Konvertörler
Elektrik sistemlerinde bir yüke giden elektriksel gücün kontrol edilmesi gerekir. Bunun yapılması verimli bir biçimde olmalıdır.Bunun için geliÅŸtirilen metodları kapsayan bu makale bu verimliliÄŸin en iyi ÅŸekilde nasıl kullanılabileceÄŸini araÅŸtırmaktadır…
Gücün kontrol edilme yollarından birisi bir gerilim seviyesinden başka bir gerilim seviyesine güç dönüştürme işlemidir. Alternatif akımda (AA) dönüştürme işlemi transformatörlerle verimli olarak yapılmaktadır. Fakat transformatörler doğru akım (DC/DC) güç dönüşümü için kullanılmaz. Bu makalede DC-DC konvertörlerin yük akımı ve gerilimine göre incelenmesi amaçlanmıştır. Ancak incelemenin büyük bir bölümü anahtarlama modlu çalışan ve gerçekleştirdiği işlem açısından beş gruba ayırabileceğimiz. DC-DC konvertör çeşitlerine ayrılmıştır.
Gücün DC/DC dönüşümünün verimli olarak yapılabilmesi için anahtar mod konvertörlerine ihtiyaç vardır. Güç konvertörleri, reaktif elemanlar ve anahtarlardan meydana gelir. Çalışma prensibi devrede kullanılan anahtarların iletim ve kesim sürelerinin ayarlanması ile yapılır. Yükü besleyen gerilim frekansı büyük değerlerde ise pratik olarak yüke kesintisiz DC güç aktarımı mümkün olur. Bu tür konvertölerin tatmin edici işletimi, reaktif elemanların uygun konfigürasyona ve uygun anahtarlama metotlarına bağlıdır.
SEMBOLLER fs = Anahtarlama frekansı
fo = Konvertör çalışma frekansı
fr = Rezonans frekansı
R = Kondaktör etkin yük direnci
n = Sarım oranı
Vs = Sekonder ortalama gerilimi
Is = Sekonder ortalama akımı
DITsı = Anahtar kesimde iken bobin akımının değişim süresi
DITs2 = Bobin akımının sıfır olduğu süre
VL = Ani yük gerilimi
IL = Yük akımı
D = Darbeleme görev oranı. Bir sistemde ortalama pals gücünün tepe pals gücüne oranı
PWM = Pals genişlik modülasyonu
Pd = Giriş Gücü
İLB = Ortalama bobin akımı
İL,tepe = Bobin akımının tepe değeri
İLB,max = Ortalama bobin akımının maksimum değeri
İOB = Sürekli ve süreksiz iletim durumundaki akım değeri
Lm = Trafo endüktansı
L = Akım tutucu endüktans
DVo = Çıkış geriliminin en alt ve üst seviyesindeki farkı
DQ = Bobin akımının kondansatörden dolayı oluşturduğu yük
DIL = Çıkıştaki bozulmalara sebep olan bobin akımı
fc = Filtre frekansı
Ts = Toplam periyot
Tİ = İletim süresi
Tk = Kesim süresi
k = Sabit
Vk = Kontrol sinyali
VST = Osilatör sinyalinin tepe değeri
Vo = Çıkış gerilimi
Vd = GiriÅŸ gerilimi
Io = Çıkış akımı
Id = Giriş akımı
Po = Çıkış gücü
1.GÄ°RÄ°Åž
Güç elektroniğinin temelleri, daha elektronik sözcüğünün yaygın olarak kullanılmaya başlamasından önce, 20.yüzyılın başlarında atılmıştır. Günümüzde kullanılan güç çevirici devrelerinin çoğu o yıllarda geliştirilmiş devrelerdir.
Güç elektroniÄŸi dalındaki ilk çalışmalar alternatif akımdan doÄŸru akım elde edebilmek için yapılmıştır. Bu amaçla önce mekanik dönüştürücüler kullanılmış ve daha sonraları, civa buharlı doÄŸrultucuların bulunması ve geliÅŸtirilmesi ile mekanik doÄŸrultuculardan statik doÄŸrultuculara doÄŸru bir deÄŸiÅŸim baÅŸlamıştır. 1920’li yılların başında geliÅŸtirilen ızgara denetimli civa buharlı tüplerde doÄŸru akım çıkış geriliminin denetlenebilmesi mümkün olmuÅŸ ve bu amaçla geliÅŸtirilen devreler, günümüzde kullanılan devrelerin temelini oluÅŸturmuÅŸlarıdır.
