DC DC Converter:
Buck-Boost Converter |
3. Bölüm

DC DC çeviricileri anlattığımız teknik içerik dizimizde önceki bölümlerinde alçaltıcı ve yükseltici çeviricileri incelemiştir. Bu yazımızda buck/boost converter olarak bilinen alçaltıcı/yükseltici çeviricileri inceledik.

A- A+

29.11.2016 tarihli yazı 46564 kez okunmuştur.

DC DC çeviriciler arasında iki yönlü kullanılabilen bir çevirici olarak buck/boost çeviricilerin temel mantığı, diğer çeviricilerde de olduğu gibi, anahtarlamalı güç kaynaklarına dayanmaktadır. Devre üzerinde bir adet tam kontrollü anahtarlama elemanı bulunur ve bu elemanın görev döngüsü (duty cycle) değerine göre devrenin çıkışındaki gerilimin değeri kontrol edilir. Buck/boost çeviricilerin temel yapısı aşağıdaki şekilde verilmiştir.

►İlginizi Çekebilir: DC DC Converter: Buck Converter

Devre girişte bir adet gerilim kaynağı, bir anahtarlama elemanı, bobin, diyot, kondansatör ve buna paralel bir yükten oluşmaktadır. Buck/boost çeviriciler ters çeviren bir DC-DC dönüştürücüdür yani giriş geriliminin alternansını ters polariteye çevirir. Yukarıdaki şekilde de görüldüğü gibi girişte pozitif uç üst tarafta iken çıkışta alt tarafa geçerek gerilimin polaritesi değişmiştir. Devredeki anahtarlama elemanı basit bir sürücü devresi yardımı ile anahtarlanabilir özelliktedir. Devrenin kontrol diyagramı alçaltıcı çevirici ve yükseltici çevirici ile aynıdır. Çıkıştan elde edilen gerilim değeri ile elde edilmek istenen gerilim değeri arasındaki fark bir fark kuvvetlendirici ile bulunarak bu fark üçgen ya da testere dişi dalga ile karşılaştırılır ve üçgen işaretin fark işaretine göre büyük ya da küçük olmasın durumunda anahtarlama elemanın iletim/kesim durumu kontrol edilir. Bu kontrol diyagramının şemasını Boost Converter 2. Bölüm içeriğinde görebilirsiniz.

Buck/boost çevirici devreleri diğer anahtarlamalı çeviriciler gibi anahtarlama elemanın iletim/kesim durumuna göre iki aşamada incelenmektedirler.

1. Durum (Anahtarlama Elemanı İletimde)

Bu durumlardan ilk olarak anahtarın iletimde olduğu durumu inceleyeceğiz. Anahtarın iletimde olduğu durumda devre iki kısma ayrılmaktadır. Bunlardan birincisi giriş gerilimini sağlayan kaynağın ve bobinin oluşturduğu devre, ikincisi ise yük ve kondansatörden oluşan devredir. Bu iki devrede aşağıdaki şekilde detaylı bir şekilde görülebilmektedir.

►İlginizi Çekebilir: DC DC Converter: Boost Converter

Bu durumda (anahtar iletimde) devredeki bobin kaynak üzerinden gelen enerji ile enerjilenmektedir. Sağ tarafta bulunan çevrede ise kondansatör üzerindeki enerji yük üzerine aktarılmaktadır. Bu durumda devredeki D diyotu kesimdedir. Doğru akım devrelerinde bobinin ortalama gerilimi ve kondansatörün ortalama akımı sıfır olduğu için devrenin diğer (anahtar kesimde olduğu) durumda bobinin gerilimi ters indüklenecek ve kondansatörün akımı ters yönde akacaktır.

2. Durum (Anahtarlama Elemanı Kesimde)

Devrenin ikinci (anahtar kesimde) durumunda ise bir önceki durumda giriş kaynağı üzerinden enerjilenen bobin enerjisini C ve yük üzerinde boşaltır. Bir önceki durumda (Anahtar iletimde) enerjisini yük üzerine aktaran kondansatör, ikinci durumda bobinden gelen enerji ile tekrar enerjilenir. İkinci durumun yani anahtarlama elemanının kesimde olduğu duruma ait devre şeması aşağıdaki şekilde verilmiştir. Bu durumda giriş kaynağının devre ile bağlantısı tamamen kesileceğinden devre bobin üzerinden beslenir. Aşağıdaki devrede bobinin enerjisi bitene kadar D diyotu üzerinden akım akar ve bu akımla kondansatör ile yük beslenir.

Alçaltıcı yükseltici çeviricilerde bulunan bobin, kondansatör, diyot ve anahtarlama elemanının kendilerine ait küçük değerlerde iç dirençleri bulunmaktadır fakat bu iç dirençlerin etkileri çoğu uygulamada ihmal edilir. Buck/boost çeviricisine ait akım, gerilim grafik eğrileri ise aşağıdaki şekilde verilmiştir.

Yukarıdaki eğrilerde en üstteki eğri kaynaktan çekilen akımı göstermektedir. Görüldüğü gibi kaynaktan anahtar iletimde olduğu sürece akım çekilir ve bu akımla L bobini beslenir. Bir alttaki eğride ise (Id) diyot akımının eğrisi gösterilmiştir. Diyotta ise akım sadece anahtarın kesimde olduğu durumda akmaktadır. Bu iki eğrinin altında ise diyot akımı ve kaynak akımının toplamından oluşan bobin akımının eğrisi verilmiştir. En alt eğride ise bobinin gerilim grafiği verilmiştir. Bu eğride bobinin ortalama geriliminin sıfır olması gerektiğinden dolayı pozitif ve negatif alternansta kalan alanların birbirine eşit olması gerekmektedir. Bobinin bu özelliğinden dolayı gösterilen eğride aşağıdaki alan eşitliği denkleminin sağlanması gerekmektedir.

Buradaki T bir periyodun değeri, D ise bir periyottaki doluluk oranıdır (Ton/T). Alçaltıcı yükseltici çeviricilerde çıkış geriliminin değeri ise anahtarlama elemanın görev döngüsü değerine (D) ve girişteki kaynağın geriliminin değerine bağlıdır. Son olarak devrenin çıkışındaki yük üzerinde oluşan gerilimin değeri kaynak gerilimi Vs, yük gerilimi Vyük ve doluluk oranı D olmak üzere aşağıdaki gibidir.