DC/DC gerilim çeviriciler güç kaynakları başta lmak üzere çk yğun bir şekilde kullanılan devrelerdir. 1. Düşüren DC/DC Gerilim Çevirici (Buck (Step Dwn) DC/DC Cnverter). Yükselten DC/DC Gerilim Çevirici (Bst (Step Up) DC/DC Cnverter) 3. Düşüren ve Yükselten DC/DC Gerilim Çevirici (Buck-Bst (Step Up-Dwn) DC/DC Cnverter) lmak üzere üçe ayrılırlar. Bu üç sınıfa ait çk fazla sayıda tplji (devre şeması) bulmak mümkündür. Bir dersimizde en genel (yani en çk kullanılan) şemaları inceleyeceğiz.
Dğrusal gerilim regülatörünün girişinden çıkış geriliminden daha büyük bir gerilim uygulanması gerekir. Bu gerilim ne kadar yüksek lursa transistörün kllektör-emiter gerilimi de kadar yükselir. Diğer bir deyişle transistör dğrusal (lineer) bölgede çalışmaya başlar. Devrenin ismi de buradan gelmektedir. Bu durumda transistörün harcadığı güç kadar yüksek lacaktır. Gerilim stresini azaltmak için regülatörün girişinden uygulanan gerilim mümkün lduğunca düşük tutulmalıdır. Böylece kayıplar azalır, fakat bu durum devre tasarımında bir kısıttır ve esnekliği rtadan kaldırmaktadır. (M7805) Dğrusal regülatörlerin verimi çğu zaman %40 ı geçmez. Anahtarlamalı DC/DC gerilim çeviricide de anahtarlama kayıpları yüksektir. Anahtarlama kayıpları çeşitli yöntemlerle (uygun güç anahtarı kullanmak veya yumuşak anahtarlama yöntemi kullanmak gibi) azaltılabilmektedir. Fakat dğrusal gerilim regülatöründe kayıpları azaltmanın herhangi bir ylu yktur. (Anahtarlamalı Güç Kaynakları Switch Mde Pwer Supply) Anahtarlama kayıplarını hiç azaltmasak bile anahtarlamalı DC/DC çeviricilerin kayıpları dğrusal regülatörlere göre çk azdır. Bu devrelerin verimi genelde %80 nin üstündedir. Dlayısıyla dğrusal gerilim regülatörleri kayıplardan dlayı çk ısınırlar. Bu yüzden küçük güçlerde kullanılmaları uygundur. Büyük güçlerde anahtarlamalı DC/DC çeviriciler kullanılır. Unutulmamalıdır ki, kayıplar ne kadar çksa ömür de kadar kısadır.
n n D t n f tn t ff T V 1 T t DT 0 V dt s t V D s
1- Anahtar kapalı di v Vs V = dt di Vs V dt di i i dt t DT i Vs V DT Vs V i DT - Anahtar açık di v V = dt di V dt di i i dt t (1 D) T i (1 D) T V V i (1 D) T
1. Anahtar kapalı di v Vs V = dt di Vs V dt di i i dt t DT i Vs V DT Vs V i DT. Anahtar açık di v V = dt di V dt di i i dt t (1 DT ) i (1 D) T V V i ( 1 D) T Vs V V DT (1 D) T 0
Vs V V DT V V D s (1 D) T 0
Akımların rtalama değerleri eşittir I I I V IR R i I V 1 Vs V + DT R max max Imax V R f I I min min 1 1 D V 1 Vs V DT R V 1 1 D R f Imin 0 V R I f min rms min 1 1 D f 1 D R 1 D R I f i 3
Bir DC/DC çeviricide bbinden geçen akımın tepeden tepeye değeri çğu zaman bir tasarım ölçütüdür. i Vs V V ( 1D) DT f V (1 D) i f
Verim çk yüksek lduğu için kayıplar ihmal edilirse, karşımıza ideal traf benzeri bir giriş-çıkış güç ilişkisi çıkar. P s V I V V Veya, s s s P P V I I I s / P s
Çıkıs gerilimindeki dalgalanma: i i i c R Q CV Q CV V Q / C 1 T i Ti Q 8 Ti V8C V i 8C T V i (1 D) T V i V (1 DT ) T 8C 8C (1 D) VT V 8C V (1 D) (1 D) C f V 8Cf 8V / V
Örnek 1. V s =50V, D=0.4, =400mH, C=100uF f=0khz, R=0Ω a.) V =? b.) I max ve I min =? c.) V =? Örnek. V s =50V, =400mH, C=100uF f=0khz, R=0Ω a.) V =35V için D=? b.) Bu devre için min =? c.) =100mH için f min =? d.) V =.5V için C=? e.) I max ve I min =? f.) I rms =?
Örnek 1. V s =50V, D=0.4, =400mH, C=100uF f=0khz, R=0Ω a.) V =? b.) I max ve I min =? c.) V =? a.) V 0.4 50 0V b.) I 1.00075A I min max 0.9995A 8 c.) V 9.37510 V
Örnek 3. V s =50V lduğuna göre, bbin akımındaki dalgalanmanın 1A den, çıkış gerilimindeki dalgalanmanın ise %1 den az lması istenmektedir, çıkış geriliminin rtalama değerinin 5V lması ve frekansın değeri 0kHz i aşmaması istenmektedir. Yük direncinin değeri 10hm dur. En küçük byutu sağlamak üzere devreyi tasarlayınız. a.) D=? b.) C=? =? c.) I max ve I min =? c.) I lrms =?
