Boost Converter
Boost Converter
Boost Converter Nedir?
Bir DC gerilimi farklı bir DC gerilime dönüştüren DC-DC dönüştürücü denilir. Boost dönüştürücü, çıkış voltajının giriş voltajından büyük olduğu DC-DC anahtarlamalı dönüştürücülerdir. Ayrıca step up converter ( adım dönüştürücü) olarak da adlandırılırlar.
Giriş geriliminden daha büyük bir çıkış gerilimine sahiptirler. Devredeki giriş gücü ile çıkış gücü eşit olacağından çıkış akımı giriş akımından küçüktür.
Nerelerde Kullanılır?
Akü sistemleri genellikle daha yüksek voltaj elde edilmesi için seri halde bağlanırlar. Bununla birlikte birçok yüksek voltaj uygulamasında, alan yetersizliği nedeniyle yeterli hücreleri birbirine bağlamak mümkün değildir. Bu şekildeki sistemlerde Boost dönüştürücüler voltajı arttırıp hücre sayısını düşürürler. Hibrit elektrikli araç ve aydınlatma sistemlerinde kullanılabilirler.
Çalışma Mantığı
Boost dönüştürücülerdeki temel mantık, anahtarlamay aparak bir indüktörün, manyetik alanı yok ederek mevcut değişliklere karşı koymasıdır.
Anahtar kapatıldığında, akım indüktörden saat yönünde akar ve indüktör manyetik bir alan oluşturarak bir miktar enerji depolar. İndüktörün sol tarafının kutupsallığı pozitiftir.
Anahtar açıldığında, empedans daha yüksek olduğundan, akım azalır. Yüke karşı akımı korumak için önceden yaratılmış olan manyetik alan yok edilecektir. Böylece polarite tersine dönecektir (yani indüktörün sol tarafı negatif olur). Sonuç olarak, iki kaynak seri halinde olacak ve kapasitörün D diyotu üzerinden şarj edilmesi için daha yüksek voltaj olacaktır.
Anahtarlama işlemi hızlı bir şekilde yapılırsa, indüktör şarj aşamaları arasında tamamen boşalmaz ve yük her zaman anahtar açıldığında, giriş kaynağından daha büyük bir voltaj görür. Ayrıca anahtar açıldığında, yüke paralel olarak kapasitör bu voltaja yüklenir. Anahtar kapatıldığında sağ taraf ve sol taraftan kısa devre yapıldığında, kondansatör yüke voltaj enerji sağlayabilir. Bu süre zarfında, blokaj diyotu, kapasitörün anahtardan boşalmasını önler. Anahtar,kapasitörün çok fazla boşalmasını önlemek için yeterince hızlı açılmalıdır.
İki farklı durum oluşmaktadır.
Anahtar Açık
Anahtar Kapalı
Açık durumda, S anahtarı (lk resim) kapatılarak indüktör akımında bir artış meydana gelir.
Kapalı durumda, anahtar açıktır ve indüktör akımına sunulan tek yol, D diyodu , kapasitör C ve yük R’den geçer. Bu, Açık durumdayken biriken enerjinin kapasitöre aktarılmasıyla sonuçlanır.
Hesaplamalar
Sürekli Mod
Boost dönüştürücüsü sürekli modda çalışırken, indüktörden geçen akım IL asla sıfıra düşmez. Aşağıdaki grafik, bu modda çalışan bir dönüştürücüdeki akım ve voltajların tipik dalga formlarını gösterir. Çıkış voltajı, sabit koşullarda çalışan ideal bir dönüştürücü durumunda (yani ideal davranışa sahip bileşenleri kullanarak) aşağıdaki gibi hesaplanabilir:
Açık durumdayken, S anahtarı kapalıdır, bu da giriş gerilimini Vi indüktörde gösterirlir ve bu da akımda bir değişikliğe neden olur IL aşağıdaki formülle (t) süre boyunca indüktörden akan:
İndikdör değeri L kapalı durum sonunda IL artışı:
D duty cycle’dir. Anahtarın açık olduğu periyodunun T kısmını gösterir. Bu nedenle, D (duty cycle), 0 ile (S hiçbir zaman açık değil) ile 1 (S her zaman açık) arasındadır.
Kapalı durumdayken, anahtar S açıktır, böylece indüktör akımı yük boyunca akar. Diyottaki sıfır voltaj düşüşümü ve voltajın sabit kalması için yeterince büyük bir kapasitör olduğunu düşünürsek, IL‘nin evrimi:
Açık periyot boyunca IL değişimi:
Dönüştürücünün kararlı durumda çalıştığını düşündüğümüzde, bileşenlerinin her birinde depolanan enerji miktarı, bir komütasyon döngüsünün başında ve sonunda aynı olmalıdır. Özellikle indüktörde depolanan enerji:
Bu nedenle indüktör akımı komütasyon çevriminin başında ve sonunda aynı olmalıdır. Bu, mevcut toplam değişimin sıfır olduğu anlamına gelir:
yerine yazılırsa
duty cycle
Kesikli Mod
Akımın dalga genliği çok yüksekse, indüktör bütün bir komütasyon döngüsünün bitiminden önce tamamen boşalabilir. Bu, genellikle hafif yüklerde meydana gelir. Bu durumda, indüktörden geçen akım periyodun bir bölümünde sıfıra düşer (Grafiğe bakınız). Fark az olsa da, çıkış gerilimi denklemi üzerinde güçlü bir etkisi vardır. Gerilim kazancı aşağıdaki gibi hesaplanabilir:
Döngünün başlangıcındaki indüktör akımı sıfır olduğundan maksimum değeri:
Açık periyodun devamında IL sıfıra düşer
önceki denklemin kullanılması ile:
Yük akımı Io, ortalama diyot akımına (ID) eşittir. Grafik’te görülebileceği gibi, diyot akımı, kapalı durumdaki indüktör akımına eşittir. Bu nedenle çıkış akımı şöyle yazılabilir:
Bulunanlar yerlerine yazılırsa:
Çıkış voltajı kazancı:
Sürekli mod için çıkış gerilimi kazancı ifadesi göre , bu ifade çok daha karmaşıktır. Ayrıca, kesikli modda, çıkış voltajı kazancı yalnızca duty cycle (D) değil, aynı zamanda indüktör değerine (L), giriş voltajına (Vi), komütasyon süresine (T) ve çıkış akımına (Io) bağlıdır.
Io = Vo / R’nin denklem içine yerleştirilmesi ile (R yükdür), çıkış voltajı kazancı şu şekilde yeniden yazılabilir:
Buradan ana resimde verilen Boost Converter uygulamasına ulaşabilirsiniz.
