MYO-ÖS 2010- Ulusal Meslek Yüksekokulları Öğrenci Sempozyumu 21-22 EKĐM 2010-DÜZCE DA-DA BUCK, BOOST VE BUCK-BOOST KONVERTER DENEY SETĐ TASARIMI VE UYGULAMASI Muhammed ÖZTÜRK Engin YURDAKUL Samet EŞSĐZ Teknik Eğitim Fakültesi - Gazi Üniversitesi Ankara muhammedozturk85@hotmail.com engin.yurdakul@hotmail.com sametessiz@gmail.com ÖZET Bu çalışmada eğitim amaçlı olarak DA-DA buck, boost ve buck-boost konvertör tasarlanarak bir deney seti hazırlanmıştır. Bu çalışma ile lisans düzeyinde güç elektroniği dersini alan öğrencilerin uygulamalı olarak her bir konvertör üzerinde ayrı ayrı çalışmalarının sağlanması amaçlanmıştır. Yapılan deney seti ile Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Öğretmenliği 4. sınıf öğrencilerinin güç elektroniği dersi kazanımı gösterilmiş ve oldukça başarılı olduğu görülmüştür. Anahtar kelimeler: Konvertör, DA-DA dönüştürme, deney seti, güç elektroniği 1. GĐRĐŞ Günümüzde sanayinin hızla gelişmesi ile birlikte kontrol edilebilir elektrik gücüne olan gereksinim hızla artmıştır. DA/DA Motor Hız Kontrol Üniteleri, UPS, Akü Şarj Üniteleri, Anahtarlama Modlu DA/DA Güç Kaynakları, Statik Gerilim Regülatörleri gibi cihazlar, önemli endüstriyel güç elektroniği uygulamalarıdır [1]. Bu uygulamalarda DA-DA konvertörler kullanılmaktadır. Ayrıca 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 DA/DA 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 [2]. Çok değişik tiplerde DA-DA konvertör bulunmaktadır. Hepsinin birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları vardır. Bazı konvertörler gerilimi azaltmada, bazıları artırmada, bazıları ise hem azaltma hem de artırmada kullanılmaktadır. Çoğu endüstriyel uygulamalarda sabit gerilimli DA kaynağın, değişken gerilimli DA kaynağa çevrilmesi gerekmektedir. DA/DA konvertörler olarak da bilinen bir DA kıyıcı direkt olarak DA yı DA ya dönüştürür. Bir konvertör, sürekli değiştirilebilir sarım oranlı bir AA transformatörün eşdeğer DA devresi gibi de düşünülebilir. Transformatörün AA gerilimi arttırıp azaltabildiği gibi DA/DA konvertör de bir DA kaynağın gerilim değerini arttırıp, azaltabilir [3]. Bu konvertörlerle ilgili çeşitli konfigürasyonlar yapılmıştır. Bunlardan en yaygın olarak kullanılanları ise, gerilim azaltıcı (buck converter), gerilim artırıcı (boost converter) ve gerilimi azaltıp artıran (buck-boost converter) tipleridir [4, 5]. DA-DA konvertörler gerilim seviyesini bir değerden başka bir değere getiren ve anahtarlama mantığı ile çalışan elektronik devrelerdir. Bu cihazın temel çalışma prensibi bir pasif filtrenin çıkış geriliminin kontrol edilmesi esasına dayanır [6]. DA-DA çeviricilerde, çıkış doğru gerilimi öyle denetlenmelidir ki, giriş gerilimi ve çıkış yükü değişse bile, çıkış geriliminin ortalaması 1
istenen değerde olmalıdır. Anahtarlamalı DA-DA dönüştürücülerde doğru akımı bir düzeyden başka bir düzeye ulaştırmak için bir ya da daha fazla anahtar kullanılır. Verilen bir giriş gerilim değeri için bir DA-DA çeviricide çıkış gerilimi, anahtarların iletimde ve kesimde olduğu sürelerin denetlenmesiyle ayarlanır [7]. Anahtarların iletim kesim süreleri Darbe Genişlik Modülasyonu PWM ile ayarlanmaktadır. Literatür taramasında yapılan çalışmaların, bu üç konvertörle ilgili pratiksel eksikliklerin giderilmesi üzerine ya da konvertörlerin uygulama bünyesinde ihtiyaca yönelik kullanıldığı görülmüştür. Üç yapının bir arada olduğu eğitim seti şeklinde bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu çalışmada literatürde bulunan DA-DA konvertörler incelenerek konvertörler hakkında yeterli bilgi toplanmış devre simülasyonları ve hesaplamalar yapılarak 200w değerinde buck, boost ve buck-boost konvertörleri bir deney seti haline getirilmiş olup öğrencilere güç elektroniği dersinde gördükleri bu tip konvertörlerin deneyini yapılabilmesi imkânı sunulmuştur. 