Ä°lk yarıiletken doÄŸrultucu bakır oksitli olup, 1920’li yılların sonlarında kullanılmaya baÅŸlamış. 1930’larda ise selenyum doÄŸrultucular ortaya çıkmıştır.
Ä°kinci Dünya Savaşı’ndan sonra katı hal fiziÄŸinde önemli geliÅŸmeler olmuÅŸ ve 1950’lerde imal edilen yarı iletken diyotları, 1957 yılında General Electric firmasının geliÅŸtirip imal ettiÄŸi tristörler izlemiÅŸtir. Bu yarıiletken, güç elektroniÄŸi dalında bir devrim yaratmış, küçük ve saÄŸlam yapısı, çalışma koÅŸullarından etkilenmemesi gibi özellikleri dolayısıyla güç elektroniÄŸi uygulama alanlarını büyük çapta artırmıştır.
Güç elektroniğinin evrimini hızlandıran ve uygulama alanlarını genişleten bir diğer etken de yakın geçmişte yaşadığımız enerji krizi olmuştur. Enerji tasarruf yapma zorunluluğu, asenkron motorları daha verimli bir şekilde çalıştırabilmeyi sağlayacak yeni güç elektroniği devrelerinin geliştirilmesini sağlamıştır.
1957 yılında tristörün güç elektroniği elemanları arasına katılmasının yarattığı devrime benzer bir devrim de, 1974 yılında, ilk mikroişlemcinin piyasaya sürülmesiyle yaşanmıştır. Mikroişlemciler, çok sayıda ayrık ve tümleşik devre elemanlarının yerini alabilme özellikleri ile güç elektroniği dalında çalışan kişiler önünde yeni ufuklar açmış, şimdiye kadar karmaşık yapıları ve ekonomik olmamaları nedenleri ile ancak özel durumlarda kullanılan güç elektroniği devrelerini ve denetim yöntemlerini tekrar cazip bir duruma getirmiştir. Asenkron motorların, karmaşık ve pahalı olmayan sistemlerde, doğru akım motorları kadar kolay ve hassas bir şekilde denetlenebilme olanağı doğmuş ve fırça, komitatör problemleri ve bakım zorlukları doğrudan doğru akım motor sürücü sistemleri bir ekonomik alternatif olarak düşünülmeye başlamıştır.
Güç elektroniği uygulama alanları özellikle son yıllarda hızla artmış ve iletişim, savunma, endüstriyel süreçler, güç üretimi, taşıma ve dağıtımı, enerji dönüşümü, ulaşım , dağıtım ve tüketici elektroniği gibi çok geniş bir alana yayılmıştır.
ÇoÄŸu endüstriyel uygulamalarda sabit gerilimli DC kaynağın, deÄŸiÅŸken gerilimli DC kaynaÄŸa çevrilmesi gerekmektedir. DC/DC konvertörler olarak da bilinen bir DC kıyıcı direkt olarak DC ’yi DC ’ye dönüştürür. Bir konvertör, sürekli deÄŸiÅŸtirilebilir sarım oranlı bir AC transformatörün eÅŸdeÄŸer DC devresi gibi de düşünülebilir. Transformatörün AC gerilimi arttırıp azaltabildiÄŸi gibi DC/DC konvertör de bir DC kaynağın gerilim deÄŸerini arttırıp, azaltabilir.
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 DC/DC 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.
DC-DC konvertörler yük akımı ve geriliminin yönüne göre beş grupta incelenmiştir. Fakat tezin büyük bir bölümü, anahtarlama mod olarak çalışan ve gerçekleştirdiği işlev açısından beş gruba ayırabileceğimiz DC-DC konvertör çeşitlerine ayrılmıştır.
2.DC-DC KONVERTÖRLERİN SINIFLANDIRILMASI
DC-DC Konvertörlerin iki kısımda inceleneceği giriş kısmında belirtilmişti.
