Elektronik / Elektronik Kaynakları/

Buck/Boost Converter

Sponsorlu Bağlantılar

Uzun süredir bitirme tezi çalışmaları, ehliyet sınavı koşuşturmacası derken siteyle doğru düzgün ilgilenemediğimi, hatta internette takip ettiğim bir çok elektronik sitesini bile gezemediğimi fark ettim. Bugün kendime yarattığım bu küçük boşlukta hem kendi bilgilerimi tazelemek hem de güç elektroniği konusunu merak edenler için bir kaç örnek uygulama yapmak istedim.

Öncelikle, güç elektroniğine girmeden önce, herkesin kabul edeceği üzere altyapınızın sağlam olması gereken altı konu vardır. Bunlar mikroelektronik, kontrol, genel devre ve normal düzeyde matematik bilgisi, kaynak araştırma yetisi ve doğru simülasyon programını kullanma şeklinde sıralanabilir. Bu sıralamada ben de normal bir öğrenci kadar alt yapım olduğunu söylemek isterim. Sonuç olarak ben bu işin uzmanı değil, uzmanı olma aday adayıyım. Yapmamız gerekenleri ise şöyle sıralayabiliriz:

– PSIM Programını kurmak,
– Kalem kağıdı elimize almak,
– Varsa devre analizi kitabımızı çıkarmak.

PSIM programı bir çok kişiye tanıdık gelmeyebilir. Açılımı Power Simulation olan program, güç elektroniği simülasyonları için özelleştirilmiş ve içerisinde güneş paneli modelinden, bir çok kontrol elemanına hatta ADC gibi çeşitli mikrodenetleyici kısımlarını içermektedir. Programın bir diğer güzel özelliği ise oluşturduğunuz şemayı MATLAB Simulink ortamına direk aktarılabilir olmasıdır. PSIM programını indirmek için buraya basabilirsiniz.

1) Buck Converter

Buck-Converter

Yukarıda şekli görülebilecek ve genel olarak düşürücü yani step-down olarak kullanılan buck çeviricilerin verimleri teorik olarak %95’lere kadar çıkabilmektedir. Tüm SMPS’lerde olduğu gibi bobin üzerine güç depolama ve bu depolanan gücü çeşitli şekillerde aktarma ile kullanılan buck regülatör için önemli olan formüller (continuous mode için) aşağıdaki gibidir.

Buck-Formula

Örnek olarak Vi=12V, Vo=5V @2A seçelim ve anahtarlama frekansımız 50kHz olsun. İstediğimiz ripple değerleri akım ve gerilim için de 0.01 olsun. Bu değerleri sağlayan D, C ve L değerlerini hesaplarsak;

D=Vo/Vi=5/12=0.4166 olur ve buradan D=0.42,
L=12*D*(1-D)/f∆I buradan L=5.83mH ve
C=12*D*(1-D)/8LCf2 buradan C=2.5uF alınabilir.

Teorik olarak denememizi yaparsak, aşağıda görüleceği üzere devremizin oldukça sağlıklı çalıştığı görülebilir.

Buck-Teorik-devre

Elbette kullandığımız kaynaklar sonsuz çıkış gücüne sahip olmadığından, çıkışa bağlanacak değişik yüklere karşın bizler sabit akım veya sabit bir gerilim değeri elde etmek isteriz. Bunun için D yani doluluk oranını aldığımız geri besleme bilgisine göre sürekli değiştirmemiz gerekmektedir.

Ben hem sabit akım hem de sabit gerilim için ilgili kontrol mekanizmalarını PSIM’de aşağıdaki şekilde kurdum. Ve simülasyonlarından da görüleceği üzere (şekle tıklarsanız büyür) istediğim değerlerin hiç değişmediğini gördüm.

Buck-Current-Voltage

Elbette burada siz PI kontrol yerine istediğiniz başka kontrol yöntemlerini kullanabilirsiniz. Ayrıca piyasada bu işlemi yapan bir çok entegre de bulabilirsiniz.

