U.Arifoğlu Güç Elektroniği Devreleri Laboratuvarı Sürekli Akım Modunda Çalışan Buck Çevirici Tasarımı SORU: Aşağıdaki koşullar altında sürekli akım modunda çalışacak BUCK (düşürücü) DA-DA çevirici tasarımı yapınız. Çevirici verimini η=% 85 alınız. Vgiriş V Vçıkış V Içıkışmin A Içıkış max A Anahtarlama frekansı ( fs kHz ) Vçıkış Vçıkış % Devrede anahtarlama elemanı olarak International Rectifier IRF150 power MOSFET kullanılacaktır. (VDSS = 100 V, ISM = 40 A, rDS = 55m, Co = 100 pF ve Qg = 63 nC.) Devrede diyot olarak ise MBR1060 Schottky barrier diode seçilmiştir. (IDM = 20 A, VDM = 60 V, VF = 0.4V ve RF = 25m.) ÇÖZÜM Vgirişmin V ; Vgirişmax V ; Vgirişnom V Pçıkışmax Vçıkış * Içıkışmax * W Pçıkışmin Vçıkış * Içıkışmin * W R yük min R yük max Vçıkış Içıkış max Vçıkış Içıkış min .ohm ohm U.Arifoğlu Güç Elektroniği Devreleri Laboratuvarı Devreye ilişkin Doğru gerilim transfer fonksiyonu: TV DC min TV DCnom TV DC max Vçıkış Vgiriş max Vçıkış Vgiriş nom Vçıkış Vgiriş min . . . Anahtarlama oranı (D) için değerler: T . Dmin VDC min . . T . Dnom VDCnom . . T . Dmax VDC max . . Anahtarlama frekansı ( fs kHz ) için, devreyi sürekli akım modunda çalıştıracak minimum endüktans değeri; Lmin R L max ( Dmin ) * ( .) . H fs * Bu değere en yakın (piyasada bulunan) endüktans değeri (ve bu endüktansın iç direnç değeri) L=40μH ; LR=0.05 ohm seçilecektir. Bobin üzerinden akan akımın maksimum dalgalılık (ripple) değeri: i L max Vçıkış * ( Dmin ) fs * L * ( .) * * . A Çıkış uçları (yük) arasındaki gerilime ilişkin dalgalılık (ripple) değeri (%1 idi): Vr Vçıkış mV rC ; kapasitenin iç direnç değeri (ESR direnci) olmak üzere, yüke paralel olarak bağlanacak filtre kapasitesinin yeteri kadar büyük ise; Vr rC max * iL max yazılabilir ve bu durumda kapasitenin ESR direnç değeri; U.Arifoğlu rC max Güç Elektroniği Devreleri Laboratuvarı Vr iL max * . m . olacaktır. rC m seçelim. ESR üzerinde düşen ripple gerilimi için filtre kapasitesinin minimum değeri; D Dmin Dmax . Cmin max max , . F * fs * rC * fs * rC fsrC * * * C değeri olarak bulunan bu değerden yüksek olacak şekilde, C=100 μF değerinde ve ESR direnci 50 mΩ olan 50 V luk bir DA gerilime dayanan bir kapasite seçelim. Alçak geçiren filtrenin köşe frekansı; fo . kHz LC * * * olacaktır. Bu durumda tasarlanan devre için frekans oranı; fs / fo / . . olacaktır. MOSFET ( VSMmax ) ve GÜÇ DİYODU ( VDMmax ) nun maksimum stres altında dayanması gereken maksimum gerilim tepe değeri; VSMmax VDMmax Vgiriş V ve MOSFET ( ISMmax ) ve GÜÇ DİYODU ( IDMmax ) nun maksimum stres altında dayanması gereken maksimum akım tepe değeri; ISM max IDM max Içıkış max i L _ max . .A olacaktır. Bundan sonra, artık, "güç kaybı" ve "devrenin verimi" hesaplanabilir: Her iki hesaplama için; yük direncinin minimum ( R yükmin .ohm ) değeri ve giriş gerilim değerinin ise maksimum ( Vgirişmax V ) değeri ve anahtarlama oranı (D) olarak ise Dmin=0.441 alınacaktır. U.Arifoğlu Güç Elektroniği Devreleri Laboratuvarı MOSFET iletim kaybı hesabı: PrDS Dmin * rDS * Içıkış max .* . * . W MOSFET anahtarlama kaybı: Psw fo * Co * Vgiriş max * * * . W Buna göre MOSFET için toplam aktif güç kaybı: P PMOSFET PrDS sw . . . W NOT: 1) Gerçekte, MOSFET de maksimum iletim kaybı; R yükmin .ohm değeri Vgirişmax V değeri ve anahtarlama oranı (D) olarak ise Dmax=0.588 için meydana gelir. 2) MOSFET de maksimum iletim kaybı; R yükmin .ohm değeri Vgirişmin V değeri ve anahtarlama oranı (D) olarak ise Dmax=0.588 için; PrDS Dmax * rDS * Içıkış max . * . * . W olacaktır. DİYOD için iletim gerilim düşümü (VF) için kayıp hesabı: PVF ( Dmin ) * VF * Içıkışmax ( .) * . * . W DİYOD un RF iç direnç değeri için kayıp hesabı: PrF ( Dmin ) * R F * Içıkış max ( .) * . * . W Buna göre DİYOD için toplam aktif güç kaybı: PD PVF PRF . . . W Devredeki bobinin (ESR) iç direnci (rL=50 mΩ) üzerindeki kayıp hesabı: PrL rL * Içıkış max . * W Devredeki kapasite (ESR) iç direnci (rC=50 mΩ) üzerindeki kayıp hesabı: r * (i L max ) . *. PrC C . W U.Arifoğlu Güç Elektroniği Devreleri Laboratuvarı Sonuç olarak devredeki toplam aktif güç kaybı: PTOPLAM PrDS Psw PD PrL PrC . . . . . W olacaktır. TÜM BU HESAPLAMALAR SONUNDA BUCK ÇEVİRİCİNİN GERÇEK VERİMİ: Pçıkış Pçıkış PTOPLAM %. . olacaktır. Eğer MOSFET tetikleme devresinin gücü hesaplanmak istenir ise; Pmosfet _ kapı fs * Qkapı * VGStepe tepe * * * . mW olacaktır.