Akım ve Gerilimin Akış Yönüne Göre Konvertörler (Kıyıcılar) 5 gruba ayrılabilir
· A Sınıfı Konvertörler
· B Sınıfı Konvertörler
· C Sınıfı Konvertörler
· D Sınıfı Konvertörler
· E Sınıfı Konvertörler
A Sınıfı Konvertör Yük akımı yükün içine doÄŸru akar. gösterildiÄŸi gibi yük gerilimi de yük akımı da pozitiftir. Eksenleri IL, VL ’den oluÅŸan bir düzlemin tek bölgesinde çalışabildiÄŸi için tek kadran tipi konvertör olarak adlandırılabilir.
B Sınıfı Konvertör Yük akımı yükün dışından akar. ’de gösterildiÄŸi gibi yük gerilimi pozitif fakat yük akımı negatiftir. B sınıfı konvertör de A sınıfı konvertör gibi tek kadran tipidir. Buna karşılık, düzlemin ikinci bölgesinde çalıştığı için invertör olarak da kullanılabilir. Bu tip konvertör de gösterilmektedir. Åžekildeki E bataryası yükün bir kısmı ve DC motorun geri EMK ’sı olarak düşünülebilir.
S1 anahtarı kapatıldığında E bataryasından dolayı L bobininden bir akım geçer ve VL gerilimi sıfır olur. Ani yük gerilimi VL ve yük akımı IL Şekil sırasıyla gösterilmiştir.
Fakat yük gerilimi her zaman pozitiftir. gösterilen ve iki kadran tip konvertör olarak bilinen C sınıfı konvertör A ve B tip konvertörlerin birleştirilmesinden oluşur. S1 ve D2, A sınıfı; S2 ve D1 B sınıfı konvertör vazifesini görür.S1 ve S2 aynı anda kapatılmadığı sürece C sınıfı konvertör hem doğrultucu hem de ters çevirici (invertör) olarak kullanılabilir.
Yük akımı devamlı pozitiftir. gösterildiÄŸi gibi yük gerilimi hem pozitif hem negatiftir. anahtarları kapatılırsa VL ve IL pozitif olur. S1 ve S4 anahtarları açıldığında yük akımı IL pozitif olur ve endüktif bir yük için akmaya devam eder. D2 ve D3’ün hazırladıkları yol ile yük akımı ve VL ters çevrilir.
gösterildiği gibi, yük akımı ve yük gerilimi, hem pozitif hem negatiftir. gösterilen ve 4 katran tip konvertör olarak da adlandırılabileceğimiz E sınıfı konvertör, 2 tane C sınıfı konvertörün birleştirilmesinden oluşur.
2.2 GerçekleÅŸtirildiÄŸi Ä°ÅŸlev Açısından DC/DC Konvertörler Gücün DC ’den DC ’ye dönüştürülmesi anahtarlamalı tip güç konvertörleri ile yapılır. Konvertörlerler reaktif elemanlar ve anahtarlardan meydana gelir.Çalışma prensibi devrede kullanılan anahtarların iletim ve kesim sürelerinin ayarlanması ile yapılır. Yükü besleyen gerilimin frekansı büyük deÄŸerlerde ise pratik olarak yüke kesintisiz olarak DC güç aktarımı mümkün olur. Böyle konvertörlerin, tatmin edici iÅŸletimi, reaktif elemanların uygun konfigürasyonuna ve uygun anahtarlama metotlarına baÄŸlıdır.
Anahtar mod DC/DC konvertörler lineer olmayan ve zamanla değişen sistemlerdir. Konvertör uygulamasının sürekli olan uygun koruma özellikleri tasarım kriteri ile birlikte belirtilmiştir. DC/DC konvertörler şöyle sınıflandırılabilir.(MOHAN; 1989)
1. Düşürücü Konvertör (Step- Down, Buck)
2. Yükseltici Konvertör (Step- Up, Boost)
3. Düşürücü- Yükseltici Konvertör (Step –Down/ Up, Buck-Boost)
4. CUK Konvertör
5. Tam -Köprü Konvertör
Düşürücü ve yükseltici konvertörler temel konvertörlerdir. Düşürücü- yükseltici ve CUK konvertörleri temel konvertörlerin birbirleri ile birleştirilmelerinden oluşmuştur. Tam- köprü konvertörler ise düşürücü konvertörlerden elde edilmiştir.Konvertör çeşitleri belirli uygulamalarına bağlı olarak, anahtar mod DC güç kaynakları ve DC motor kontrolü uygulamaları olarak tanımlanmıştır. Bu bölümde konvertörler kararlı durumda analiz edilmiş, bobin ve kapasitör kayıpları ihmal edilmiştir.