2. KONVERTÖR Konvertörler DA gerilim seviyesini bir değerden başka bir değere getiren ve anahtarlama mantığı ile çalışan elektronik elemanlardır. DA gerilim değeri bazı yerlerde düşürülmesi bazı yerlerde yükseltilmesi bazı yerlerde de hem yükselip hem düşürülmesi gerekmektedir bunun için üç tip konvertör bulunmaktadır. Bunlar DA-DA Buck, Boost ve Buck-Boost konvertörlerdir. Bölüm 2.1, 2.2 ve 2.3 de bu konvertörler ayrıntılı olarak anlatılacaktır. 2.1 DA-DA Buck konvertör DA-DA buck konvertör DA mevcut kaynak gerilimini düşürülerek kontrol edilmesinde kullanılır girişinden gelen gerilim değerini işlemciden aldığı PWM dalgalarıyla devreye kesip uygulayarak gerilim değerinin etkin değerini küçültür ve bu şekilde düşürülerek gerilim kontrolü yapılmış olur. En yaygın olarak kullanıldığı yerler; a) Regüle edilmiş DA güç kaynakları b) DA motor hız kontrol devreleri Şekil.1 deki devrede Id akımının anahtar ile iletimi sağlanarak bobin üzerinden geçen IL akımı hem yük üzerinden akar hem de kondansatörü şarj eder anahtar kesime gittiği anda bobin üzerinde depo edilen enerji diyot üzerinden devresini tamamlar ve boşalıncaya kadar yük üzerinden akım akıtmaya devam eder. Bu arada kondansatörde yük üzerinden akımını akıtmaya devam eder. Anahtar kesintili iletim modunda çalıştırıldığında kondansatör tam dolmayacağından etkin değeri daha küçük bir gerilimle depolanır bu şekilde azaltan dönüştürücü devresi tamamlanmış olur. 2
Şekil.1-Buck konvertör devre şeması 2.2 DA-DA Boost konvertör Boost konvertörlerde çıkış gerilimi giriş geriliminden büyüktür. Anahtar kapatıldığında diyot ters kutuplandığı için iletime geçmez. Böylece çıkış katı girişinden izole edilmiş olur. Anahtar açıldığında, çıkış katı bobin üzerinden beslenir. Kararlı durum analizinden, sabit bir çıkış gerilimi elde etmek için çıkış filtre kondansatörünün kapasitesi oldukça büyük olmalıdır. (V o (t) V o ) Bu tip konvertörler, regüleli DA güç kaynaklarında ve DA motorlarının dinamik frenlenmesinde yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Şekil.2 deki devrede V0 gerilimi sürekli Vd gerilimine tabi tutulmaktadır. Dolayısıyla V0 gerilim değeri Vd gerilim değerinin altına hiç inmeyecektir devredeki, anahtar kesintili iletim moduna geçtiğinde akımın büyük bir kısmı bobin üzerinden geçecek ve bobin kesime gittiğindeyse bobin üzerinde sıçrama gerilimi oluşacak bu gerilim kondansatöre şarj edilerek çıkış gerilim değeri yükseltilecektir. 2.3 DA-DA Buck-Boost konvertör Şekil.2 Boost konvertör devre şeması Düşürücü-yükseltici konvertörler, DA güç kaynaklarının regülasyonunda, giriş voltajının ortak terminaline göre çıkışın negatif kutuplu olması istenildiğinde ve çıkış voltajının, giriş voltajından daha az veya daha fazla olabileceği yerlerde yaygın bir biçimde kullanılır. Bu tip bir konvertör, düşürücü ve yükseltici tip iki konvertörün ard arda bağlanmasıyla elde 3
edilebilir. Kararlı halde çıkış-giriş voltaj dönüşüm oranı; ard arda bağlanan konvertörlerin dönüşüm oranlarının çarpımıdır. Şekil.3 teki devrede anahtar kesintili iletim modunda çalışmaktadır. Anahtarın iletim süresi kısa tutulduğunda bobinin üzerine aldığı enerji düşük olduğundan devre alçaltıcı olarak çalışacaktır anahtarın iletim süresi uzun tutulduğunda bobin daha çok yüklenecek ve kondansatör üzerindeki gerilim Vd gerilimine eşitlenecek bu anahtarlamadan dolayı bobin üzerindeki sıçrama gerilimleriyle de kondansatör Vd geriliminden daha yüksek değerlere ulaşacaktır. 3. TASARIM VE UYGULAMA Şekil.3 Buck-Boost konvertör devre şeması Oluşturulan Buck, Boost, Buck-Boost konvertör deney seti bir AA/DA kaynaktan beslenmektedir konvertörlerin anahtarlama elamanları bir mikrodenetleyici ile kontrol edilmektedir. Deney setine ilişkin blok diyagramı Şekil.4 te sunulmuştur. Şekil.4-Devre blok diyagramı 4
