Bidirectional buck boost converter design
Çift yönlü çalışabilen düşürücü yükseltici dönüştücü tasarımı
- Tez No: 895475
- Danışmanlar: DOÇ. DR. YÜKSEL ÇAKIR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
DC to DC dönüştürücülerin kullanımı hem düşük güçlerde hem yüksek güçlü devre yapılarında her geçen yıl artmaktadır. Bunun en temel nedenlerinden birisi ise gelişen teknolojinin hayatımızda eskisinden daha fazla yerini almasından kaynaklanmaktadır. DC to DC dönüştürücülerin önemi otomotiv, beyaz eşya, savunma ve havacılık sektörleri için büyük önem arz etmektedir. Özellikle elektrikli araçların yaygınlaşması ile yüksek güçlü elektrik sistem tasarımın en kritik kısımlarını DC to DC dönüştürücüler oluşturmaktadır. Birçok farklı tipte topolojiler bulunmaktadır. Elektronik devrelerin beslemeleri ise çoğunlukla doğru akımdır. Uygun değerde doğru akımı sağlamanın yolu da DC to DC dönüştürücülerden geçmektedir. Çünkü elektronik devrenin beslemesi için ihtiyaç duyduğu gerilim değeri standart olarak üretilen gerilim değerlerine göre yüksek veya düşük kalabilmektedir. En temel ifadeyle DC to DC dönüştürücüler gelen giriş gerilimini farklı anahtarlama teknikleri kullanarak çıkışında, girişten daha büyük, girişten daha küçük veya girişe eşit gerilime dönüştürürler. Giriş gerilimi çıkış geriliminden büyükse yükseltici dönüştürücü, giriş gerilimi çıkış geriliminden küçükse düşürücü dönüştürücü ve giriş gerilimi çıkış gerilimine neredeyse eşitse düşürücü yükseltici dönüştürücü olarak adlandırılmaktadır. DC to DC dönüştürücüler izolasyon durumuna göre iki tipte bulunmaktadır. Bunlardan ilki izoleli yapıdır. İzole DC to DC dönüştürücüde giriş ile çıkış arasında doğrudan bir elektriksel bağlantı bulunamamaktadır. İzolasyon için transformatörler kullanılır. Giriş ve çıkış aynı GND hatlarına sahip olmazlar. Bu yapılar hem düşük güçlü DC to DC dönüştürücülerde hem de yüksek güçlü dönüştürücülerde kullanılmaktadır. İzoleli DC to DC dönüştürücüler gerilimin hem yükseltilmesinde hem de düşürülmesinde kullanılır. Giriş ve çıkış gerilim aralıkları oldukça geniştir. Giriş ve çıkışta yüksek gerilim farkları olsa bile anahtarlamanın yanında transformatörün sarım sayısı ile bu güçlük kolayca aşılır. Bu yapının en önemli avantajlarından birisi dönüştürücünün girişinde veya çıkışında yaşanan olumsuz durumdan diğer tarafından etkilenmemesidir. Özellikle elektromanyetik uyumluluk kapsamında değerlendirildiğinde büyük avantajları ortaya çıkmaktadır. Girişten gelen gürültü transformatör kullanılmasından dolayı direkt olarak çıkışa etki edemez. Çıkışa yansıyan gürültü giriştekine göre çok daha düşük seviye olur. İzoleli DC to DC dönüştürücülerin verimlilikleri de oldukça yüksektir. Bu da yüksek güçlü uygulamalar için büyük avantaj oluşturmaktadır. DC to DC dönüştürücü içerisinde yer alan transformatör oldukça fazla yer kaplamaktadır. Bu da DC to DC dönüştürücünün boyutunda ve ağırlığında artışa neden olmaktadır. İzolesiz DC to DC dönüştürücülerde transformatör yer almaz. Transformatör yerine genellikle bobin kullanılır. Bu sayede DC to DC dönüştürücünü boyutu daha küçük ve ağırlığı daha azdır. İzolesiz DC to DC dönüştürücülerde giriş ve çıkış birbirinden izole değildir. Yani giriş ile çıkış arasında elektriksel bir bağlantı bulunur. İzolesiz DC to DC dönüştürücüler özellikle düşük ve orta güçlü güç ihtiyacı olan uygulamalar için vazgeçilmezdir. Yapıda çok büyük komponentler olmamasında dolayı az yer kaplar. Hemen hemen her elektronik devre için bir veya birden fazla DC to DC dönüştürücü kullanılır. DC to DC dönüştürücüler genellikle tek yönlü olarak çalışmaktadır. DC to DC dönüştürücünün girişine uygun gerilim uygulanması durumunda çıkışta ayarlanan gerilim oluşmaktadır. Bu durumda dönüştürücü giriş yönünden çıkış yönüne tek yönde çalışma gerçekleştirir. Çift yönlü DC to DC dönüştürücü ise hem giriş tarafından çıkış tarafına hem de çıkış tarafından giriş tarafına doğru çalışma gerçekleştirmektedir. Çift yönlü çalışmanın ihtiyaç olduğu yerlerde iki adet tek yönlü çalışan DC to DC dönüştürücü de kullanmak mümkündür. Fakat iki adet tek yönlü çalışan DC to DC dönüştürücü maliyet, ağrılık ve boyut açısından olumsuz etkiler oluşturmaktadır. Çift yönlü çalışan birçok tipte DC to DC dönüştürücü topolojisi