2.2.1 Düşürücü Konvertör
Düşürücü konvertörler isminden de anlaşılacağı gibi DC giriş geriliminden daha küçük bir çıkış gerilimi vermektedir. En yaygın olarak kullanıldığı yerler;
a) Regüle edilmiş DC güç kaynakları
b) DC motor hız kontrol devreleri
dir. (MOHAN,1989). omik yükü olan düşürücü konvertör ifade edilmiştir. İdeal bir anahtar ve omik bir yük varsayıldığında ani çıkış gerilimi anahtarın durumuna bağlıdır. ortalama çıkış gerilimi Vo anahtar darbeleme oranına bağlı olarak;
dayanarak anlatılır. D (Darbeleme oranı) ’nın deÄŸeri deÄŸiÅŸtirilerek Vo gerilimi kontrol edilebilir. Vo lineer anfilerde olduÄŸu gibi kontrol gerilimine baÄŸlı olarak doÄŸrusal bir deÄŸiÅŸim gösterir. Fakat pratik bir devrede bu sistemin iki mahzuru vardır.
1-Gerçekte yük tamamen omik değil, endüktif olabilir. Bu durumda anahtar endüktif enerji tüketir ve bu nedenle bozulur.
2-Çıkış gerilimi 0 ile Vd arasında salınım yapar. Bu ise birçok uygulamada kabul edilemez.
Depolanan endüktif enerji problemi gösterildiÄŸi gibi bir diyot yardımı ile giderilir.Çıkış gerilim deÄŸiÅŸmeleri alçak geçiren filtre kullanılarak yok edilebilir. Åžekil 2.6.a ’daki filtre endüktif ve kapasitif elemanlardan oluÅŸur. Åžekil 2.6.b ’de alçak geçiren filtre giriÅŸinde bulunan sinyal Voi gösteriliyor. Bu sinyal, filtre olmasaydı Åžekil 2.1.b ’nin aynısı olurdu. Bu sinyal, DC çıkış gerilimi Vo ve onun anahtarlama frekansındaki harmoniklerinden oluÅŸur . Filtrenin köşe frekansı fc anahtarlama frekansından çok daha küçük olacak ÅŸekilde seçilmiÅŸtir ve böylece anahtarlama frekansının çıkış gerilimi üzerindeki istenmeyen etkileri giderilmiÅŸ olur.
Anahtarın iletim zamanı (t1) diyot ile polarlanmıştır. Dolayısıyla giriş sinyali yüke ve bobine enerji sağlar. Anahtar kesimde iken (tk) bobin akımı diyot üzerinden akmaya başlar ve enerjinin (depo edilen enerji) bir kısmını yüke iletir. Sistem kararlı durumda iken çıkıştaki kondansatörün çok büyük olduğu varsayılır. Bu durum oldukça sabit çıkış gerilimi gerektiren durumlarda geçerlidir. Vo(t) = Vo kondansatör gerilimindeki bozulmalar daha sonra hesap edilmiştir.
ortalama bobin akımının ortalama çıkış akımına eşit olduğu görülüyor. Çünkü ortalama kondansatör akımı kararlı durumda sıfırdır.
2.2.1.1 Sürekli Akım Durumu Sürekli akım durumundaki sinyaller görülüyor. Bu modda bobin akımı kesintisiz olarak akmaktadır. Anahtar iletim modunda iken t1 süresi kadar bobin akımı iletir. Diyot ters polarma durumundadır. Bu durum sıfırdan büyük bir bobin gerilimine sebep olur. VL = Vd - Vo Bu gerilim bobin akımında lineer bir artışa sebep olur. Anahtar kesim durumuna geçince, bobinde depolanan enerjiden dolayı bobin akımı üzerinde dolaÅŸmaya devam eder. Bu akım devresini diyot üzerinden tamamlayarak negatif bir gerilim oluÅŸmasına sebebiyet verir. Bu durum (VL=Vo) görülmektedir. Kararlı çalışma modunda sinyal kendisini tekrarlamak zorundadır. Formülde izah edildiÄŸi gibi VL ’nin bir periyottaki integrali sıfır olmak zorundadır. (MOHAN, 1989).
