Buck Converter |
Otomotivde Verimli Güç Dönüşümü Üzerindeki Rolü

Benzinliden dizele, hibritlerden elektrikli araçlara kadar her tasarımda yer olan buck converter, otomotiv güç sistemi tasarımını basitleştirmektedir. Bu yazımızda, otomotiv alanında güç kaynağı tasarımında kullanılan buck converter’ları ve onu seçerken göz önünde bulundurulması gereken bazı gereksinimler üzerinde duracağız.

A- A+

24.02.2021 tarihli yazı 10029 kez okunmuştur.

Buck Converter Nedir?

Buck converter, yüksek gerilimi verimli ve etkili bir şekilde düşük gerilime dönüştüren bir DC-DC dönüştürücüdür. Half bridge circuit ile aynı ailenden de diyebiliriz. Verimli güç dönüşümünü sağlayan buck converter pil ömrünü uzatır, ısıyı azaltır ve daha küçük aletlerin iş yapabilmesine izin verir. Örneğin; daha küçük kapasitör ve indüktör kullanılmasına olanak sağlayarak alandan tasarruf edilmesini sağlar.

► İlginizi çekebilir: DC DC Converter | Buck Converter 1

Teknik olarak incelendiğinde buck converter; batarya gibi bir DC kaynağından doğrudan giriş alabilen bir DC-DC dönüştürücü biçimidir. Buck converter'ın giriş ve çıkışı arasındaki anahtarlama görevi yapan transistor (MOSFET) sürekli olarak yüksek frekansta açılır ve kapanır.

► İlginizi çekebilir: DC DC Converter | Buck- Boost Converter

Otomobillerde Güç Kaynağı Zorlukları

Otomobillerde güç sistemi tasarımı, araca entegre edilmiş elektronik bileşenlerin giderek artan sayısı nedeniyle daha da karmaşık hale geliyor.

► İlginizi çekebilir: SMPS (Anahtarlamalı Güç Kaynağı) Nedir?

Günümüzde çoğu araç GPS sistemleri, eller-serbest arama, araç içi bilgi-eğlence sistemi, gelişmiş sürücü destek sistemleri (ADAS) ve daha fazlası dahil olmak üzere sürüşü ve kullanıcı deneyimini iyileştirmek için çok çeşitli özellikler sunuyor. Bu özellikler son kullanıcılar için yararlı olsa da daha yüksek güç gereksinimleri, daha fazla gürültü ve daha yüksek çalışma sıcaklıkları gibi teknik zorluklar yaşanabiliyor. Bunun sonucu olarak da otomobiller giderek daha çok "tekerlekli bilgisayarlar" haline gelirken, güç dönüşümü konusu giderek daha önemli bir hal alıyor.

Güç Verimsizlikleri ve Gürültü

Tipik güç kaynağı tasarımı, bir araçtaki güç kaynağını sabit tutmayı amaçlamaktadır. Ancak bu, gürültü sorunlarına neden olabilir. "Her zaman açık" tasarımı (always on), güç kaynaklarının doğrusal olmayan özellikleri nedeniyle daha fazla elektromanyetik girişim (EMI) üretir. Dahası, daha küçük geometrilere entegre edilmiş daha fazla elektronik, kapasitif veya endüktif kuplaj yoluyla güç verimliliğini düşürebilen parazitlenme (crosstalk) ile sonuçlanır.

Bekleme/durağan akımı (quiescent) da kritik bir husustur. Bir güç dönüştürücüsünü hafif yük modunda (LLM) işlevsel tutmak için gereken minimum akımı ifade eder. Daha düşük hareketsiz (quiescent) akım seviyeleri, güç kaybını en aza indirerek ve pil ömrünü uzatarak güç verimliliğini artırır.

Otomotivde Buck Converter’ın Rolü

Buck converter’lar, yüksek bir giriş voltajını daha düşük bir çıkış voltajına düşürmek için güç kaynaklarında DC/DC dönüşümünü sağlar. Giriş enerjisini, bir indüktör veya transformatörün manyetik alanında geçici olarak depolayarak ve onu değişken gerilim seviyelerinde farklı yüklere besleyerek çalışırlar.

► İlginizi çekebilir: Araç Kabin İçi Güvenliğinde ToF Sensörleri

Modern araçların farklı bölümlerinde birden çok gerilim seviyesi gereklidir. Örneğin, elektrikli ve hibrit araçlar 48VDC güç kaynaklarını kullanır (geleneksel otomobillerde ve kamyonlarda kullanılan 12V DC‘den dört kat daha büyük). Bununla birlikte, gösterge panosu bölümündeki bir USB bağlantı noktası 5V DC gerektirir.

Benzer şekilde; aküler veya süper kapasitörler ve alternatör tarafından sağlanan gerilim, motor kontrol ünitelerinde (ECU) yetersiz olabilir ve yeterli bir seviyeye yükseltilmelidir. Araçlarda kullanılan gerilim seviyeleri geniş bir aralıkta değiştiğinden, buck converterlar istenen besleme gerilimlerini elde etmek için çapraz çözümler olarak kullanılır.

Buck Converter Seçimi Nasıl Yapılmalı?

Birçok tasarımcı için, doğru dönüştürücüyü seçmek aşağıdaki kriterlere bağlıdır:

► Daha yüksek anahtarlama frekansları: Buck converter’ ler yüksek anahtarlama frekansları sağlar ve güç kaynaklarında daha küçük kapasitörlerin ve indüktörlerin kullanılmasına olanak sağlar.
► Düşük giriş gerilimi: Geniş bir giriş gerilim aralığı ve düşük gerilimli çalışma, kritik yüklerin her zaman işlevsel kalması gereken yerlerde çok önemlidir. Buna bir örnek olarak, gerilimin 3.5V'a kadar düşebileceği soğuk marş sırasında kritik sistemleri çevrimiçi tutabilmektir.
► Düşük bekleme (quiescent) akımı: Artan güç gereksinimlerine rağmen, günümüz otomobillerinde pil ömrünün uzatılması arzu edilir. İdeal olarak, buck converter’ler çok düşük bir durgun (quiescent) akıma sahip olmalıdır. Bu da daha az güç çekerek pil ömrünü korumaya yardımcı olur. Otomotiv uygulamaları için önerilen maksimum bekleme akımı 100μA'dır.
► Geniş çalışma sıcaklığı aralığı: Daha önce tartışıldığı gibi, otomotiv güç kaynakları, kaputun altındaki yüksek sıcaklıklara dayanabilmelidir.