3.1. Program Algoritması Oluşturulan Buck, Boost, Buck-Boost konvertör deney setinin anahtarlama elemanları bir mikroişlemciyle kontrol edilmektedir. Bu mikroişlemci ADC kanalından aldığı gerilim sinyaline göre PWM dalgası üretmektedir. Programa ilişkin algoritma Şekil 5 te sunulmuştur. Başlangıçtan itibaren program çalışması için gerekli olan değişkenler tanımlanır, PWM çalışma frekansı ve darbe genişlik ayarları yapılır, ADC giriş sinyali çevrim oranı ayarlanır. Program ADC kanalını okumaya başladığından itibaren sonsuz döngüye girer, ADC den aldığı bilgiyi PWM e gönderir PWM gelen bu sinyalle darbe genişlik oranını kontrol eder, daha sonra döngü sorgulaması yapar şart doğruysa ADC den bilgi al kısmına geri döner şart doğru değilse program sonlanır. Şekil.5 Program algoritması 5
3.2. Anahtarlama Devresi Gerilimin etkin değerinin kontrol edilmesi için PWM anahtarlama frekansı uygulanmaktadır. Bu anahtarlama frekansı ile ilgi programın çalışması 3.1 de ayrıntılı olarak anlatılmıştır. Şekil.6 da görülen devrede Şekil.5 te verilen kontrol algoritması uygulanmaktadır. PIC16F877A mikroişlemcisinin RA0 portuna bağlı bulunan potansiyometre ile mikroişlemciye analog sinyal gönderilmektedir, bu analog sinyal işlemci içersinde dijitale çevrilerek PWM sinyalinin Ton süresi kontrol edilmektedir. Mikroişlemcinin CCP1 çıkış portundan PWM çıkış sinyali alınmaktadır. Mikroişlemcinin çıkış portlarının hasar görmemesi ve mosfetin karalı çalışma gerilimi olan 15V ta anahtarlama kontrolü yapılabilmesi için transistörlerle uygun bir sürücü devre tasarlanmıştır. 45% 3.3. Deney Seti Şekil.6- Anahtarlama Devresi Şekil.7 de gösterilen deney setinde devre elemanlarının bağlantı uçları dip bornvidalar vasıtasıyla deney seti kutusundan dışarı çıkarılmış bağlantı şekli değiştirilebilir bir şekle getirilmiştir. Şekil.6 da örnek olarak bir boost konvertörün bağlantı şekli gösterilmiştir mavi ile belirtilen kısımlar deney setindeki devre elemanlarının bağlı bulunduğu dipborn vidaları kırmızı ile belirtilen kısımlar boost konvertörün bağlantı tipini belirten jaklı kablolardır. PWM sinyal üreteci deney seti içerisinde mosfetin geyt ucuna doğrudan bağlanmıştır. Deney setinde Buck, Boost, Buck-Boost olmak üzere 3 tip konvertör tipi başarıyla uygulanmıştır. 6
Şekil.7-Deney seti 4. SONUÇ Bu çalışmada Boost, Buck-Boost konvertör deney setinin simülasyonları yapılmıştır ve devreye ait bir tasarım gerçeleştirilmiştir. Simülasyon ile deney sonuçları karşılaştırılmıştır ve beklenen sonuçlar elde edilmiştir. Bu çalışma sonucunda lisans düzeyinde güç elektroniği dersini alan öğrencilerin uygulamalı olarak her bir konvertör üzerinde ayrı ayrı çalışmaları ve derslerinde gördükleri teorik bilgilerini pratikle pekiştirerek konuyu daha iyi kavramaları sağlanmıştır. 5. TEŞEKKÜR Bu bildiri ELK-410 Mesleki Tasarım Dersi kapsamında hazırlanmıştır. Yazarlar sağladığı katkılardan dolayı ders öğretim üyesi Doç. Dr. Ramazan BAYINDIR a teşekkür eder. 6. KAYNAKLAR [1] Vehbi B., Seta B., Metin G., Paralel Aktif Filtre Uygulamalarında Adaptif Bulanık Mantık Kontrol Yöntemlerinin Uygulanması, TÜDERG_S_/D, mühendislik Cilt:4, Sayı:2, 105-115, Nisan 2005 [2] Ferenczi Ö., Linear Power Supplies-DC-DC Converters,Elseiver,1987 [3] Mazda F.F., Electronics Engineer s Reference Book, 6 th Edition,Butterworths [4] Pablo C., Gabriel G., Adolfo H., Fuzzy Gain Scheduling Control Of Switch-mode DC/DC Converters. IEEE ISIE, - 0-7803 -5 662-4/99, 1999 [5] Jose A.R. Gerardo E.P.; Stability Of Current-mode Control For DC-DC Power Converters Systems&Control Letters p-p113-119, 2002. [6] Şekkeli M., Yıldız C., Özçalık H., R., Bulanık Mantık ve PI Denetimli DA-DA Konvertör Modellenmesi ve Dinamik Performans Karşılaştırması, K.Maraş Sütçü Đmam Üniversitesi, Mühendislik- Mimarlık Fakültesi, Elektrik-Elektronik Bölümü, K.Maraş [7] Mohan, N., Undeland, M., T., William P., R., Power Electronic: Converters, Applications, And Design, Ocak 2002 7