Formülde izah edildiği gibi gösterilen A ve B alanları birbirlerine eşit olmalıdır. Bu modda çıkış gerilimi anahtarın darbeleme oranına bağlı olarak doğrusal bir değişme gösterir ve başka hiçbir devre parametresine bağlı değildir.
Bu nedenle sürekli iletim durumunda çalışan düşürücü konvertör bir DC trafo gibi düşünülebilir. Trafonun sarım oranı sürekli ve elektronik olarak 0 ile 1 değeri arasında anahtarın darbeleme oranı kullanılarak kontrol edilebilir. Anahtar kapalı (off) konuma getirildiğinde giriş akımı = Idi trafo karakteristiğine uygun olarak tepe değerinden sıfıra anlık olarak sıçrar. Akım harmoniklerini gidermek için girişe uygun bir filtre ilave edilir.
2.2.1.2 Sürekli İletim ile Kesintili İletim Arasındaki Sınır
Bu kısımda, bobin akımı üzerindeki değişik devre parametrelerinin etkisi incelenecektir. Sürekli iletim durumunun uç değerindeki küçük VL ve IL Sınırda olmasından dolayı periyodun sonunda bobin akımı sıfır olur (IL = 0). Bu sınırda ortalama bobin akımı ve B ile gösterilen değer sınır değeridir.
Çalışma sırasında (ts, Vd, Vo, L ve D için birer deÄŸer verildiÄŸinde) ortalama çıkış akımı ILB’den daha düşük olursa IL (Bobin akımı) kesintili olacaktır.
2.2.1.3 Kesintili İletim Durumu Konvertörlerin kullanılacağı yerlere bağlı olarak ya Vd (Giriş gerilimi) ya da Vo (çıkış gerilimi) sabit kalmaktadır. Her iki pozisyon bu kısımda ele alınmıştır.
2.2.1.3.1 GiriÅŸ Geriliminin (Vd) Sabit OlduÄŸu Kesintili Ä°letim Durumu
Bir DC motorun hız kontrolünde kullanıldığı gibi Vd sabit kalır, Vo ise D ayarlanarak kontrol edilir. Vo = D.Vd olduğu için ortalama bobin akımı sürekli iletim modunun sınırındadır.
Bu formül kullanıldığında ILB ’nin D ’ye baÄŸlı geliÅŸimi gösterildiÄŸi gibi ILB ’nin maksimum deÄŸeri D = 0.5 iken elde edilir. Vo/Vd oranı kesinti durumunda hesap edilecektir. BaÅŸlangıçta konvertör gösterildiÄŸi gibi kesintili – kesintisiz sınırında çalıştığını varsayalım, Ts, L, Vd ve D sabit olduÄŸu durumda çıkış gücü düşürülürse (yük direnci artarsa) bu durumda ortalama bobin akımı düşer. Åžekil 2.9 ’da gösterildiÄŸi gibi V0 deÄŸeri öncekinden yüksek olur.
sürecinde bobin akımı sıfırdır. Yük kapasitör tarafından beslenir. Bu sürede yine bobin gerilimi de sıfırdır. Bobin geriliminin bir periyot üzerinden integrali alınırsa sıfır çıkacaktır. Bu kullanılarak formül elde edilir.
düşürücü konvertörün her iki moddaki karakteristiÄŸi gösteriliyor. Vd sabit tutulduÄŸunda Vo/Vd deÄŸeri Io/ILB,mak ’a baÄŸlı olarak deÄŸiÅŸik D deÄŸerleri için çizilmiÅŸtir. Åžekildeki kesintili çizgiler kesintili-kesintisiz mod arasındaki sınırı göstermektedir.
2.2.1.3.2 Sabit Vo Değerli Kesintili İletim Durumu Regüle edilmiş DC güç kaynakları uygulamalarında olduğu gibi Vd değişken olabilir ama Vo değeri D ayarlanarak sabit tutulabilir. Vd = Vo/D olduğu için ortalama bobin akımı sınır değerindedir.