2) Boost Converter

Boost-converter

Yukarıda şekli görülebilecek, genel olarak gerilim yükseltmek yani step-up olarak kullanılan boost çeviriciler özellikle led sürücü devrelerinde oldukça fazla kullanılmaktadır. Boost converter için kullanılacak formüller (continuous mode için) ise aşağıda görülebilir.

Boost-Formula

Biz boost converter örneği olarak Vi=5V Vo=12V @2A, anahtarlama frekansımızı 50kHz, akım ve gerilim ripple’larını 0.01 seçelim. Bu değerleri sağlayan D, L ve C’yi hesaplarsak;

D=1-(5/12)=0.583 olur ve buradan D=0.58,
L=5*0.58/50k*0.01 buradan L=5.83mH ve
C=2*0.58/50k*0.01 buradan C=2.32mF olur.

Bu değerlere teorik olarak devremize uygularsak, aşağıdaki şekilde görüleceği üzere, devrenin oldukça sağlıklı çalıştığı görülebilmektedir.

Boost-Teorik-devre

Buck converter’da olduğu gibi boost convertor’da da geri besleme almak, akım ya da gerilimi kontrol etmek çok önemlidir. Boost eviricinin endüktans, diyot ya da çıkış gerilimi üzerinden geri besleme alarak kontrol etmek mümkündür. Ben PSIM’de bunu endüktans üzerindeki ortalama akımı kontrol ederek sağladım. Ufak bir hesaplama ile çıkış gücü giriş gücüne eşit dersek;

Po=12*2=24W ve Po=Pi dersek,
Pi=5*Iav’dan 24/5=Iav olur ve buradan Iav=4.8A çıkar.

Böylelikle endüktansın üzerindeki ortalama akım 4.8A olmasını sağlayan kontrol devresini tasarlarsak aşağıda göreceğiniz PSIM devresine ulaşırız.

Boost-converter-Current

Yine şekilde görüleceği üzere PI kontrolün yerine istediğiniz başka kontrol yöntemlerin ide kullanabilirsiniz. Buck eviricilerde olduğu gibi boost için de bir çok entegrenin piyasada bulunabileceğini de ayrıca hatırlatmak isterim.
Başlangıç için bilgilendirici olabilecek yukarıdaki denemelerin PSIM simülasyonları: Buck/Boost Converter

Dosya indirme LINK listesi (TXT formatında) link-21512.zip şifre-pass: 320volt.com

Herkese iyi çalışmalar dilemeden önce güç elektroniği konusunda çalışma yaparken güvenlik önlemlerine azami şekilde dikkat edilmesini öneririm.

  • M.Fatih İNANÇ

    Eline sağlık Fırat.
    Verdiğin bilgiler ve simülasyon sonuçları gerçekten çok faydalı.
    Ben de güzel istifade ettim doğrusu.

    Bitirme tezin bitene kadar senden Güç Elektroniğine dair bilgi paylaşımları bekliyoruz. :)

    Kolay Gelsin.
    Selametle…

  • FxDev

    Bir kaç gün içinde bitirme tezimin konuları içerisinde olan Flyback converterları da sitede anlatmayı düşünüyorum bakalım :)

    • Ebru Sadi

      Booost ve buck devresi yapmam gerekiyor dc-dc konvertör olarak da geçiyor kaynaklarda fakat devrenin şemasını bulamadık bord üzerinde nasıl kurabiliriz yardımcı olur musunuz lütfen mail adresim: ebrusadi55@gmail.com

  • M.Fatih İNANÇ

    Bekliyoruz bakalım :)
    İyi çalışmalar.

  • mahmut

    Selamlar Fırat nasılsın,

    Bu güzel yazın için teşekkürler.Formüller ile gayet güzel sonuçlar elde ediliyor.

    Senden ricam,bir örnek de buck-boost converter için yukarıdaki gibi devresi,anlatımı ve formüllerini verebilir misin?

    Çok mu şey istiyorum yoksa :)

    Kolay gelsin…

  • FxDev

    @Mahmut: Evet arada buck-boost converter ve cuk’e atlamıştım. Bu haftasonu buck-boost ile ilgili bir yazı yazmaya çalışacağım ;)

  • mahmut

    Sabırsızlıkla bekliyoruz :)

    İyi çalışmalar.