bulunmaktadır. Tez çalışmam kapsamında topoloji olarak çift yönlü çalışan DC to DC düşürücü yükseltici dönüştürücü tasarlanmaktadır. Çift yönlü DC to DC dönüştürücü ileri ve ters olmak üzere iki yönde çalışmaktadır. Çift yönlü çalışan DC to DC dönüştürücü temel olarak; 4 adet N kanallı MOSFET, MOSFET sürücü devreleri, akım ölçüm devreleri, gerilim ölçüm devreleri, anahtarlama bobini, hassas akım ölçüm dirençleri, mikrodenetleyici, sıcaklık sensörü, gösterge ledleri pasif direnç, kapasitör ve bobin elemanlarını içermektedir. Tüm çalışmanın merkezinde TM4C123GH6PM mikroişlemcisi yer almaktadır. Mikroişlemci dönüştürücü içerisindeki çevresel birimlerden ölçümler almaktadır. Bu ölçümlere göre MOSFET sürücü devresini ve gösterge ledlerini kontrol eder. Mikroişlemci C programlama ile dili ile kodlanmıştır. Algoritma yapısı ile hem ileri yönlü hem de ters yönlü çalışmayı çalışmaya imkân sağlamaktadır. DC to DC dönüştürücü tasarımında gerilim ve akım sürekli olarak okunmaktadır. Yapı çift yönlü çalışıyor olmasından dolayı akım hem ileri yönde hem de ters yönde okunabilmektedir. Gerilim ise giriş ve çıkıştan okunmaktadır. Akım ve gerilim ölçüm işlemleri için harici bir analog dijital dönüştürücü kullanılmamaktadır. Mikroişlemcinin kendi analog dijital dönüştürücüsü kullanılmaktadır. Toplamda 5 adet analog sinyal bulunmaktadır. Bunlar giriş gerilimi, çıkış gerilimi, giriş akımı, çıkış akımı ve sıcaklık sensörü verileridir. 4 adet anahtarlama elemanı giriş ve çıkış gerilimlerinin değerlerine göre 3 farklı modda çalışırlar. Bu modlar düşürücü mod, düşürücü yükseltici mod ve yükseltici moddur. Bu 3 mod hem ileri yönde hem de geri yönde çalışmaktadır. Dönüştürücün anahtarlama işlemi o hangi modda olmasıyla alakalıdır. İşlemci çıkışında dört adet sinyal genişlik modülasyonu (PWM) yer almaktadır. Bunlardan iki tanesi direkt olarak MOSFET anahtarlamasını giriş sağlarken, diğer ikisi MOSFET'lerin %100 PWM'de sürülmesi için kullanılmaktadır. MOSFET'ler giriş tarafında yer alan ve çıkış tarafında yer alan olmak üzere iki ayrı grupta değerlendirilmektedir. Giriş tarafından yer alan iki adet anahtarlama elemanı için bir adet PWM sinyal ve çıkış tarafında yer alan iki adet anahtarlama elemanı için bir adet PWM sinyal kullanılmaktadır. Giriş tarafındaki PWM sinyali donanımsal bir devreden geçerek birbirine zıt iki adet PWM sinyale dönüşmektedir ve bu PWM sinyaller MOSFET'lerin ihtiyaç duymuş olduğu gerilim seviyelerindedir. Çıkış tarafındaki PWM sinyali de donanımsal bir devreden geçerek birbirine zıt iki adet PWM sinyale dönüşmektedir ve bu PWM sinyaller MOSFET'lerin ihtiyaç duymuş olduğu gerilim seviyelerindedir. Bu işlemlerin gerçekleştiği yer MOSFET sürücü devresidir. Tasarımda entegre devre kullanmadan ayrık devre yapıları ile MOSFET sürücü devreleri oluşturulmuştur. Bu yapı 50kHz-300kHz frekans aralığı için optimum çalışmayı sergilemektedir. DC to DC dönüştürücü de akım okuma ve limitleme işlemi girişten ve çıkıştan çift yönlü olarak yapılmaktadır. Bunun için dört farklı değerde parametre belirlenmektedir. Bunlar; ileri yönde giriş akımı, geri yönde giriş akımı, ileri yönde çıkış akımı ve geri yönde çıkış akımıdır. Bu değerler parametrik olarak ihtiyaca göre düzenlenebilmektedir. Dönüştürücünün çalışma gerilim aralığı 9V-50V aralığıdır. Bu değer aralığının altında bulunması durumunda düşük gerilim koruması, bu değer aralığının üzerinde bir değerde ise yüksek gerilim korumasına girmektedir. Bu çalışma aralığı giriş ve çıkış tarafları için ortaktır. Dönüştürücü devresinde dört adet gösterge ledi bulunmaktadır. Bu gösterge ledleri dönüştürücünü çalışma durumunu belirtir. Bu göster ledlerinden ilki ileri yönde çalışması sırasında yanmaktadır. İkincisi ise geri yönde çalışması sırasında yanmaktadır. Üçüncüsü gerilim koruması oluşması durumunda yanmaktadır. Dördüncü olan ise yazılımsal düzenleme yaparken anahtarlamanın yapıldığı belli etmek üzere, anahtarlamanın olmadığı zamanlarda yanmaktadır. Tüm bunlara ilave olarak dönüştürücü de sıcaklık sensörü yer almaktadır. Bu dönüştürücü üzerindeki en sıcak yüzeyde bulunur. Sıcaklık değeri ayarlanan maksimum sıcaklık değerini aştığında dönüştürücü korumaya girmektedir. Aynı sıcaklık sensörü sayesinde anlık olarak sıcaklık okuması yapılabilmektedir.
