DC DC Converter:
Boost Converter |
2. Bölüm

DC-DC çeviriciler arasında en çok bilinen ve en basit yapılı çeviricilerden biri de Boost Converter'lerdir. Bu içeriğimizde DC-DC çeviriciler içerisinde yer alan ve yükseltici çeviriciler olarak da bilinen Boost Converter'lerin çalışma prensibini ve kontrol diyagramının detaylı bir şekilde inceledik.

A- A+

22.11.2016 tarihli yazı 65615 kez okunmuştur.

Anahtarlamalı güç kaynakları, DC-DC dönüştürücüler dahil olmak üzere birçok amaç için kullanılan sistemlerdir. Günümüz enerji sistemlerinde çoğu zaman DC gerilim üreten güç kaynakları mevcut olmasına rağmen bu kaynakların sağladığı gerilim değerleri bazı yapılarda yeterli olamamaktadır. Yüksek değerlerde gerilimlerin gerekli olduğu DC devrelerde batarya paketleri oluşturularak istenen gerilim değeri sağlanabilir fakat bu teorik olarak yeterli parametreleri sağlayan bir çözüm olsa bile oluşturulacak yapı malzeme, kullanım alanı ve ağırlık gibi birçok bakımdan dezavantaj sağlamaktadır. Bu noktada istenen gerilim değerlerini elde edebilmek amacıyla DC-DC dönüştürücüler tasarlanmıştır. Boost Converter, DC dönüştürücüler arasında önemli bir yere sahip olan yapılardan biridir. Devrenin tasarımı girişe uygulanan gerilim değerini yükselterek çıkış gerilimi elde etmek üzerine gerçekleştirilmiştir. Temel bir boost converter devresinin şeması aşağıdaki şekilde verilmiştir.

►İlginizi Çekebilir: DC-DC Converter | Buck Converter

Girişe uygulanan bir DC gerilim, bobin, diyot, kondansatör ve anahtarlama elemanı olarak kullanılabilecek herhangi bir devre elemanından (Mosfet, BJT vb.) oluşan devre iki modda çalışmaktadır. Bu modlardan birincisi anahtarlama elemanın iletimde olduğu durum ikincisi ise anahtarlama elemanın kesimde olduğu durumdur. Devrenin kontrol diyagramını gözden geçirdikten sonra bu modları daha detaylı olarak inceleyeceğiz.

►İlginizi Çekebilir: DC-DC Dönüştürücüler | Anahtarlama Elemanları

Devrenin kontrolü yukarıda verilen şemadaki mantık ile sağlanmaktadır. Devrenin çıkışından elde edilen değer ve çıkışta istenen gerilim değerinin arasında fark elde edilir. Elde edilen bu fark üçgen dalga üretecinde elde edilen dalga ile karşılaştırılır. Karşılaştırma sonucu kutu içinde verildiği üzere üçgen dalga işareti istenen değerle gerçek değer arasındaki farktan (V_kontrol/HATA) büyükse devredeki anahtarlama elemanın tetiklenir. Eğer üçgen dalga işaretinin o anki değeri V_kontroldeğerinden küçükse devredeki anahtarlama elemanın giriş ucu sıfırlanarak tetiği kesilir. Bu şekilde oluşturulan bir kontrol diyagramı ile boost converter devreleri kontrol edilerek devrenin çıkışındaki yük üzerinde istenilen gerilim değeri elde edilebilir.

Boost Converter devreleri yukarıda bahsettiğimiz üzere anahtarlama elemanın iletim ve kesimde olduğu duruma göre iki moddan oluşmaktadır. Devrenin birinci modu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Bu modda devredeki anahtarlama elemanı on durumundadır. Devrede enerji, kaynaktan gelip bobin ve anahtarlama elemanı üzerinden akar. Bu durumda devredeki bobin enerjilenir. Birinci moddaki devre, sürekli halde iki ayrı şekilde incelenmelidir. İlk olarak bobinin enerjilendiği devreye, ikinci olarak ise kondansatör ve yükten oluşan kısma bakılabilir. Bu iki kısım aşağıdaki şekilde kalın yollarla gösterilmiştir. Devrede anahtar iletimde olduğu zaman dilimi içerisinde L1 bobini enerjilenirken aynı zamanda, ikinci modda anlatacağımız, enerjilenmiş kondasatör yük üzerinden boşalır. Birinci modda yükü sadece kondansatör beslerken ikinci modda ise yükü bobin üzerinden gelen enerji de beslemektedir.

Devrenin ikinci modu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Bu modda anahtarlama elemanın iletimde olmadığı durum söz konusudur. Bu durumda anahtarlama elemanı kesimde olduğu için bir önceki modda bobin üzerinde depolanan enerji D1 diyotu üzerinden C1 kondansatörü ve yük üzerine aktarılır. Önceki modda C1 kondansatörü boşaldığı için bu modda kondansatörün bobin üzerinden yeniden enerjilenmesi sağlanır.

Boost converter devrelerinde bobinin yapısı gereği üzerindeki akım tek yönlü olabileceğinden dolayı iki mod arasında bobinin uçları arasındaki gerilim iki farklı polaritede indüklenir. Kondansatörün gerilimi ise bu devrede kondansatörün yapısı gereği ters indüklenemeyeceğinden kondansatör üzerinden akım iki modda iki farklı yönde akar. Böylelikle devrede sürekli halde bobinin ortalama gerilimi ve kondansatörün ortalama akımı sıfır olmuş olur.

Devrenin girişindeki DC kaynağın gerilimi E devredeki anahtarlama elemanın tetikte olduğu sürenin bir periyoda oranına D diyecek olursak, D=Ton/T oranını alır. Devrenin çıkışından elde edilen gerilim değeri anahtarlama oranı olan D değeri ile doğrudan ilişkilidir. Devrenin çıkışında bulunan yük üzerindeki gerilim değerinin formülü aşağıdaki gibidir.

Vyük formülünde görüldüğü gibi devrenin çıkışında bulunan yük üzerindeki gerilim değeri, D, tetikleme oranı artırılarak yükseltilebilir.