  • ümit

    Ya her şey güzel de bana devre elemanlarının değerleri lazım çok acil cevap verirseniz sevinirim. Cevap yazarsanız sevinirim

  • FxDev

    @Ümit: Bakmak ile görmek arasındaki fark burada olsa gerek. Bir mühendis, işten anlayan biri, bu kadar gereksiz bir soru sormazdı, hiç gücenmece yok. İşte bu blog’u açmamın nedeni bu; milleti “işte buna üç sarım atacaksın, şurada bu mosfeti kullanacaksın” saçmalığından kurtarmakken senin sorduğun soruya bir kez daha bakmanı öneririm.

  • kürşat

    Buckboost converter ile ilgili olan kısımı ne zaman göndereceksiniz
    İyi çalışmalar

  • FxDev

    @Kürşat: En kısa zamanda ama net bir tarih veremiyorum.

  • kürşat

    Peki buck boost converterde L ve C değerlerini nasıl hesaplıyoruz yetiştirmem gereken proje varda C değerinin formulunu bi türlü bulamıyorum.

  • FxDev

    @Kürşat: Proje senin olduğu için C’nin formülünü ben değil senin araştırman gerekiyor ezberden söyleyemem şu an.

  • selçuk

    buck converter için hesaplanan C değerinin formülünden aynı sonucu çıkaramadım acaba ordamı bi yanlışlık var bendemi?

  • selçuk

    bende sorun varmış sanırım. üstteki formüle bakınca anlaşılıyor. Fakat şimdi de simülasyonda isteğim değerleri elde edemıyorum nedeni ne olabilir? 310V-16V luk bir buck yapmaya çalışıyorum. Verilen formüllerle C=31.3uF , L=379mH çıkıyor fakat simülasyonunu yaptığım zaman 16 volta kadar çıkamıyorum.

  • mstt

    hocam verdiğin formullerde frekans değerini kendim belirleyip sonrasında c ve L değelerini bulup 50 voltu 12 volta indirmeye çalıştığımda problem çıkıyor sadece 5khz de veriyor değerleri gerisi çok saçma çıkıyor 100khz için hesaplamaları yaptığımda çıkan sonuçları psim de koyduğumda uçuk değerler çıkıyor yarıdmcı olursanız sevinirim

    • FxDev

      12V kaç amper olduğunu yazmamışsın. Ben 1A olacağını düşündüm. Aşağıdaki değerleri koyarsan sistemin çalışacaktır:

      f=100kHz
      Vin=50V
      Vout=12V
      Iout=1A
      L=200uH
      C=220uF
      Duty=%24

  • burak

    Merhaba benim bir devre için akım sınırlamam lazım devrede bir güç ledi kullanıyorum ve güç ledinin üzerine en fazla 700 mA düşmeli ben bir transistörüm base bacagına pwm darbesi uyguluyorum transistör açılıp kapanarak ledin parlaklığıyla oynuyorum fakat transistör beslemesi 20 volt.Ben bu 20 voltu 30 volta cıkardığım zaman bile benim akımım 20 voltta ne gördüysem o olmalı yani transistörün kolektör gerilimi değiştiğinde güç ledinin üstüne düşen akım değişmemeli bunu nasıl yapabilirim.

  • Fatih

    Boost converter daki PI denetleyicisi hakkında biraz bigli verebilirmisiniz ? Kontrol devresinde yapılmak isteyeni anlayamadim

  • yunus

    merhaba arkadaslar ben dc dc buck converter sürücü devresi yapıyorum ufak bir bölge de takıldım sizlere sorayım dedim tlp mizi mosfete bağlamadan önce seri bir direnc ve ona seri birbirine parelel bağlı direnc ve diyort bağlıyoruz fakat oradaki direnc hesabını yapamadık yardımcı olursanız cok iyi olur şimdiden teşekkürler :)

  • Ali Ben

    merhaba, 12V DC girişli boost converter dan 18V-24V DC çıkışlı 1A bir devre tasarlamam gerekiyor ama ne yapacağıma ne alacağıma dair hiçbir fikrim yok. hiçbirşey bilmeyen bu öğrenciye yardımcı olursanız çok memnun kalırım..