1- Anahtar kapalı di v Vs dt di Vs dt di i i dt t DT i V s DT Vs i DT - Anahtar açık di v Vs V = dt di Vs V dt di i i dt t (1 D) T i V ( 1 D) T Vs V i ( 1 D) T s V V V V s (1 D) T s DT 0
1- Anahtar kapalı di v Vs dt di Vs dt di i i dt t DT i V s DT Vs i DT - Anahtar açık di v Vs V = dt di Vs V dt di i i dt t (1 D) T i V ( 1 D) T Vs V i ( 1 D) T s V V V V s ( 1 D) T s V V 1D s DT 0
Akımlar birbirine eşittir I s V I P I I max s s s VI I I s I V I V I V V / R Vs (1 D) R i I V 1 Vs + DT (1 D) R s max V 1 Vs DT (1 D) R s min /R VI I rms i I 3
f min min D 1 D R D 1 D R f Vs i DT VsDT VsD i i f
V R V DT VD RC RCf Q DT C V V V V D RCf D C R V / V f
V s =1V, V =30V, f=10khz ve R =50Ω lduğuna göre; a.) D=? b.) min =? c.) Bbin akımında 1A lik salınım için =? d.) I max =? I min =? e.) Çıkış geriliminde %1 lik bir salınım için C=? f.) I rms =?
Anahtarı kapattığımızda bbin enerji yüklenir, bu enerji anahtarı aç tığımızda kndansatöre aktarılır. Anahtar kapalı iken yüke uygulalan e nerji sadece kndansatörden gelmektedir. Bu yüzden yüke uygulanan gerilim ldukça salınımlıdır. Bu yüzden çıkışta yüksek kapasiteli kn dansatörlere ihtiyaç duyulur. Çıkışta plarite terslemesi vardır. V D Vs 1 D
Çıkışta plarite terslemesi vardır. Kaynak tarafındaki endüktans filtre görevi görür, yani kaynaktan çekilen akımı süzer. Burada enerji aktarımı kndansatör (c1) aracılığı ile gerçekleştirilir. Bundan önceki çeviricilerde bbin aracı lığı ile gerçekleştiriliyrdu. Flyback çeviricilere nazaran çıkış gerilimi aynı çıkış kapasitesi için daha az salınımlıdır. Yani çıkışta yüksek kapasiyeli kndansatör lere ihtiyaç duymazlar. V D Vs 1 D
Çıkış gerilimi girişten büyükte labilir, küçükte labilir. Çıkışta plarite terslemesi yktur. Kaynak tarafındaki endüktans filtre görevi görür, yani kaynaktan çekilen akımı süzer. Burada enerji aktarımı kndansatör (c1) aracılığı ile gerçekleştirilir. Bundan önceki çeviricilerde bbin aracı lığı ile gerçekleştiriliyrdu. CUK çeviricideki avantaj burada da mevcuttur. V D Vs 1 D
Traf yüksek frekansta çalışabilir lmalıdır, ve tüm çıkış gücü aralığında dğyuma gitmemelidir. Bu çevirici düşüren-yükselten çeviriciye benzer. Mıknatıslama endüktansı en önemli tas. param. Giriş ve çıkış arasında yalıtım sağlanır. Traf seknderi çk sargılı yapılarak birbirinden yalıtımlı çıkış gerilimleri elde edilebilir. Yükseltme ve düşürme trafya bağlıdır. Çıkışta bir endüktansa ihtiyaç duymaz. Gerilim yükseltmeye uygundur. Çıkış gerilimi salınımlıdır. Bu yüzden yüksek kapa siteli çıkış kndansatörlerine ihtiyaç duyarlar. V D N 1 D V s N 1
V N V sd N 1
V N V sd N 1
V N V sd N 1
V N V sd N 1
V V N s D N 1
Anahtarlama frekansı arttıkça, akımı sürekli hale getirmek için gerekli lan bbinin endüktansı (ve dlayısıyla bbinin byutu) azalmaktadır. Aynı zamanda, temiz bir DC çıkış elde etmek için gerekli lan çıkış kndansatörünün kapasitesi de (ve dlayısıyla kndansatörün byutu da) frekans arttıkça azalmaktadır. Bu yüzden yüksek frekanslarda çalışan anahtarlamalı güç kaynakları, hem çk daha küçük hem çk daha verimlidir. NOT: Frekansın artması anahtarlama kayıplarının artması ve bu nedenle verimin azalması anlamına gelmektedir. Ayrıca, anahtarlama kayıpları anahtarlama frekansının artırılmasını engelleyen bir kısıttır. Bu yüzden bu tür devreler ZVS veya ZCS yöntemleri ile anahtarlanır. Bu knuda başı çeken araştırmacılara göre bu nkta anahtarlama frekansı için verim açısından ptimum nkta 500kHz civarındadır. Fakat unutulmamalıdır ki, eğilim frekansı artırmaya yöneliktir, anahtarlama kayıpları düşük ve yüksek frekanslarda anahtarlanabilen mdern yarı iletken anahtar teknljileri geliştikçe frekans daha da artacaktır Şu anda GaN ve SiC teknljileri ile üretilen MOSFET lerle yapılan SMPS ler de 1MHz anahtarlama frekanslarına çıkılmıştır. Bu devrelerde devredeki yllar bbin görevi görmüştür ve verim %95 in üstüne çıkmıştır. Bununla birlikte, anahtarlama frekansı çk arttığında sadece kayıplarla ilgili prblemler luşmaz. Ayrıca yüksek dv/dt ve di/dt ranlarından dlayı EMI prblemleri baş göstermeye başlar. Bu durumda bir EMI filtresinin tasarlanarak ilgili devreye ilave edilmesi gerekir.