2.2.1.3.3 Çıkış Gerilimindeki Bozulmalar Şu ana kadar yapılan analizlerde çıkış kapasitörü çok büyük düşünülmüştü, bu nedenle çıkış geriliminin sabit olduğu varsayıldı. (Vo(t) = Vo= sabit) fakat pratik bir kondansatör değeri için çıkış gerilimindeki sapmalar sinyaller kullanılarak hesap edilebilir (Sürekli iletim durumu için). Bobin akımındaki titreşimlerin kapasitörden geçtiği düşünülürse, taralı bölge ilave bir yük farkına neden olur. Bu yüzden çıkış gerilimindeki en alt ve en üst seviyedeki fark (
eşitlikleri elde edilir. görülebileceği gibi çıkış gerilimindeki bozulmalar alçak geçiren filtrenin frekansı anahtar frekansından çok küçük (fo<<fs) seçilerek azaltılabilir. Ayrıca çıkış, yükten bağımsızdır (Ancak konvertör sürekli iletim durumunda çalıştığı sürece).
Şekil 2.12 Düşürücü Konvertörde Çıkış Geriliminin Bozulması
Benzer bir analiz kesintili iletim durumu içinde yapılabilir. Dikkat edilecek nokta anahtarlamalı güç kaynaklarında % olarak ifade edilebilen bozulma oranı belli bir değerden (örneğin %1) daha küçük şeklinde ifade edilir. Bu nedenle biraz önce yapılan analizde Vo(t)=Vo çıkış geriliminin sabit olduğu kabulü geçerlidir.
2.2.2 Yükseltici (Boost) Konvertörler yükseltici bir konvertörü göstermektedir. Bu tip konvertörler, regüleli DC güç kaynaklarında ve DC motorlarının dinamik frenlenmesinde yaygın bir biçimde kullanılmaktadır.
Adından da anlaşılacağı üzere 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. (Vo(t) @ Vo)
2.2.2.1 Sürekli İletim Durumu bobin akımının (iL(t)>0) devamlı olduğu bu iletim modunun kararlı durum dalga şekillerini göstermektedir.
2.2.2.2 Sürekli ve Süreksiz Ä°letim Arasında Sınır Yükseltici bir konvertörün kullanıldığı çoÄŸu alanda, Vo ‘nun deÄŸerinin sabit tutulması istenir. Buna göre IOB,D ’nin bir fonksiyonu olarak çizilmiÅŸtir. Vo ’nun sabit ,D ’nin deÄŸiÅŸken olması giriÅŸ geriliminin deÄŸiÅŸtiÄŸini gösterir.
sabit Vo ve verilen bir D değeri için, ortalama yük akımının (IOB )altına (dolayısı ile ortalama bobin akımı (ILB) altına) düşmesi durumunda, akım iletiminin süreksiz olacağını göstermektedir.D:darbeleme görev oranı . Bir sistemde ortalama pals gücünün tepe pals gücüne oranı.
2.2.2.3 Süreksiz İletim Durumu
Bu madde çıkış yük gücü azalırken Vd ve D sabit kabul edilir(Uygulamada, Vo deÄŸerini sabit tutmak için D deÄŸiÅŸtirilir). Vd ve D deÄŸerini sabit kabul ederek, sürekli ve süreksiz iletimin sınır durumundaki dalga ÅŸekilleri karşılaÅŸtırılmıştır. Vd deÄŸeri sabitken azaltılmış Po (=Pd) ve daha düşük IL(=Id) deÄŸerinden dolayı süreksiz akım iletimi meydana gelmiÅŸtir. her iki modda ILtepe aynı olduÄŸundan IL ’nin (ve süreksiz IL ’nin )daha düşük bir deÄŸeri ancak Vo deÄŸerinin artmasıyla mümkündür
Bir zaman peryodu üzerinden bobin geriliminin toplamını (integralini) sıfıra eşitlersek;
Uygulamada Vo sabit tutulduÄŸunda ve D, Vd ’nin deÄŸiÅŸim tepkisinden deÄŸiÅŸtiÄŸinden, istenen D deÄŸerini, çeÅŸitli Vo/Vd deÄŸerleri için, yük akımının bir fonksiyonu cinsinden bulmak daha kullanışlıdır.D, Vd/Vo ’nun çeÅŸitli deÄŸerleri için Io/IOB,max deÄŸerinin bir fonksiyonu olarak çizilmiÅŸtir. Kesikli çizgi ile gösterilen eÄŸri sürekli ve süreksiz iletim arasındaki sınırı ifade etmektedir.Süreksiz modda, eÄŸer Vo, her anahtarlama zaman periyodu sürecinde kontrol edilmiyorsa, giriÅŸten çıkış kondansatörüne ve yüke en azından;transfer edilir. EÄŸer yük bu enerjiyi çekmezse, bir enerji dengesi kuruluncaya kadar kondansatör voltajı Vo artacaktır. Yük çok hafifse, Vo ’daki bu artış yüksek bir gerilime veya kondansatörün delinmesine (bozulup iletken hale geçmesine) sebep olur.
2.2.2.4 Parazit Yapıcı (Sinyal Bozucu) Elemanların Etkisi Bir yükseltici konvertörde, bozucu elemanlar, diyot, anahtar, kondansatör ve bobinin ortaklaÅŸa oluÅŸturdukları kayıplardan meydana gelir. gerilim transfer oranı üzerindeki bozucu elemanların yaptığı etki görülmektedir. Uygulamada ideal karakteristiÄŸinin tersine D bire yaklaşırken Vo/Vd azalır. D ’nin yüksek deÄŸerlerinde, çok zayıf anahtarlama kullanılmasından eÄŸriler kesikli çizgi ile gösterilir.
Buradaki incelemelerimizde, bozucu elemanlar ihmal edildi.
Sürekli çalışma modu için, tepeden tepeye çıkış gerilimi dalga ÅŸekillerinden hesaplanabilir. Diyot akımı ID ’nin, tüm dalgacık akım bileÅŸenlerinin kondasatörden ve ortalama deÄŸerini yük direncine aktığını kabul ederek,
2.2.3 Düşürücü – Yükseltici (Buck-Boost) Konvertör Düşürücü-yükseltici konvertörler, DC güç kaynaklarının regülasyonunda, giriÅŸ voltajının ortak terminaline göre çıkışın negatif kutuplu olması istenildiÄŸinde ve çıkış voltajının, giriÅŸ voltajından daha az veya daha fazla olabileceÄŸi yerlerde yaygın bir biçimde kullanılır.
Bu tip bir konvertör, düşürücü ve yükseltici tip iki konvertörün ard arda bağlanmasıyla elde edilebilir. Kararlı halde çıkış-giriş voltaj dönüşüm oranı; ard arda bağlanan konvertörlerin dönüşüm oranlarının çarpımıdır(Anahtarların darbeleme oranları birbirine eşit).
Bu çıkış voltajının, giriÅŸ voltajından daha az veya daha fazla olmasına D ’ye baÄŸlı olarak izin verir. Bu tip bir baÄŸlantı Åžekil 2.20 ’de görülmektedir. Anahtar kapatıldığında bobin enerjilenir fakat diyot iletime geçmez. Anahtar açıldığında bobinde depolanmış enerji yoktur. Burada incelenen kararlı hal analizinde çıkış kapasitörünün deÄŸerinin, sabit bir çıkış voltajını (Vo(t) @ Vo) saÄŸlaması için çok büyük olduÄŸu düşünülmektedir.
2.2.3.1 Sürekli İletim Durumu bobin akımının sürekli olarak aktığı sürekli akım iletim modu için dalga şekillerini göstermektedir.
Bir zaman periyodu üzerinden bobin geriliminin toplamını (integralini) sıfıra eşitleyerek;
göre çıkış voltajının girişten daha az veya daha fazla olabileceğini ispatlamaktadır.
2.2.3.2 Sürekli ve Süreksiz Ä°letim Arasındaki Sınır Düşürücü - yükseltici tip konvertörlerin kullanıldığı çoÄŸu uygulamalarda, Vd (dolayısıyla D) deÄŸiÅŸirken Vo deÄŸerinin sabit tutulması gerekmektedir. Son iki eÅŸitliÄŸe göre ILB ve IOB maksimum deÄŸerlerini D=0 ’da almaktadır.
