız zaman, MOSFET OFF olurken üzerindeki maksimum voltaj değerinin kaynak voltajına eşit olduğunu görüyoruz. Burada aynı zamanda çıkıştaki ripple miktarının da azaldığını, ve çıkış voltajının da tam olarak duty cycle değerine göre şekillendiğini görüyoruz. Duty cycle %50 idi, giriş voltajı da 100 V, çıkışta temiz 50 VDC alıyoruz.
Buradaki deneyler neticesinde vardığımız devreye "buck converter" deniyor. Bu devre ile girişteki bir DC voltajın daha düşük bir voltaja dönüştürebiliyoruz ve bu dönüşümü son derece yüksek bir verimle yapıyoruz. Buradaki güç kaybı, sadece MOSFET ON direncinden, iletkenlerin kaçak dirençlerinden, ve bobinde nüve kullanıldıysa bu nüvenin histerezisinden kaynaklanıyor.
Bundan sonraki konuda, buck converter'de kullanılan komponentleri (bobin, kondansatör, diyot, MOSFET) nasıl seçiyoruz ona bakacağız.
Buradaki ve daha önceki makalenin devrelerinin hem çizimi hem de simulasyonunda PowerSim firmasının PSIM yazılımını (sürüm 2021a) kullanıyorum. PSIM, güç elektroniği devrelerinin simulasyonunda kullanılan de fakto standart yazılımdır. Devrelerin konsept olarak davranışını incelemek için ideal komponentlerle çalışmaya da olanak veriyor, tasarımın ileriki aşamalarında gerçeğe daha yakın olan modellerle de çalışmaya olanak veriyor. Bu programın ücretsiz demo versiyonu bile öğrenme amaçlı birçok devre ile çalışma yapılmasına olanak veriyor. 99 Avroya satın alınabilen öğrenci versiyonu ise daha ileri seviyede özelliklerin kullanılmasına olanak veriyor. Güç elektroniği ile uğraşanların mutlaka bu programı incelemesi ve tasarımda sağladığı kolaylıkları anlaması gerekir.
PSIM'de MOSFET için ideal, level 1, level 2 gibi modellerin arasından seçim yapılabiliyor. Bizim buradaki amacımız için level 1 modeli yeterli olacaktır. Daha önceki güç kontrol devresini level 1 MOSFET ile tekrar kuralım ve dalga şekillerini görelim.
Bu devrede MOSFET gate'ini %50 duty cycle olan pozitif 10 V genlikli, 25 kHz lik bir kare dalga ile sürüyoruz. Ve beklendiği üzere, devrenin çıkışında 100 V besleme voltajını açıp kapatıyoruz. Amacımız sadece güç kontrolü olsaydı bu yapı işimizi görüyor olacaktı. Ama eğer bizim istediğimiz girişteki 100 V beslemeyi daha düşük bir değere indirmek ve stabil bir çıkış voltajı elde etmek ise, bu şekilde devre iş görmüyor. Örneğin çıkışta stabil 50 VDC elde etmek istiyoruz. Kare dalga duty cycle değerini azaltarak ORTALAMA 50 VDC elde edebiliriz, ama sabit 50 VDC elde edemiyoruz. Çıkış voltajı 100 V ve 0 V arasında gidip geliyor. Bu çıkış voltajında iki tane bileşen var:
1) Kare dalga voltajın ortalama değeri (bu DC bileşen)
2) Kare dalga şeklinin oluşmasına sebep olan harmonikler (bunlar da AC bileşenler)
Eğer bir şekilde bu harmonikleri uzaklaştırabilirsek, sadece 50 V luk DC bileşeni geride bırakabilir ve amacımıza ulaşmış oluruz. AC bileşenleri uzaklaştırmanın yolu bir low pass filtre kullanmaktır. Eğer RC low pass filtre kullanırsak, amacımıza ulaşırız, ama RC filtrenin direnci üzerinde kaybolacak olan güç, anahtarlama ile elde etmeye çalıştığımız verim artışını tamamen iptal edecektir, o yüzden RC filtre kullanamayız, onun yerine bir LC filtre kullanmamız gerekiyor. Aşağıda bu devreyi görüyoruz:
LC filtreden geçen kare dalga çıkış, artık çok az bir ripple değeri haric bir DC voltaja dönüşmüş durumda. 33 V gibi bir değer görüyoruz burada.
Ama bu devrede çok ciddi bir sorun var. MOSFET anahtar, peryodik olarak bobine giden akımı açıp kapatmaktadır. MOSFET ON olduğunda, bobinden geçen akım artıyor ve belli bir değere ulaşıyor. Ama sonrasında MOSFET OFF olmaya başladığında, bobin kendi içerisinden geçen akımın değişmesine karşı koyuyor ve bu esnada binlerce voltluk bir ters EMF meydana geliyor ve bizim MOSFET anında telef oluyor! Aşağıda MOSFET'in drain source arasındaki voltajı görüyoruz:
Tabi burada level 1 MOSFET modelinde MOSFET kapasitansları modellenmediği için 35 kV gibi biraz abartılı bir voltaj görüyoruz. Gerçek bir devrede bu voltaj MOSFET'in anahtarlama hızına bağlı olarak değişecektir ve gene de kilovoltlar mertebesinde olacaktır. MOSFET OFF olduğunda bobinden geçen akımın bir şekilde akmaya devam etmesine izin vermemiz lazım. Bunun için de LC filtrenin girişine bir diyot bağlıyoruz ve bu diyot, MOSFET OFF olduğu anda bobinden akmaya devam eden akımı kendi üzerine alıyor. Aşağıda diyodun ilave edildiği devreyi görüyoruz:
Bu devreyi çalıştırdığımız zaman, MOSFET OFF olurken üzerindeki maksimum voltaj değerinin kaynak voltajına eşit olduğunu görüyoruz. Burada aynı zamanda çıkıştaki ripple miktarının da azaldığını, ve çıkış voltajının da tam olarak duty cycle değerine göre şekillendiğini görüyoruz. Duty cycle %50 idi, giriş voltajı da 100 V, çıkışta temiz 50 VDC alıyoruz.
Buradaki deneyler neticesinde vardığımız devreye "buck converter" deniyor. Bu devre ile girişteki bir DC voltajın daha düşük bir voltaja dönüştürebiliyoruz ve bu dönüşümü son derece yüksek bir verimle yapıyoruz. Buradaki güç kaybı, sadece MOSFET ON direncinden, iletkenlerin kaçak dirençlerinden, ve bobinde nüve kullanıldıysa bu nüvenin histerezisinden kaynaklanıyor.
Bundan sonraki konuda, buck converter'de kullanılan komponentleri (bobin, kondansatör, diyot, MOSFET) nasıl seçiyoruz ona bakacağız.
Son düzenleme:
