soft switching

DC-DC DNTRCLERDE YUMUAK ANAHTARLAMA TEKNKLER

PROF. DR. HACI BODUR

DC- DC DNTRCLERDE YUMUAK ANAHTARLAMA TEKNKLERYumuak Anahtarlama (SS) Teknikleri ve Bastrma Hcreleri (SC) Temel DC-DC Dntrcler ve Rezonans Devreleri Darbe Genilik Modlasyonu (PWM) ve Rezonans Teknikleri Sfr Akm ve/veya Gerilimde Anahtarlamal (ZCS ve/veya ZVS) Pasif Rezonans Bastrmal PWM DC-DC Dntrcler Sfr Akm ve/veya Gerilimde Anahtarlamal (ZCS ve/veya ZVS) Aktif Rezonans Bastrmal PWM DC-DC Dntrcler Sfr Akm ve/veya Gerilimde Geili (ZCT ve/veya ZVT) Aktif Rezonans Bastrmal PWM DC-DC Dntrcler

SOFT SWITCHING TECHNIQUES IN DC-DC CONVERTERSSoft Switching (SS) Techniques and Snubber Cells (SC) Basic DC-DC Converters and Resonant Circuits Pulse Width Modulation (PWM) and Resonant Techniques Zero Current and/or Voltage Switching (ZCS and/or ZVS) PWM DC-DC Converters with Passive Resonant Snubber Cell Zero Current and/or Voltage Switching (ZCS and/or ZVS) PWM DC-DC Converters with Active Resonant Snubber Cell Zero Current and/or Voltage Transition (ZCT and/or ZVT) PWM DC-DC Converters with Active Resonant Snubber Cell

1



ZETYksek g younluu, hzl gei cevab ve kontrol kolayl nedeniyle, darbe genilik modlasyonlu (PWM) DC-DC dntrcler, endstride yaygn olarak kullanlmaktadr. Daha yksek g younluu ve daha hzl gei cevab, ancak anahtarlama frekans arttrlarak salanabilmektedir. Fakat, frekans arttnda, anahtarlama kayplar ve elektromanyetik giriim (EMI) grltleri de artmaktadr. O halde, frekansn arttrlabilmesi iin, bu kayp ve grltlerin drlmesi gerekmektedir. Bu ise, ancak sert anahtarlama (HS) yerine bastrma hcreleri ile salanan yumuak anahtarlama (SS) teknikleri kullanlarak gerekletirilebilmektedir. Bu nedenle, PWM dntrclerin gelimesi, artk SS sayesinde mmkn olmaktadr. Son yllarda, yumuak anahtarlama dncesi gittike artan bir ekilde cazibesini srdrmektedir.

ABSTRACTPulse width modulated (PWM) DC-DC converters have been widely used in industry because of their high power density, fast transient response and ease of control. Higher power density and faster transient response can be achieved by increasing switching frequency. On the other hand, while the frequency rises switching losses and electromagnetic interference (EMI) noises increase. For this reason, it is required that these losses and noises must be decreased to increase the switching frequency. This aim can be realized by using the soft switching (SS) techniques implemented with snubber cells instead of hard switching (HS) techniques. Consequently, the improvement of PWM converters have been possible by means of only SS. The attraction of soft switching concept has been lasting increasingly in recent years.

2



GENEL GRYksek g younluu, hzl gei cevab ve kontrol kolayl nedeniyle, Darbe Genilik Modlasyonlu (PWM) DC-DC dntrcler, endstride yaygn olarak kullanlmaktadr. Daha yksek g younluu ve daha hzl gei cevab ise, ancak anahtarlama frekans arttrlarak elde edilebilmektedir. Fakat, anahtarlama frekans arttnda, anahtarlama kayplar ile Elektromanyetik ve Radyofrekans Giriimi (EMI ve RFI) grltleri de artmaktadr. Ancak, Sert Anahtarlama (HS) yerine Yumuak Anahtarlama (SS) tekniklerinin kullanlmasyla, anahtarlama kayplar drlerek frekansn ykseltilmesi mmkn olmaktadr. Bu dnce, akademik ve endstriyel almalarda, yirmi yldan beri gittike artan bir ekilde cazibesini srdrmektedir [1]-[12]. SS, stres azaltma, bastrma, gerilim bastrma, yk hatt ekillendirme ve stres azaltma ebekeleri gibi terimlerle yaynlarda farkedilir. SS, anahtarlama esnasnda, elemann maruz kald akm ve gerilim deerleri ile akm ve gerilim ykselme hzlarnn bastrlmas, akm ve gerilim deiimlerinin ekillendirilmesi, anahtarlama kayplar ile EMI grltnn azaltlmas ve anahtarlama enerjisinin yke veya kaynaa transfer edilmesi fonksiyonlarn kapsar [1].3



Temel olarak anahtarlama kayplar, anahtarlama esnasndaki akm ve gerilimin stste binme enerji kayb, diyodun ters toparlanma enerji kayb ile parazitik kondansatrn dearj enerji kaybndan oluur. Genel olarak SS teknikleri, Sfr Akmda Anahtarlama (ZCS), Sfr Gerilimde Anahtarlama (ZVS), Sfr Akmda Gei (ZCT) ve Sfr Gerilimde Gei (ZVT) ile anahtarlama eklinde sralanabilir [10]. SS, rezonansl devrelerde doal olarak oluur veya genellikle bastrma hcreleri denilen ilave devrelerle elde edilir. Bastrma hcreleri, klasik ve modern olarak iki genel gruba ayrlabilir. Bastrma hcreleri, dntrclerin temel paralar olmayp ilave devrelerdir. Bir bastrma hcresiyle salanan SS yararlar ve geri kazanlan anahtarlama enerjileri ile bu hcrenin ana ve yardmc devrelerde sebep olduu ek enerji kayplar ve maliyet arasndaki denge, bu bastrma hcresinin seiminde sonucu belirler [5]. Bu almada, nce sert ve yumuak anahtarlama ile bastrma hcresi kavramlar ele alnm, sonra yumuak anahtarlama teknikleri incelenmi ve ayrca bastrma hcrelerinin bir snflamas ile bir karlatrmas sunulmutur.

4



KAYNAKLAR1. A. Ferraro, An Overview Of Low-Loss Snubber Technology For Transistor Converters, IEEE Power Electron. Spec. Conf., 1982, pp.466-477. 2. G. Hua, C. S. Leu, Y. Jiang, F. C. Y. Lee, Novel Zero-Voltage-Transition PWM Converters, IEEE Trans. on Power Electron., vol.9, no.2, pp.213-219, March 1994. 3. G. Hua, E. X. Yang, Y. Jiang, F. C. Lee, Novel Zero-Current-Transition PWM Converters, IEEE Trans. on Power Electron., vol.9, no.6, pp.601-606, November 1994. 4. A. Elasser, D. A. Torrey, Soft Switching Active Snubbers for DC/DC Converters, IEEE Trans. on Power Electron., vol.11, no.5, pp.710-722, September 1996. 5. H. Mao, F. C. Y. Lee, X. Zhou, H. Dai, M. Cosan, D. Boroyevich, Improved ZeroCurrent-Transition Converters for High-Power Applications, IEEE Trans. on Ind. Applicat., vol.33, no.5, pp.1220-1232, September/October 1997. 6. C. J. Tseng, C. L. Chen, A Passive Snubber Cell for Non-isolated PWM DC/DC Converters, IEEE Trans. on Ind. Electron., vol.45, no.4, pp.593-601, August 1998. 7. C. J. Tseng, C. L. Chen, Novel ZVT-PWM Converters with Active Snubbers, IEEE Trans. on Power Electron., vol.13, no.5, pp.861-869, September 1998. 8. V. Grigore, J. Kyyra, A New Zero-Voltage-Transition PWM Buck Converter, Mediterranean Electrotechnical Conf., MELECON 98, 9 th, vol.2, pp.1241-1245, 1998. 9. P. J. M. Menegaz, M. A. Co, D. S. L. Simonetti, J. L. F. Vieira, Improving the operation of ZVT DC-DC Converters, Power Electron. Spec. Conf., PESC 99, 30 th, vol. 1, 1999, pp. 293-297. 10. K. M. Smith, K. M. Smedley, Properties and Synthesis of Passive Lossless SoftSwitching PWM Converters, IEEE Trans. on Power Electron., vol.14, no.5, pp.890-899, September 1999. 11. H. Bodur, M.H. Sarul, A.F.Bakan, A Passive Lossless Snubber Cell Design For An Ohmic Loaded PWM IGBT Chopper Fed By a Diode Bridge From AC Mains, ELECO99 Int. Conf. on Elect. and Electron. Eng., Bursa (Turkey), December 1-5, 1999, Electron., pp. 440-444. 12. T.W. Kim, H.S. Kim, H. W. Ahn, An Improved ZVT PWM Boot Converter, Power Electron. Spec. Conf., PESC00, 31 st, vol. 2, 2000, pp.615-619.

5



YUMUAK ANAHTARLAMA TEKNKLER1. YUMUAK ANAHTARLAMA VE BASTIRMA HCRES KAVRAMIBurada anahtarlama kavram, rnek olarak seilen omik ykl bir DC kyc ile dk kl bir DC-DC dntrc devresinin periyodik almalar zerinde incelenmitir. Yar iletken anahtarlama g eleman olarak bir Bipolar Transistr (BJT) kullanlmtr.

1.1. Omik Ykl bir DC Kycekil 1de anahtarlama eleman olarak kullanlan BJTnin v-i karakteristii ile omik ykl bir DC kycnn devre emas ve temel dalga ekilleri grlmektedir. ekil 1(c)den grld gibi, bir anahtarlama peryodu ierisinde BJT, iletim ve kesim ile anahtarlama olmak zere 3 temel durumda bulunmaktadr. Anahtarlama durumu ise iletim ve kesime girme ilemlerinden olumaktadr.iBIBS Vi / R0 ICS IB2 IB1 IB0 = 0 Vi , I0 IBS

iC

t

PLOSS iC vCEdv /dt

V CE sat ii = iC

(a)+

Vi i0 = iC vBE+ +

vCE

di /dt

t

tONWON iletime girme ilemi

tCONTpWCON letim Durumu

tOFFWOFF Kesime girme ilemi

tBLOWBLO Kesim Durumu

vCE iB

-

Vi

-

(b)

(c)

ekil 1. (a) BJTnin v-i karakteristii ile (b) omik ykl bir DC kycnn devre emas ve (c) temel dalga ekilleri.

6



1. letim Durumu : G anahtarnn minimum gerilim dm altnda maksimum akm geirdii ve doyumda alma denilen durumdur. Bu durum, v CE = v CON = VCE min = VCEsat i C = i CON = I CS = I 0 = (Vi VCEsat ) / R 0 letim Durumu t CON WCON = v CON i CON dt 0

(1)

eklinde tanmlanr. Baz durumlarda,VCEsat 0 Kabuller I 0 Vi / R 0

(2)

kabulleri yaplr. Burada, VCEsat transistrn doyum gerilimi ve ICS doyum akmdr. 2. Kesim Durumu : G anahtarnn akm geirmeden kaynak gerilimini tutmas durumudur. Bu durumda, elemandan ok kk deerde bir kaak veya sznt akm geer. Bu durum,v CE = v BLO = Vi i C = i BLO 0 Kesim Durumu WBLO 0

(3)

eklinde ifade edilir. 3. Anahtarlama Durumu : G anahtarnn iletim ve kesime girme ilemleridir. a) letime Girme lemi : Giri sinyali uygulandnda, ezamanl ve lineer olarak, g anahtarnn ularndaki gerilimin minimum deerine dmesi ve anahtardan geen akmn maksimum deerine ykselmesi ilemidir. Bu durum,v CE = v ON Vi Vi i C = i ON WON =t ON

Vi t R 0 t ONON ON

v0

i

dt

t t ON letime Girme lemi

(4)

eklinde tanmlanr. Burada, tON anahtarn iletime girme sresidir.

7



b) Kesime Girme lemi : Giri sinyali kesildiinde, yine ezamanl ve lineer olarak, anahtarn ierisinden geen akmn sfra dmesi ve anahtarn ularndaki gerilimin kaynak gerilimine ykselmesi ilemidir. Bu durum ise, t OFF V V t i C = i OFF i i Kesime Girme lemi R 0 R 0 t OFF t OFF WOFF = v OFF i OFF dt 0 v CE = v OFF Vi t

(5)

olarak tanmlanr. Burada, tOFF anahtarn kesime girme sresidir. Yukardaki bantlara gre, g anahtarnn anahtarlama ve toplam enerji kayplar,WSW = WON + WOFF Enerji Kayplar WTOT = WCON + WSW

(6)

olur. Enerji kayplarnn darbe frekans ile arplmasyla, genel olarak g kayplar iin,PCON = f P WCON PSW = f P WON + f P WOFF = PON + POFF G Kayplar PTOT = f P WCON + f P WSW = PCON + PSW

(7)

yazlabilir. Burada, fP devrenin anahtarlama veya alma ya da darbe frekansdr. Anahtarlama peryodu TP olduuna gre, fP=1/TP olur. letim durumunda, transistrn gerilim dm vCON ve geirdii akm iCON sabit kabul edilir ve tCON=TP alnrsa, toplam g kayb, PTOT = VCON I CON + f P WSW = PCON + PSW (8)

eklinde yazlabilir. Burada, bal iletim sresi veya iletim / kesim oran olarak bilinir. (8) bantsndan grld gibi, iletim g kayb bal iletim sresi ve anahtarlama g kayb anahtarlama frekans fP ile dorudan orantldr. Transistr iin, t CON / TP = , t ON t r , t OFF t f , vCON = VCEsat ve iCON = I 0 olarak alnrsa, WCON = VCEsat I 0 TP Vi I 0 WON = tr BJT Enerji Kayplar 6 Vi I 0 WOFF = tf 6

(9)

sonularna eriilir. Burada, tr ve tf, transistr akmnn srasyla ykselme ve dme sreleridir. Genellikle, iletim ve kesime girme srelerinin bu akm ykselme ve dme srelerine eit olduu kabul edilir. Ayrca, anahtarlama ilemleri esnasnda, akm ve gerilim deiimlerinin lineer olduu kabul edilir. 8



1.2. Dk kl bir DC-DC DntrcDk kl bir DC-DC dntrcnn devre emas ve temel dalga ekilleri ekil 2de verilmitir. Bir alma peryodu ierisinde BJT, yine iletim ve kesim ile anahtarlama durumlarnda olmaktadr. ekil 2(b)den de grld gibi, bu devrenin iletim ve kesim durumlar omik ykl DC kycdakiler ile ayndr, fakat anahtarlama ilemleri olduka farkldr. Aslnda bu dntrc, yeterli byklkte bir endktansa sahip olan omik-endktif ykl bir DC kyc rneidir.

ii

iB

iL iD

I0

(a)

iBI BSt

PLOSSVi , I0 di /dt

iC vCE

dv /dtt

tONWON

tCONWCON

tOFFTpWOFF

tBLOWBLO

(b)

ekil 2. Dk kl bir DC-DC dntrcnn (a) devre emas ile (b) temel dalga ekilleri.

9



DC-DC dntrcler, anahtarlanan endktansn enerji aktarm prensibine gre alan devrelerdir. Endktans deerinin yeterince byk olduu ve endktans akmnn sabit kald kabul edilebilir. Transistr iletimde iken, diyot kesimdedir ve gerilim kayna hem endktans hem de yk besler. Transistr kesimde iken, diyot iletimdedir ve endktansta biriken enerji bu diyot zerinden yke aktarlr. Bu dntrcye ait ve zellikle omik ykl DC kycdan farkl olan balantlar, v CE = v ON Vi Vi i C = i ON I 0 v CE = v OFF Vi i C = i OFF I 0 t t ON letime Girme lemi

(10)

t t OFF Kesime Girme lemi

(11)

W CON = V CEsat I 0 T P Vi I 0 W ON = tr BJT Enerji Kayplar 2 Vi I 0 W OFF = tf 2 eklinde zetlenebilir.

(12)

Burada hemen unu vurgulamak gerekir ki, DC-DC dntrcde, anahtarlama ilemleri sabit kabul edilen k akm altnda gerekleir ve anahtarlama kayplar omik ykl DC kycdaki kayplarn 3 katdr. Bu devrede, g diyodunun ideal olduu kabul edilmitir. Gerekte, diyot iletimde iken transistr srldnde, diyodun ters toparlanma veya snme sresi boyunca iki eleman zerinden tam bir ksa devre oluur ve sonunda diyot sner. Burada, g diyodunda bir ters toparlanma kayb oluur ve geen ksa devre akm ilave salnm ve kayplara neden olur. Ayrca, g anahtarnn ana ular arasnda bir parazitik kondansatr mevcuttur. G anahtarnn iletime girmesi esnasnda, bu parazitik kondansatrn anahtar zerinden dearj olmas da ilave bir kayba neden olur. Genellikle, yar iletken g anahtarlarnda, kesime girme sresi iletime girme sresinden daha byktr ve bylece kesime girmedeki anahtarlama kayb iletime girmedeki anahtarlama kaybndan ok daha yksektir.

10



1.3. Anahtarlama ve Dntrme zellikleriOmik ykl bir DC kycnn endstriyel olarak pek anlam yoktur. nk, DC kyc olarak bilinen devreler endstride yaygn olarak DC motor kontrolnde kullanlr ve bu motorlar da omik-endktif yklerdir. Yine endstride yaygn bir ekilde kullanlan PWM kontroll DC-DC dntrcler de omik-endktif zellikli devrelerdir. Anahtarlama, temel olarak bir g elemann iletim ve kesime girme ilemleridir. Anahtarlama ilemlerinde, g anahtarnn akm ve geriliminin stste binmesiyle oluan anahtarlama kayplar yannda, g diyodunun ters toparlanma kayb ve g anahtarnn parazitik kondansatrnn dearj kayb da olumaktadr. Bu anahtarlama kayplarnn hepsi darbe frekans ile doru orantldr. Bu kayplar arttka, kullanlan g elemanlarnn nominal deerleri ile soutucu ve soutma sisteminin boyutlar da artar. Sonu olarak, devrenin hacmi ile maliyeti artar ve g younluu der. Anahtarlama ilemleri esnasnda, byk deerli olan akm ve gerilim ykselme hzlar, yksek deerli EMI grltlere neden olur. Bu grltler ise, kontrol ve haberleme sinyallerini bozar. Akm ve gerilimin ykseleme hzlar, aslnda anahtarlama kayplarnn da temel nedenidir. DC-DC dntrclerde, iletim ve kesim durumlarndaki akm ve gerilim deiimlerinde dalgalanmalar olmadndan, sirklasyon enerjisi veya reaktif enerjinin de olmad sylenebilir. Bu durum ise, anahtarlama ilemleri dikkate alnmadnda, bu devredeki g younluunun ok yksek olduunu gsterir. Ayrca, anahtarlama frekans ykseldike, endkatans ile kapasitans deerleri orantl olarak der ve g younluu daha da artar. Ancak, frekans ykseldiinde, anahtarlamadaki enerji kayplar ve EMI grlt de artmaktadr. Bu nedenle, PWM DC-DC dntrclerin geliimi, anahtarlama problemlerinin zmne dayaldr.

1.4. Yumuak Anahtarlama ve Bastrma Hcresi KavramYukarda, bir DC kyc ve bir DC-DC dntrc rnek alnarak, anahtarlamann kavram ve zellikleri etrafl olarak incelenmitir. Bu rneklerden grld gibi, ek bir dzen kullanlmadan doal olarak gerekleen anahtarlamalara Sert Anahtarlama (HS) denilmektedir. Sert anahtarlamadaki anahtarlama problemlerinin zlmesi arzusu Yumuak Anahtarlama (SS) kavramn ortaya karmtr. Yumuak anahtarlama, temel olarak, anahtarlama kayplar ve EMI grltnn zel dzenlerle yok edilmesi veya en aza indirilmesi eklinde tanmlanr. Yumuak anahtarlama amacyla gelitirilen ve dntrclerin temel bir paras olmayan ilave dzen ve devrelere ise bastrma hcreleri denilmektedir. Yaynlarda bastrma hcreleri, yumuak anahtarlama, stres azaltma, bastrma, yk hattn ekillendirme gibi terimlerle farkedilir. Bastrma hcreleri, dntrcnn ana anahtar ve ana diyodu zerinde ilave akm ve gerilim streslerinin veya ek kayplarn olumasna neden olabilir. Bu ek kayplar yok edilmeli veya en dk seviyelerde tutulmaldr. Ayrca, bu hcrelerin almas g anahtarnn iletim ve kesime girme srelerinin dna tanabilir. Bu tamalar minimum seviyelerde kalmal, bylece bastrma hcresi PWM kontroluna mani olmamal ve dntrc deiken veya hafif yklerde de alabilmelidir. lave olarak, bastrma hcreleri dntrcnn karmaklk ve fiyatn arttrabilir. Bu artlar da dk seviyelerde kalmaldr. 11



Yumuak anahtarlama veya bastrma hcrelerinde nihai amacn devrenin g younluunun arttrlmas olduu daima gz nnde tutulmaldr. Bir bastrma hcresinin seilme karar, bu hcrenin salad btn yumuak anahtarlama yararlar ile bu hcrenin neden olduu ek klfetler iyice karlatrlarak verilmelidir. Yumuak anahtarlamadan istenen fonksiyonlar, genel olarak aada sralanmtr. Bu fonksiyonlarn ou birbirine bal veya birbirinin tamamlaycs niteliindedir. Anahtarlama geileri esnasnda akm ve gerilimin stste binmesini azaltmak. Akm ve gerilimin ykselme hzlarn snrlamak. Yk hatt akm ve gerilim deiimlerini dzenlemek Anahtarlama enerji kayplarn bastrmak. EMI ve RFI grltlerini bastrmak. Anahtarlama enerjilerini geri kazanmak. alma frekansn ykseltmek. Peryodun byk bir ksmnda PWM almay korumak. Hafif yklerde de yumuak anahtarlamay srdrmek. Devrenin boyut ve maliyetini drmek. Devrenin verim ve g younluunu arttrmak.

2. YUMUAK ANAHTARLAMA TEKNKLERYumuak anahtarlama teknikleri, genel olarak, 1. 2. 3. 4. Sfr Akmda Anahtarlama (ZCS) Sfr Gerilimde Anahtarlama (ZVS) Sfr Akmda Gei (ZCT) Sfr Gerilimde Gei (ZVT)

eklinde 4 genel gruba ayrlr. ekil 3te, bir anahtarlama elemannn kontrol sinyali ile sert anahtarlama (HS) ve yumuak anahtarlama (SS) teknikleriyle ilgili temel dalga ekilleri grlmektedir. ZCS ile ZVS temel ve ZCT ile ZVT ileri yumuak anahtarlama teknikleridir.

2.1. Sfr Akmda AnahtarlamaSfr Akmda Anahtarlama (ZCS), iletime girme ileminde gerekletirilen bir SS tekniidir. Bu teknikte, temel olarak g anahtarna kk deerli bir endktans seri balanarak, iletime girme ileminde elemandan geen akmn ykselme hz snrlanr. Bylece, akm ile gerilimin stste binmesi ve anahtarlama enerji kayb azaltlr. Aslnda, iletime girme ilemindeki anahtarlama enerjisi endktansa aktarlr. Endktanstaki bu enerji, klasik hcrelerde bir dirente harcanr, fakat modern hcrelerde ksa sreli bir ksmi rezonans ile gerilim kayna veya yke aktarlarak geri kazanlr.

12



Kontrol Sinyali (a) HS HS

ti v(b) ZCS SS

v i

tVm v i

Im i v(c)

ZVS SS

t

ZVT SS

i v(d)

ZCT SS

v i

t

tr

tf

ekil 3. (a) Bir anahtarlama g elemann kontrol sinyali ile (b) HS, (c) ZCS ile ZVS ve (d) ZCT ile ZVT almalaryla ilgili temel dalga ekilleri.

2.2. Sfr Gerilimde AnahtarlamaSfr Gerilimde Anahtarlama (ZVS), kesime girme ileminde gerekletirilen bir SS tekniidir. Bu teknikte, temel olarak g anahtarna kk deerli bir kondansatr paralel balanarak, iletimden kma ileminde elemann ularnda oluan gerilimin ykselme hz snrlanr. Bylece, iletimden kma ileminde, anahtarlama enerji kayb azaltlr ve anahtarlama enerjisi kondansatre aktarlr. Kondansatrdeki bu enerji, modern hcrelerde geri kazanlr. ZCS ve ZVS tekniklerinde anahtarlama enerji kayb tamamen yok edilememektedir. Bu nedenle, bu tekniklere yaklak ZCS ve yaklak ZVS teknikleri de denilmektedir. Genel olarak, ZCSde kullanlan endktansa seri bastrma eleman ve ZVSde kullanlan kondansatre paralel bastrma eleman denilir. Normal olarak, seri endktans g eleman zerinde ilave bir gerilim stresine ve paralel kondansatr ise ilave bir akm stresine neden olur. Seri endktansn neden olduu ek gerilim stresinin nlenemedii kabul edilmektedir.

13



2.3. Sfr Akmda GeiSfr Akmda Gei (ZCT), kesime girme ileminde gerekletirilen ileri bir SS tekniidir. Bu teknikte, g anahtarndan geen akm ksa sreli bir ksmi rezonansla sfra drlr ve akm sfrda tutulurken kontrol sinyali kesilir. Bylece, akm ile gerilimin stste binmesi ve anahtarlama enerji kayb tamamen yok edilir. Mkemmel bir kesime girme ilemi salanr. Burada hem ZCS hem de ZVSnin saland sylenebilir. Akmn sfra dmesi ileri alnarak gerekletirilen bir SS tekniidir. Anahtarlama enerjisinin geri kazanld bu teknik, ancak modern hcrelerle salanabilir ve bir yardmc veya ilave yar iletken anahtar gerektirir.

2.4. Sfr Gerilimde GeiSfr Gerilimde Gei (ZVT), iletime girme ileminde uygulanan ileri bir SS tekniidir. Bu teknikte, g anahtar ularndaki gerilim ksa sreli bir ksmi rezonansla sfra drlr ve bu gerilim sfrda tutulurken kontrol sinyali uygulanr. Bylece, anahtarlama enerji kayb tamamen yok edilir ve mkemmel bir iletime girme ilemi salanr. Gerilimin sfra dmesi ileri alnarak gerekletirilen bu teknikte de hem ZVS hem de ZCSnin salad sylenebilir. Anahtarlama enerjisinin geri kazanld bu teknik de modern hcrelerle elde edilir ve ilave bir anahtar gerektirir. Burada hemen unun belirtilmesi gerekir ki, sadece bu teknikte g anahtarnn parazitik kondansatrnn dearj enerji kayb yok edilir ve bu enerji geri kazanlr. Yksek deerlerde parazitik kondansatrlere sahip olan MOSFET g elemanlarnda bu SS teknii byk nem tar.

3. BASTIRMA HCRELERNN SINIFLANDIRILMASIBastrma hcreleri, genel olarak ekil 4te grld gibi, anahtarlama trne, boyuta, yn ve rezonans ile ilave bir anahtarn olup olmamasna gre snflandrlr. Ayrca, gelimilik lsne gre bastrma hcreleri ekil 5te verildii gibi snflandrlabilir. Bir bastrma hcresi, genellikle ya iletim ya da kesime girme ileminde yumuak anahtarlamay salamak zere tasarlanr. Bazen, belirli kriterlerle hcrenin boyutu tanmlanr. Kontroll g elemanlarnda, genellikle kutuplu veya tek ynl bastrma hcreleri kullanlr. zellikle diyot ve tristrlerde, ters toparlanma ilemlerinde de etkili olmas iin kutupsuz veya iki ynl hcreler kullanlr. Rezonanssz hcreler klasik ve rezonansl olanlar ise modern hcrelerdir. Buradaki rezonans, sadece anahtarlama ilemleri esnasnda etkili olan geici veya ksmi bir rezonanstr. Ksmi rezonans, temel olarak, bastrma ileminin ksa sreli ve mkemmel olmas ile bastrma enerjisinin geri kazanlmasn salar. Hibir ilave veya yardmc anahtar iermeyen hcreler pasif ve en az bir yardmc anahtarn kullanld hcreler aktif olarak adlandrlmaktadr. Buradaki snflandrmalarda, btn bastrma hcreleri ayrk ve etrafl bir ekilde verilmitir. Ancak, uygulamalarda bir g elemannn yumuak anahtarlama ile hem iletim hem de kesime girmesi istenmektedir. Bunun iin, iki bastrma hcresinin birlikte kullanlmas gerekir. Bu durumda, bastrma hcrelerinin veya ilave devrelerin toplam, bir tek hcre olarak kabul edilir ve tasarm bir btn olarak yaplr. Hatta dntrcler, genellikle bastrma hcresine gre adlandrlr. ZCS-PWM dntrc, ZVT-PWM dntrc ve ZCS-ZVS-PWM dntrc gibi.

14



GENEL OLARAK BASTIRMA HCRELER

Anahtarlama Tr

letime Girme

Kesime Girme

Boyut Durumu

Kk

Normal

Byk

Kutup/Yn Durumu

Kutuplu

Kutupsuz

Rezonans Durumu

Rezonansl

Rezonansz

Ek Anahtar Durumu

Aktif

Pasif

ekil 4. Bastrma hcrelerinin genel olarak snflandrlmas.

GELMLK AISINDAN BASTIRMA HCRELER

Klasik / Kaypl Rezonansz

Modern / Kaypsz Rezonansl

letime Girme ZCS

Kesime Girme ZVS

letime Girme

Kesime Girme

ZCS RLD RCD RC

ZVT

ZVS

ZCT

RL

C

L

Pasif

Aktif

Aktif

Aktif

Pasif

ekil 5. Bastrma hcrelerinin gelimilik asndan snflandrlmas.

15

Aktif



4. BASTIRMA HCRELERNN KARILATIRILMASIKlasik ve modern bastrma hcreleri Tablo 1de etrafl olarak karlatrlmtr. zet olarak, klasik hcreler, rezonanssz, kaypl ve pasif hcrelerdir. Modern hcreler ise, ksmi rezonansl, kaypsz ve aktif veya pasif hcrelerdir. Tablo 1. Klasik ve modern bastrma hcrelerinin karlatrlmas. KLASK VE MODERN BASTIRMA HCRELERNN KARILATIRILMASI Klasik Bastrma Hcreleri Rezonans devresi mevcut deildir. Yardmc bir anahtar yoktur letime girme ileminde ZCS salanr. Kesime girme ileminde ZVS salanr. Anahtarlama enerji kayplar, byk lde bastrlr. Anahtarlama enerjileri, geri kazanlamaz ve direnlerde harcanr. Ana anahtar zerinde, ZCSde ilave gerilim ve ZVSde ise ilave akm stresi oluur. Bastrma hcresinin almas hat gerilimi ve yk akmna byk lde baldr. Yani deiken ve hafif yk artlar altnda alma olduka zordur. Dk frekansl klasik devreler iin uygundur. Basit yapl ve ucuzdur. Modern Bastrma Hcreleri Hepsi ksmi rezonansldr. Aktif olanlarnda yardmc anahtar vardr. letime girme ileminde ZCS salanr. Kesime girmede ZVS salanr. Anahtarlama enerji kayplar, pasif olanlarda byk lde, aktif olanlarda ise tamamen bastrlr. Anahtarlama enerjileri, pasif olanlarda byk lde, aktif olanlarda ise tamamen geri kazanlr. Ana anahtar zerinde, pasif olanlarda genellikle ilave stresler oluur, aktif olanlarda ise hibir ilave stres olumayabilir. Bastrma hcresinin almas hat gerilimi ve yk akmna pasif olanlarda epeyce baldr, aktif olanlarda bu ballk byk lde azaltlabilir ve hatta yok edilebilir. Yksek frekansl modern devreler iin gerekli bastrclardr. Pasif olanlarn basit yapl ve ucuz, fakat aktif olanlarn daha karmak ve pahal olduu kabul edilebilir. Ayrca, Aktif olanlarda, yardmc anahtar iinde yumuak anahtarlamann salanmas olduka nemlidir ve bu salanabilir. Parazitik kondansatrn dearj enerji kaybnn yok edilmesi ve bu enerjinin geri kazanlmas, sadece aktif olan ZVTde mmkn olmaktadr. Bu ise MOSFET iin ok nemlidir.

16



Bastrma Hcrelerini Karlatrma KriterleriBastrma hcrelerini karlatrabilmek iin, aada sralanan kriterlerin salanp salanmad denetlenmelidir.

Ana anahtar ve ana diyodun SS ile iletim ve kesime girmeleri. Ana anahtar ve ana diyot zerinde ilave bir akm veya gerilim stresinin olumamas. Varsa yardmc anahtar ve diyotlarn SS ile iletim ve kesime girmeleri. Varsa yardmc anahtar ve diyotlar zerindeki akm ve gerilim streslerinin makul dzeylerde kalmas. Anahtarlama enerjilerini geri kazanlmas. Anahtarlarn parazitik kondansatr enerjilerinin geri kazanlmas. Bastrma devresinin geni bir hat ve geni bir yk aralnda alabilmesi. Yani hafif yk artlarnda SSnin srmesi ve PWM almann korunmas. Bastrma hcresinin basit ve ucuz olmas. Devrenin verim ve g younluunun artmas.

Genel zet ve KarlatrmaYumuak anahtarlama, temel olarak anahtarlama kayplar ile EMI grltlerin yok edilmesi veya en aza indirilmesidir. Anahtarlama kayplar ise, anahtarlama esnasnda g anahtarnn akm ve geriliminin stste binme kayb ile g diyodunun ters toparlanma kayb ve anahtarn parazitik kondansatrnn dearj kaybndan olumaktadr. SS salayan ve ilave devreler olarak bilinen bastrma hcreleri, klasik ve modern olarak iki genel gruba ayrlr. Bu hcreler arasndaki temel fark, modern hcrelerin bir ksmi rezonansa sahip olmalardr. Bir bastrma hcresinden beklenen fonksiyonlar, anahtarlama kayplar ve EMI grltlerin bastrlmas, anahtarlama enerjilerinin geri kazanlmas, hafif yk artlarnda da yumuak anahtarlamann srmesi veya zamann ounda PWM almann korunmas, ana elemanlar zerinde ilave akm ve gerilim streslerinin olumamas veya en az dzeyde kalmas, devrenin boyut ve maliyetinin dmesi ile verim ve g younluunun artmas eklinde sralanabilir. Bu fonksiyonlarn ok az bir ksm klasik, byk bir ksm modern pasif ve tamamna yakn bir ksm ise modern aktif hcreler ile salanabilmektedir. Sonu olarak, devrenin g younluunu arttrmann ana ama olduu daima gz nnde tutulmal, bir bastrma hcresinin salad SS yararlar ile devreye ykledii klfetler iyice karlatrlmal ve nihai seim yaplmaldr.

17



5. KLASK BASTIRMA HCRELER 5.1. GiriKlasik bastrma hcreleri, genel olarak rezonanssz, kaypl ve pasif hcreler olarak bilinmektedir. Bu hcreler, 1. Seri bastrma hcreleri 2. Paralel bastrma hcreleri eklinde 2 genel gruba ayrlr. Seri ve paralel bastrma hcreleri, srasyla ekil 6 ve ekil 7de verilmitir.L Bastrma RL Bastrma v0 RLD Bastrma v0

ii = i0 Vi

R0

+ -

ii = i0 Vi

R0

+ -

ii = i0 R 0Rs

v0

+ -

Ls T (a)

ViT (c)

RsDs

T (b)

ekil 6. (a) L, (b) RL, ve (c) RLD eklinde klasik seri veya ZCS bastrma hcreleri.C Bastrma RC Bastrma v0 RCD Bastrma v0

ii = i0 Vi

R0

+ -

ii = i0 Vi

R0

+ -

ii = i0 ViRs

R0

v0

+ -

Rs T Cs

Ds

T

Cs (b)

T

Cs (c)

(a)

ekil 7. (a) C, (b) RC, ve (c) RCD eklinde klasik paralel veya ZVS bastrma hcreleri.

5.2. Seri Bastrma HcreleriSeri bastrma hcresi, iletime girme veya sfr akmda anahtarlama (ZCS) hcresi olarak da tanmlanr. Temel olarak seri bastrmada, ana anahtara seri olarak kk deerli bir endktans balanmasyla, iletime girme anahtarlamas esnasnda, elemandan geen akmn ykselme hz snrlanarak Sfr Akmda Anahtarlama (ZCS) salanr.

18



Burada, iletime girme ileminde anahtarlama enerji kayb byk lde azaltlr. Aslnda, anahtarlama enerjisi endktansa aktarlr. Fakat, bu enerji, kesime girme ileminde, endktansta byk bir emk oluturur ve daha byk bir enerji kayb ile anahtarn tahrip olmasna neden olabilir. Ana anahtarn pozitif bir devrilme gerilimi ve bir parazitik kondansatre sahip olduunu dnerek bu durumu yorumlaynz. Bu problemin zm iin, en azndan endktansa paralel bir direncin balanmas gerekir. Bylece, seri RL hcresi oluur. Seri RL bastrma hcresinde, kesime girdii anda anahtarn maruz kald maksimum gerilim,R Vi (13) = (1 + s )Vi R0 R0 olarak bulunur. Burada Rs direnci, iletime girme ileminde anahtarda ek bir akm stresinin olumasna neden olur. Bu problemin zm iin ise, bu dirence seri olarak ve anahtarn iletim ynnn tersi ynde bir diyot balanr. Bylece, seri RLD bastrma hcresi elde edilir. VOFF max = Vi + R s I 0 = Vi + R s

Seri RLD bastrma hcresinde, anahtarn maruz kald gerilim yukardakine gre sadece bir diyodun gerilim dm kadar artar, fakat direncin ok daha kk deerlerde seilmesine imkan salanr. Bylece, klasik olarak mkemmele eriilir. Fakat, anahtarlama enerjisi dirente harcanr ve ana anahtarda ek bir gerilim stresi oluur.

5.3. Paralel Bastrma HcreleriParalel bastrma hcresi, kesime girme veya sfr gerilimde anahtarlama (ZVS) hcresi olarak da tanmlanr. Temel olarak paralel bastrmada, ana anahtara paralel olarak kk deerli bir kondansatr balanmasyla, kesime girme anahtarlamas esnasnda, eleman ularnda oluan gerilimin ykseleme hz snrlanarak Sfr Gerilimde Anahtarlama (ZVS) salanr. Paralel bastrma hcrelerinin almas, seri bastrma hcreleriyle tam bir benzerlik gsterir. Burada, kesime girmedeki anahtarlama enerji kayb byk lde azaltlr ve bu enerji kondansatre aktarlr. Dolu olan bu kondansatr, iletime girme ileminde anahtardan ar bir akm gemesine neden olur. Bunu nlemek iin, kondansatre seri bir diren balanr. Bu durumda, iletime girdii anda anahtardan geen maksimum akm,Vi (14) Rs olarak bulunur. letimden kma ileminde bu direncin ek bir gerilim stresine neden olmamas iin, bu diren anahtarn iletim ynnde bir diyot ile kprlenir. Artk bu diren daha byk deerlerde seilebilir. Bylece, klasik olarak mkemmele eriilir. Fakat, anahtarlama enerjisi dirente harcanr ve ana anahtarda ek bir akm stresi oluur. I ON max = I 0 +

Uygulamalarda, genellikle seri ve paralel bastrma hcreleri birlikte kullanlr. Bu durumda, bu hcreler birbirini olumlu ya da olumsuz olarak etkiler. Bu hcrelerin veya ilave devrelerin toplam, genellikle bir tek bastrma hcresi olarak kabul edilir ve dizayn ilemi bir btn olarak yaplr.

19



5.4. Klasik Bastrma Hcrelerinin zellikleri Bastrma eleman olarak sadece bir L veya bir C kullanlmas mmkn deildir. Seri bastrma hcresiyle iletime girme ileminde ZCS ve paralel bastrma hcresiyle ise kesime girme ileminde ZVS salanr. letim veya kesime girme ilemlerinde, anahtarlama enerji kayplar byk lde azalr. Anahtarlama enerji kayplar geri kazanlamaz ve direnlerde harcanr. Seri bastrma ileminde ilave bir gerilim stresi ve paralel bastrmada ise ilave bir akm stresi oluur. Bastrma elemanlarnn enerjilenme sreleri ile bu enerjilerin snme sreleri, hat gerilimi ve yk akmna byk lde baldr. Hafif yk artlarnda, yumuak anahtarlamann srdrlmesi ve PWM almann korunmas olduka zordur. Dk frekansl klasik devreler iin uygun olabilir. Basit yapl ve ucuzdur.

DEVLER1 : rnek olarak verilen omik ykl bir DC kycnn transistrne bir seri bastrma endktans balandnda, iletime girme ileminde lineer ekilde artan akmn yine ykselme sresi sonunda nominal deere eritii ve ancak ayn esnada lineer ekilde sfra den gerilimi transistr ile endktansn eit olarak paylatklar kabul edildiinde, transistrn iletime girme ilemindeki anahtarlama enerji kaybn bulunuz. 2 : rnek olarak verilen omik ykl DC kycnn transistrne bir paralel bastrma kondansatr balandnda, kesime girme ileminde lineer ekilde artan gerilimin yine dme sresi sonunda kaynak gerilimine eritii ve ancak ayn esnada lineer ekilde sfra den akm transistr ile kondansatrn eit olarak paylatklar kabul edildiinde, transistrn kesime girme ilemindeki anahtarlama enerji kaybn bulunuz. 3 : (1) nolu soruyu rnek olarak verilen dk kl DC-DC dntrc iin dzenleyerek cevaplandrnz. 4 : (2) nolu soruyu rnek olarak verilen dk kl DC-DC dntrc iin dzenleyerek cevaplandrnz.

20



DEVLER1. rnek olarak verilen omik ykl bir DC kycnn transistrne bir seri bastrma endktans balandnda, iletime girme ileminde lineer ekilde artan akmn yine ykselme sresi sonunda nominal deere eritii ve ancak ayn esnada lineer ekilde sfra den gerilimi transistr ile endktansn eit olarak paylatklar kabul edildiinde, transistrn iletime girme ilemindeki anahtarlama enerji kaybn bulunuz. 2. rnek olarak verilen omik ykl DC kycnn transistrne bir paralel bastrma kondansatr balandnda, kesime girme ileminde lineer ekilde artan gerilimin yine dme sresi sonunda kaynak gerilimine eritii ve ancak ayn esnada lineer ekilde sfra den akm transistr ile kondansatrn eit olarak paylatklar kabul edildiinde, transistrn kesime girme ilemindeki anahtarlama enerji kaybn bulunuz. 3. rnek olarak verilen dk kl DC-DC dntrcnn transistrne bir seri bastrma endktans balandnda, iletime girme ileminde lineer ekilde artan akmn yine ykselme sresi sonunda nominal deere eritii ve diyodun kesime girdii ve ancak ayn esnada sabit olan kaynak gerilimini transistr ile endktansn eit olarak paylatklar kabul edildiinde, transistrn iletime girme ilemindeki anahtarlama enerji kaybn bulunuz. 4. rnek olarak verilen dk kl DC-DC dntrcnn transistrne bir paralel bastrma kondansatr balandnda, kesime girme ileminde lineer ekilde artan gerilimin yine dme sresi sonunda kaynak gerilimine eritii ve ancak ayn esnada sabit olan yk akmn transistr ile kondansatrn eit olarak paylatklar kabul edildiinde, transistrn kesime girme ilemindeki anahtarlama enerji kaybn bulunuz. 5. rnek olarak verilen dk kl DC-DC dntrcnn transistrne bir seri bastrma endktans balandnda, iletime girme ileminde transistr geriliminin lineer ekilde derek ykselme sresi sonunda sfr olduu ve ancak transistrden geen akmn ayn sre sonunda halen yk akmna erimedii kabul edildiinde, transistrn iletime girme ilemindeki anahtarlama enerji kaybn bulunuz. 6. rnek olarak verilen dk kl DC-DC dntrcnn transistrne bir paralel bastrma kondansatr balandnda, kesime girme ileminde transistr akmnn lineer ekilde azalarak dme sresi sonunda sfr olduu ve ancak transistr ularndaki gerilimin ayn sre sonunda halen kaynak gerilimine erimedii kabul edildiinde, transistrn kesime girme ilemindeki anahtarlama enerji kaybn bulunuz.

21



DC DC DNTRCLER VE KONTROL TEKNKLER1. GRGn getike daha ok uygulama alan bulan DC DC dntrcler, akademik ve pratik almalarda geni yer tutmaya devam etmektedir. Bu dntrclerden temel olarak geni bir aralkta ayarlanabilen, dzgn ve regleli bir DC k gerilimi ile yksek bir verim istenmektedir. DC transformatrler olarak da kabul edilen bu dntrcler, 1. Anahtarlamal DC DC dntrcler 2. Rezonansl DC DC dntrcler eklinde iki ana gruba ayrlr. Fakat, DC DC dntrcler denildiinde, daha ok anahtarlamal dntrcler anlalmaktadr. Bu durumda, rezonansl dntrcler bir zel tr olarak da kabul edilebilir.

2. ANAHTARLAMALI DC DC DNTRCLERAnahtarlamal DC DC dntrcler, genellikle darbe genilik modlasyonu (PWM) teknii ile kontrol edilmektedir. Hzl gei cevab ve yksek g younluu nedeniyle, bu dntrcler endstride yaygn olarak kullanlmaktadr. Bu dntrcler, geni bir aralkta ayarlanabilen, dzgn ve regleli bir DC gerilim salayabilmektedir.

2.1. Anahtarlamal DC DC Dntrme KavramAnahtarlamal temel DC DC dntrcler, bir kontroll yar iletken g eleman, bir yar iletken g diyodu ve bir anahtarlama endktansndan oluan temel elemann farkl ekillerde balanmasyla elde edilmitir. Devrede ya tam iletimde ya da tam kesimde olarak altrlan kontroll g elemanna, g anahtar veya aktif eleman denilmektedir. Diyot ise yar iletken pasif g elemandr. Ayrca, alma frekansna gre endktans deerinin yeterince byk olduu ve bylece endktanstan geen akmn genellikle kesintisiz ve dzgn olduu kabul edilmektedir. Anahtarlamal DC DC dntrclerin alma prensibi, anahtarlanan endktansn enerji aktarmna dayaldr. Bu dntrclerde, bir anahtarlama peryodu ierisinde ya g anahtar ya da g diyodu iletimdedir. Genellikle, anahtar iletimde iken endktansa enjekte edilen enerji, diyot iletimde iken ka aktarlr.

2.2. Anahtarlamal DC DC Dntrclerin SnflandrlmasFarkl ekillerde snflandrlan anahtarlamal DC DC dntrclerin ok kabul gren bir snflamas aada verildii gibidir. 1. zolasyonsuz temel DC DC dntrcler a) Drc (buck) dntrc b) Ykseltici (boost) dntrc c) Drc ykseltici ( buck boost ) dntrc d) Cuk dntrc 1



e) Sepic dntrc f) Zeta dntrc 2. zolasyonlu DC DC dntrcler a) leri ynl (forward) dntrc b) Geri dnl (flyback) dntrc c) Push pull dntrc d) Yarm kpr ( half bridge) dntrc e) Tam kpr (full bridge) dntrc Aslnda, izolasyonsuz olan ilk 3 dntrc temel dntrclerdir. Dier btn dntrcler, bu 3 dntrcden birisinin karakteristiine sahiptir. Ayrca, genellikle izolasyonlu olarak kullanlan yarm ve tam kpr dntrcler, izolasyonsuz olarak da gerekletirilebilmektedir. zolasyonsuz drc ve ykseltici ile izolasyonlu push pull dntrcler daha ok kullanlmaktadr.

2.3. Darbe Genilik Modlasyonu (PWM) TekniiAnahtarlamal DC DC dntrclerde, bir anahtarlama peryodu ierisinde g anahtar iletim sresinin anahtarlama peryoduna oran, darbe/peryot oran veya bal iletim sresi olarak tanmlanr ve veya D ile gsterilir. Bylece, bal iletim sresi iin,= T1 Tp

ve 0 < < 1

(1)

yazlabilir. Bal iletim sresi nn kontrol ile, DC k geriliminin ayarlanmas ve bu gerilimin kaynak gerilimi ile yk akmndaki deimelere kar regle edilmesi salanmaktadr. Bu dntrcler, genellikle darbe genilik modlasyonu (PWM) teknii ile kontrol edilmektedir. Bu teknikte, sabit alma frekans altnda g anahtarnn iletim sresi deitirilerek, bal iletim sresi ve bylece DC k gerilimi kontrol edilmektedir. Gerekletirilmesi de olduka kolay olan PWM tekniinde, g anahtar kontrol sinyalinin nasl elde edildii ve kontroln nasl saland, prensip olarak ekil 1de grlmektedir. PWM tekniinde, ekil 1den grld gibi, istenen bir referans gerilim Vr ile geribesleme gerilimi Vfnin bir amplifikatrden geirilmesiyle kontrol gerilimi Vc elde edilmekte ve bu gerilim ile istenen frekansta testere dii eklindeki bir gerilim Vstnin karlatrlmasyla g anahtarnn kontrol sinyali elde edilmektedir. Burada, referans giri gerilimi ile DC k geriliminin ayar ve geribesleme giri gerilimi ile DC k geriliminin reglasyonu salanmaktadr. Anahtarlamal dntrclerin DC k gerilimi, ayrca frekans modlasyonu (FM) teknii ile de kontrol edilebilmektedir. Bu teknikte ise, anahtarlama frekans veya peryot deitirilerek, bal iletim sresi ve bylece DC k gerilimi kontrol edilmektedir. Bu kontrol yntemi, ancak hafif yk veya geici rejim artlarnda alma gibi zorunlu hallerde ve geici olarak kullanlmaktadr.

2



Vr

+ Amp.

vc

+ Komparatr

Vf vst

Vst

Vstmax

vc

Karlatrma ilemi t

Con

Blo V c > Vst

Anahtar kontrol sinyali

Tp

ekil 1. Prensip olarak PWM teknii.

2.4. Anahtarlamal Temel DC DC DntrclerBu blmde, bir g anahtar ve bir g diyodu ile bir anahtarlama endktasnn farkl ekillerde balanmasyla gerekletirilen, izolasyonsuz anahtarlamal 3 temel DC DC dntrcnn alma prensibi ve genel zellikleri incelenmitir. Bu incelemede, giri ve k gerilim kaynaklar, g anahtarlar ve g diyodu ile endktans ve kondansatr ideal kabul edilmitir. Analizde, ayrca endktanstan geen akmn kesintisiz olduu kabul edilmitir. Kararl rejimde alan temel dntrclerin hepsinde, ortalama olarak endktans akm daima g anahtar ve g diyodu akmlarnn toplamna eittir. Endktans gerilimi ve kondansatr akm ortalama olarak daima sfrdr. Endktans akm ile kondansatr gerilimindeki artma ve azalma miktarlar daima birbirine eittir. DC k gerilimi, ortalama endktans geriliminin sfr olmasndan veya endktans akmndaki artma ve azalma miktarlarnn birbirine eitliinden bulunabilir. Ayrca, endktans akmndaki dalgalanma miktar bu akmdaki artma ile azalma miktarlarnn birbirine eitliinden ve k gerilimindeki dalgalanma miktar kondansatr gerilimindeki artma ile azalma miktarlarnn birbirine eitliinden kolayca bulunabilir. 2.4.1. Drc DC DC Dntrc Drc (buck) dntrcnn devre emas ve bu devrenin kararl rejimdeki almas ile ilgili temel dalga ekilleri ekil 2de verilmitir. Bu dntrcde, temel olarak, g anahtar iletimde iken giri gerilim kayna hem k besler hem de endktansa ilave bir enerji enjekte eder ve g diyodu iletimde iken endktanstaki bu ilave enerji ka aktarlr. 3

>

T1

T2

t Vc Vst



ii

iB

iTiD

iL iC

(a)=2/3 ve kesintisiz bir endktans akm iinVi vCE t Vi vD t vL Vi-Vo t -Vo ILmax iLIL

IL=Io IL min tIL 2

iC

tIL 2

VC max VC vC VC= Vo VC min T1 Tp T2 t

(b)

ekil 2. Drc dntrcnn (a) devre emas ve (b) bu devrenin kararl rejimdeki almas ile ilgili temel dalga ekilleri.

4



Kararl rejimde alan bu dntrcde, sfr ile giri gerilimi arasnda kontrol edilebilen bir DC k gerilimi elde edilir. G elemanlar giri gerilimine maruz kalr Endktans ka seri bal olduundan, ortalama olarak endktans akm k akmna eittir, k akmndaki dalgalanma ve gerekli kondansatr deeri ok dktr. Fakat, giri gerilim kaynandan ekilen akm ok dalgaldr. Drc dntrcde, T1 aral iin,di L Vi Vo = dt L

(2)

T2 aral iin,V di L = o dt L

(3)

k gerilimi iin, Vo = Vi Giri akm iin, Ii = Io bantlar mevcuttur. 2.4.2. Ykseltici DC DC Dntrc Ykseltici (boost) dntrcnn devre emas ve bu devrenin kararl rejimdeki almas ile ilgili temel dalga ekilleri ekil 3te verilmitir. Bu dntrcde, temel olarak, g anahtar iletimde iken giri gerilim kayna sadece endktansa ilave bir enerji enjekte eder ve ayn esnada yk kondansatr besler. G diyodu iletimde iken ise, hem giri gerilim kayna k besler hem de endktanstaki ilave enerji ka aktarlr. Kararl rejimde alan bu dntrcde, DC k gerilimi, giri gerilimi ve belirlenen bir maksimum gerilim arasnda kontrol edilir. G elemanlar k gerilimine maruz kalr. Endktans girie seri bal olduundan, endktans akm giri akmna eittir ve giri akmndaki dalgalanma ok dktr. Fakat, k akmndaki dalgalanma ve gerekli kondansatr deeri yksektir. Ayrca, bu dntrc bota altrlamaz. (5) (4)

5



ii

iL iT iB

iD iC

(a)=2/3 ve kesintisiz bir endktans akm iinVo vCE t Vo vD t vL Vi t -(Vo-Vi) ILmax iLIL

IL=Ii ILmin t ILmax Io ILmin Io t -Io VC max

iC

vC

VC

VC=Vo VC min

T1 Tp

T2

t

(b)

ekil 3. Ykseltici dntrcnn (a) devre emas ve (b) bu devrenin kararl rejimdeki almas ile ilgili temel dalga ekilleri.

6



Ykseltici dntrcde, T1 aral iin,di L Vi = dt L

(6)

T2 aral iin,V Vi di L = o dt L

(7)

k gerilimi iin,

Vo =

1 Vi 1

(8)

Giri akm iin,

Ii =

1 Io 1

(9)

bantlar geerlidir.2.4.3. Drc Ykseltici DC DC Dntrc

Drc ykseltici (buck boost) dntrcnn devre emas ve bu devrenin kararl rejimdeki almas ile ilgili temel dalga ekilleri ekil 4te verilmitir. Bu dntrcde temel olarak, g anahtar iletimde iken giri gerilim kayna sadece endktansa ilave bir enerji enjekte eder ve ayn esnada yk kondansatr besler. G diyodu iletimde iken ise, sadece endktanstaki ilave enerji ka aktarlr. Kararl rejimde alan bu dntrcde, sfr ve belirlenen bir maksimum gerilim arasnda kontrol edilebilen bir DC k gerilimi elde edilir. G elemanlar giri ve k gerilimlerinin toplamna maruz kalr. Endktans giri veya ka seri bal olmadndan, endktans akm giri ile k akmlarnn toplamna eittir ve giri ile k akmlarndaki dalgalanmalar byktr. Bu dntrc de bota altrlamaz. Ayrca, bu dntrcnn nemli ve farkl bir zellii, k geriliminin ters ynl olmasdr. Bu nedenle, bu dntrcye ters kl dntrc de denilmektedir. Bu durum, genellikle uygulamalarda istenmez.

7



ii

iB

iTiL

iD

iC(a)=2/3 ve kesintisiz bir endktans akm iinV+Vo i vCE t V+Vo i vD t vL Vi t -Vo ILmax iLIL

IL=Ii+Io IL min t ILmax Io ILmin Io t Io VCmax

iC

vC

VC

VC=Vo VC min

T1 Tp

T2

t

(b)

ekil 4. Drc ykseltici dntrcnn (a) devre emas ve (b) bu devrenin kararl rejimdeki almas ile ilgili temel dalga ekilleri.

8



Drc ykseltici dntrcde, T1 aral iin,di L Vi = dt L

(10)

T2 aral iin, di L V = o dt L k gerilimi iin, Vo = Vi 1 (12) (11)

Giri akm iin, Ii = Io 1 (13)

bantlar mevcuttur.

2.5. Anahtarlamal Temel DC DC dntrclerin KarlatrlmasTablo 1de anahtarlamal temel DC DC dntrclerin etrafl bir zeti ve karlatrmas verilmitir. Dntrcnn seiminde, ncelikle istenen k gerilimi aral etkilidir. Giri ve k akmlarndaki dalgalanma miktarlar da dikkate alnmaldr. Ayrca, ykseltici ve drc ykseltici dntrcler, zellikle belirli ve sabit ykler iin dnlmelidir. Bu dntrclerde, g elemanlarnn gerilim deerlerine gre bir maksimum DC k gerilimi belirlenmeli ve bu deer denetlenmelidir. k geriliminin ar deerler almas nedeniyle, bu dntrcler bota alma zelliine sahip deildir.

9



Tablo 1. Anahtarlamal temel DC DC dntrclerin karlatrlmas. ANAHTARLAMALI TEMEL DC DC DNTRCLERN KARILATIRILMASI Karlatrma Konusu T1 aralnda alma T2 aralnda alma Vo k gerilimi Ii giri akm Vo kontrol aral G elemanlarnn maruz kald gerilim IL endktans akm Iideki dalgalanma Iodaki dalgalanma Vodaki dalgalanma Von yn Bota alma zellii Drc Ykseltici Drc Ykseltici

Vi k besler. Vi , Lye ilave bir enerji enjekte eder. Ldeki ilave enerji ka aktarlr. Vi Io 0 ile Vi Vi Io Byk ok kk ok kk Pozitif Var

Vi , Lye ilave bir enerji enjekte eder. C yk besler. Vi k besler. Ldeki ilave enerji ka aktarlr. 1 Vi 1 1 Io 1 Vi ile Vomax Vo Ii ok kk Byk Byk Pozitif Yok

Vi , Lye ilave bir enerji enjekte eder. C yk besler. Ldeki ilave enerji ka aktarlr.

1

Vi

Io 1 - (0 ile Vomax) Vi + Vo Ii + Io Byk Byk Byk Negatif Yok

10



3. REZONANSLI DC DC DNTRCLERTemel olarak, seri bal bir endktans ile bir kondansatrn bir gerilim kaynayla beslenmesine seri rezonans devresi ve paralel bal bir endktans ile bir kondansatrn bir akm kaynayla beslenmesine ise paralel rezonans devresi denilmektedir. Rezonansl dntrcler, rezonans devreleri kullanlarak gerekletirilen dntrc devreleridir. Bu ekilde elde edilen ok sayda ve trde dntrc mevcuttur. Burada rezonansl dntrcler etrafl olarak incelenmemitir. Anahtarlamal dntrcler ile bir karlatrma yaplabilmesi iin, temel olarak rezonansl dntrme kavram ve rezonans kontrol teknii ile rnek bir rezonansl dntrc ve temel rezonans bantlar ele alnmtr.

3.1. Rezonansl DC DC Dntrme KavramRezonans devreleri, aada verilen iki temel ama ile dntrc uygulamalarnda kullanlmaktadr.1. Trisrlerin komtasyonunu ve bylece tristrl devrelerin almasn salamak. 2. G elemanlarnn sfr akm veya sfr gerilimde anahtarlanmasn ( ZCS veya ZVS ) ve bylece anahtarlama kayplarnn bastrlmasn salamak.

Rezonansl DC DC dntrclerin alma prensibi, oluturulan rezonans devrelerinin enerji transferine dayaldr. Bu amala seri, paralel ve karmak olmak zere ok sayda ve trde rezonans devreleri gelitirilmitir. Rezonansl dntrcler ile nceleri tristrl devrelerin altrlabilmesi amalanrken, son yllarda daha ok yar iletken g elemanlarnda sfr akmda veya sfr gerilimde anahtarlama (ZCS veya ZVS) hedeflenmektedir.

3.2. Rezonans Kontrol TekniiRezonans kontrol tekniinde, sfr akm veya sfr gerilim dedektrleri kullanlarak, akm veya gerilimin sfr olduu esnada g elemanlarnn iletim veya kesime girmesi salanr. Burada, rezonans devresi tarafndan belirlenen alma frekans, genellikle k gcne bal olarak deimektedir. Bu teknikte, rezonanslar arasnda braklan boluun veya giri kaynann akm veya gerilim deerinin deitirilmesi ile k gc kontrol edilir.

3.3. Bir Rezonansl DC DC Dntrc rneiBir rnek olarak ZCS rezonansl DC DC dntrcnn devre emas ve bu devrenin kararl durumda almas ile ilgili temel dalga ekilleri ekil 5te verilmitir. Bu devrenin kararl durumdaki peryodik almas drt kademeden olumaktadr. Bu kademeler aada ksaca aklanmtr. Burada, Lr rezonans endktans ve Cr rezonans kondansatrdr.Kademe 1 [t0 < t < t1] : t0 annda D iletimde iken Tye kontrol sinyali uygulanr. Lineer olarak artan iLr akmnn Io deerine erimesiyle, t2 annda D kesime girer ve bu kademe biter.

11



ii iB

iLr

iLF iCr+

vCr-

(a)

iB

IBSt

ILrmaxiLr

Iot

ICrmaxiCrt

-IovCr vD vo2Vi=VCrmax

Vi Vot

t0 t1

t2 t3

t4

t5=t0

(b)ekil 5. ZCS rezonansl DC-DC dntrcnn (a) devre emas ve (b) bu devrenin kararl durumda almas ile ilgili temel dalga ekilleri.

12



Kademe 2 [t1< t < t3] : t1 annda sabit Io akm altnda Lr ve Cr arasna bir rezonans balar. Cr kondansatr sins fonksiyonu eklindeki iCr akmyla dolar. VCr gerilimi kosins fonksiyonu eklinde ykselir. t2 annda iCrnin sfr olmas ve VCrnin 2Vi deerine erimesiyle, ters salnm balar. Ters yndeki iCr akmnn Io deerine erimesiyle, t3 annda iLr akm sfr olur ve bu kademe sona erer. Tam bu anda g anahtarnn kontrol sinyali kesilmelidir. Kademe 3 [t3 < t < t4] : t3 anndan itibaren Cr kondanstr Io akm ile boalr. Lineer olarak azalan VCr geriliminin sfr olmasyla, t4 annda D iletime girer ve bu kademe biter. Kademe 4 [t4 < t < t5 = t0] : t4 anndan itibaren Io akmn D diyodu geirir. stenen bir sre beklendikten sonra, t5 = t0 annda yeniden g anahtarna kontrol sinyali uygulandnda, bu kademe ve bu alma peryodu tamamlanr ve yeni bir peryot balar.

Bu rezonansl dntrcnn en nemli avantaj, devredeki g anahtarnn iletim ve kesime girme ilemlerinin sfr akmda anahtarlama (ZCS) altnda gereklemesidir. Bu zellik dorudan dntrcnn ismine yansmtr. Kontrol sinyalinin elde edilebilmesi iin akm ve gerilim dedektrlerinin kullanlmas gerektiinden, kontroln zor olduu sylenebilir. Bu dntrcde k gerilimi 0 ile Vi aralnda kontrol edilebilir. Ancak, bu kontrol diyodun iletim aral deitirilerek salanabildiinden, alma frekans geni bir aralkla deimektedir. alma frekans veya k gerilimi, ayrca Io yk akmna ok baldr. Bu dntrcde t0 t1, t2 t3 ve t3 t4 aralklarnn sreleri dorudan Io akmna baldr. Ayrca, bu dntrcde akm ve gerilim deiimleri ok dalgaldr. G anahtar ile g diyodu ar akm veya ar gerilim stresine maruz kalmaktadr. Bylece, elemanlarn nominal deerleri ykselmekte ve devrenin g younluu dmektedir.

3.4. Temel Rezonans DevreleriRezonansl dntrclerde ok kullanlan birka temel rezonans devresi ve bu devreler ile ilgili temel bantlar Tablo 2de zetlenmitir.

13



Tablo 2. Temel rezonans devreleri ve bunlarla ilgili temel bantlar.

TEMEL REZONANS DEVRELER VE BUNLARLA LGL TEMEL BAINTILAR Devre TrSeri Rezonans Devresi

Temel Bantlari L = I L 0 cos t + Vi VC 0 sin t Z

iL+ + -

v L = (Vi VC 0 ) cos t ZI L 0 sin t v C = (Vi VC0 ) cos t + ZI L 0 sin t + Vi = 1 LCZ = L = 1 = C L C

vC

Paralel Rezonans Devresi 1

i L = (I L 0 I i ) cos t +

VC 0 sin t + I i Z VC 0 sin t Z

iL

iC

vC-

+

i C = (I L 0 I i ) cos t

v C = VC 0 cos t Z(I L 0 I i )sin t = 1 LCZ = L = 1 = C L C

i L = i C1 = (I L 0 Paralel Rezonans Devresi 2

CS V VC10 C I i ) cos t + C 20 sin t + S I i C2 C2 ZCS V VC10 C I i ) cos t C 20 sin t S I i + I i C2 Z C2

i C = i C 2 = ( I L 0

iL+ -

iC

vC2-

+

v C1 =

I CS CS I i sin t (VC 20 VC10 ) + i t + VC10 (VC 20 VC10 ) cos t Z I L 0 C1 C2 Cp

vC1

v C2 =

I CS CS I i sin t (VC 20 VC10 ) + i t + VC 20 (VC 20 VC10 ) cos t Z I L0 C2 C2 Cp

CS ==

C1C 2 C1 + C 21 LCS

Cp = C1 + C 2Z = L = 1 L = CS C S

14



4. ANAHTARLAMALI VE REZONANSLI DC DC DNTRCLERN KARILATIRILMASIAnahtarlamal ve rezonansl DC DC dntrclerin ayrntl bir karlatrmas Tablo 3te verilmitir. Bu tablodan aka grld gibi anahtarlamal dntrcler sert anahtarlama dnda byk bir stnlk salamaktadr.Tablo 3. Anahtarlamal ve rezonansl DC DC dntrclerin karlatrlmas. ANAHTARLAMALI VE REZONANSLI DC DC DNTRCLERN KARILATIRILMASI Karlatrma Konusu Kontrol teknii Kontrol kolayl alma frekans Frekansn yke ball G elemanlarnn iletim ve kesime girme ilemleri G elemanlarnn akm ve gerilim stresleri G elemanlarnn nominal deerleri Akm ve gerilim deiimlerinde dalgalanma G younluu Cevap verme Anahtarlamal Rezonansl

PWM ok kolay Sabit Bal deil Sert Normal Normal Yok ok yksek ok hzl

Rezonans Zor Deiken Bal Yumuak Ar Yksek Fazla Dk Yava

5. SONUAnahtarlamal PWM DC DC dntrcler mkemmel bir performans sergilemektedir. Bu dntrclerin tek dezavantaj g elemanlarnn iletim ve kesime girme ilemlerinin sert anahtarlama eklinde olumasdr. Rezonansl DC DC dntrcler ok fazla dezavantaja sahiptir. Bu dntrclerin en nemli avantaj g elemanlarnn iletim ve kesime girme ilemlerinin sfr akm veya sfr gerilimde anahtarlama (ZCS veya ZVS) altnda gereklemesidir. En iyi zm, PWM ve rezonans tekniklerinin istenen zelliklerinin birletirilmesi olarak grlmektedir. Bu amala, rezonans tekniinin sadece g anahtarnn iletim ve kesime girme ilemleri esnasnda kullanld, ksmi rezonansl veya yumuak anahtarlamal PWM DC DC dntrcler gelitirilmitir. 15



YEN BR PASF REZONANSLI BASTIRMA HCRES DZAYNI1. GRBu almada, aktif bastrma hcrelerinin oundan daha byk bir toplam devre verimi ve daha geni bir yk alma aral salayan, yeni bir pasif rezonansl bastrma hcresi dizayn sunulmaktadr. Olduka basit yapl ve kolay kontroll olan bu bastrma hcresi, zellikle yksek g ve frekansl endstriyel uygulamalarda IGBT-PWM dntrcler iin uygundur. Sunulan bastrma hcreli bir dntrcde, aktif ve pasif btn yar iletken elemanlar yumuak anahtarlama ile alr. nerilen bastrma hcresi ile donatlan bir IGBT-PWM dk kl dntrcnn alma prensibi ve etrafl bir kararl durum analizi sunulmutur. Sunulan teorik analiz, giri gerilimi 500 V, darbe frekans 50 kHz ve gc 5 kW olan dk kl bir prototip ile dorulanmtr.

2. ALIMA PRENSB VE ANALZ 2.1. Tanm ve KabullerSunulan yeni pasif rezonansl bastrma hcresi ile donatlan IGBT-PWM dk kl dntrcnn devre emas ekil 1de grlmektedir. Sunulan bastrma hcresi, bir bastrma endktans (LS) ve bir bastrma kondansatr (CS) ile bir tampon kondansatr (CB) ve yardmc diyottan (DS1 , DS2 ve DS3) olumaktadr.

ekil 1. Sunulan yeni pasif rezonansl bastrma hcreli IGBT-PWM dk kl dntrcnn devre emas. ekil 1de verilen devrenin bir anahtarlama peryodundaki kararl durum analizini kolaylatrmak iin aadaki kabuller yaplmtr. a) Giri gerilimi Vi sabittir. b) k gerilimi VO sabittir veya k kondansatr CF ok byktr. c) k akm I0 sabittir veya ana endktans LF ok byktr. d) Ana endktans LF bastrma endktans LSden ok byktr. e) Rezonans devreleri idealdir veya kaypszdr. f) Yar iletken elemanlar idealdir. g) Sadece ana diyot DFnin ters toparlanma sresi dikkate alnr. 1



2.2. alma AralklarSunulan pasif bastrma hcreli IGBT-PWM DC-DC dntrcnn bir anahtarlama peryodundaki kararl durum almasnda dokuz aralk oluur. Bu aralklarn edeer devre emalar ekil 2de ve bu aralklarla ilgili temel dalga ekilleri ekil 3te grlmektedir. Aada btn alma aralklarnn srasyla detayl birer analizi sunulmutur. Aralk 1 [ ekil 2 (a); t0

soft switching

Documents