2.2.3.3 Süreksiz İletim Durumu Yükseltici konvertörle kıyas ederek, parazit yapıcı elemanların , voltaj çevirme oranı ve geri besleme doğrultmalı düşürücü - yükseltici konvertörün kararlılığı üzerinde kayda değer etkilerin olduğu söylenebilir. parazit yapıcı elemanların etkisi açıkça görülmektedir. Çok yüksek ve elverişsiz darbeleme oranı yapan zayıf anahtar kullanımından dolayı eğriler kesikli çizgi ile gösterilmiştir.
2.2.3.5 Çıkış Gerilim Dalgacığı Ä°ÅŸlemin sürekli modu için, çıkış gerilimindeki dalgacık gibi düşünülerek hesaplanabilir. Ä°D ’nin kondansatör içinden akan dalgacık akım bileÅŸeninin ve yük direncinin üzerinden geçen ortalama deÄŸerinin tümü göz önüne alındığında, ortaya çıkan alanın
2.2.4 CUK DC – DC Konvertör gösterilen CUK konvertör,önceki kısımda incelenen buck-boost konvertörün devresi üzerindeki “iki özellik gösteren durum” ilkesinin kullanılmasıyla elde edilmiÅŸtir. Buck-boost konvertör gibi CUK konvertör de giriÅŸ geriliminin ortak ucuna göre (-) kutuplu düzenlenmiÅŸ çıkış gerilimi vermektedir. Bu devrede C1 kondansatörü, enerjiyi depolayıp giriÅŸten çıkışa aktaran birinci eleman vazifesini görür.
Kararlı durumda, ortalama bobin gerilimleri VL1 ve VL2 sıfırdır.
yazılabilir.
Yani VC1, VD ve VO ’nun ikisinden de daha büyüktür. C1 ’in yeterince büyük olması durumunda, kararlı hal ani deÄŸiÅŸimde geri (VC1 ’in) ortalama deÄŸer VC1 ’e yakın olacak kadar küçük olduÄŸu (i.e. VC1 @ VC1) kabul edilir.
Şekil 2.27 CUK Konvertör
Anahtar açıldığında bobin akımları iL1 ve iL2 diyot içinden geçer. GiriÅŸ ve L1 üzerinden, akımın diyottan geçmesiyle C1 yüklenir. VC1 , VD ’den büyük olduÄŸundan iL1 giderek azalır ve L2 ’de depolanan enerji çıkışı besler. Böylece iL2 ’de azalmış olur.
Anahtar kapatıldığında, VC1, diyotu ters kutuplandırır.
gösterildiÄŸi gibi bobin akımları iL1 ve iL2, anahtar üzerinden akar. VC1>VO olduÄŸundan C1 enerjiyi L2 ve çıkışa aktararak anahtar üzerinden boÅŸalır. Böylece iL2 azalır. GiriÅŸin L1 ’i beslemesi iL1’i arttırır.
Bobin akımları iL1 ve iL2 ‘nin sürekli oldukları düşünülmektedir. Kararlı durumdaki akım ve gerilim ifadeleri iki yolla bulunabilir.
VC1’in sabit deÄŸeri için, bir periyodik zaman dilimi üzerinden L1 ve L2 de düşen gerilimlerin toplamı sıfıra eÅŸitlenerek aÅŸağıdaki denklemler bulunur.
Analiz metotlarının ikisi de aynı sonucu vermektedir. Ortalama giriş ve çıkış ilişkileri buck-boost konvertörle benzerdir.
VC1’in yaklaşık sabit kabul ediliÅŸi, uygulama devrelerinde oldukça geçerlidir. GiriÅŸ ve çıkış katını besleyen akımların oldukça serbest dalgacıklar ÅŸeklinde oluÅŸu, bu devrenin bir avantajıdır (Bu özelliÄŸiyle, bu akımları yüksek derece süreksiz olan buca-boost konvertöre benzemez). iL1 ve iL2 içindeki dalgacıkları eÅŸ zamanlı olarak ortadan kaldırmak mümkündür. Bu da daha düşük kapasiteli dış süzme üniteleriyle yetinmemizi saÄŸlar. C1 Kondansatörünün büyük ölüde dalgacık-akım taşıma yeteneÄŸine sahip olması gerekmektedir. Bu ise bir dezavantajdır.