Özet (Çeviri)
The importance of DC to DC converters increases with developing technology. Many of the electronic devices that we use contain AC/DC or DC to DC converters. One of the areas where DC to DC converters are most used is electric vehicles. DC to DC converters are used to charge the battery and energize the electric motors with the charged battery. There are many different types of DC to DC converters. Some of these have an isolated structure, while some have a non-isolated structure. The isolation status of the converter is determined according to the design needs. Converters operating as standard make a one-way conversion from the input direction to the output direction. However, due to the change and increase in today's needs, one-way DC to DC converters have become ineffective. Where bi-directional operation is required, two DC to DC converters had to be designed. This made the design both larger and less efficient. Therefore, using standard DC to DC converters bidirectionally by making some additions and arrangements is one of the most effective ways. Bi-directional operation is possible in both isolated and non-isolated DC to DC converter structures. Bi-directional buck boost converter can produce a regulated voltage both from input to output and from output to input. In this study, the details of the non-isolated structure that can operate bi-directionally are included. The non-isolated bi-directional converter is in buck boost converter topology. It contains four switching components in this structure. It is possible to operate this structure bidirectionally with the 4 MOSFETs used. While it operates in buck mode, buck boost mode and boost mode in the forward direction, it can operate in buck mode, buck boost mode and boost mode in the reverse direction. The way to achieve these modes is to determine the forward and reverse operating characteristics. The conditions under which the structure operates in forward or reverse direction depend on the input and output voltages. If appropriate source voltage is applied to the input of DC to DC, the structure works in the forward direction and produces output voltage. If the input and output voltage are not within an appropriate range, DC to DC converter goes into protection mode and produces no output. If the appropriate source voltage is applied to the DC to DC converter's output, the output side acts as an input and the input side acts as the output. It is possible to get voltage from the input side with the voltage applied from the output side. The bi-directional buck boost converter structure basically includes the following circuits: bi-directional current measurement circuits, voltage divider circuit MOSFET driver circuits, MOSFETs, switching inductor, microcontroller, auxiliary circuits and temperature measurement circuits. Management of operations within the converter is provided by the microprocessor. The microprocessor performs the operations of measuring input/output voltages, measuring bi-directional input/output currents, measuring temperature from the temperature sensor, and driving MOSFETs according to a certain algorithm. The operating mode of the converter is determined by the voltage and current measurement circuits in the structure. For forward operation, if the input voltage is greater than the output voltage, the converter operates in buck mode, if the input voltage is close to the output voltage, it operates in buck boost mode, and if the input voltage is lower than the output voltage, it operates in boost mode. In reverse operation, if the output voltage is greater than the input voltage, the converter operates in buck mode, if the output voltage is close to the input voltage, it operates in buck boost mode, and if the output voltage is lower than the input voltage, it operates in boost mode. Signals of certain pulse widths are applied to MOSFETs to produce input or output voltages. The width of these signals is determined by the voltage values the microcontroller measure from the input and output. This measurement takes place continuously. To obtain a constant output voltage in a structure where the input voltage varies, the pulse width must be constantly adjusted. The same is necessary for obtaining constant input voltage. As the current measurement circuits included in the converter design, both bi-directional current reading and limiting can be provided. The current can be read from both the input and output sides. If more current is drawn from the input or output of the DC to DC converter than the specified current limit, the current is limited. This limiting process is possible by adjusting the pulse width of the signal applied to the MOSFETs, just like adjusting the voltage.
Benzer Tezler
- Anahtarlamalı kapasitör tabanlı çift yönlü düşürücü yükseltici tip dönüştürücünün bulanık mantık kontrolör ile geliştirilmesi
Development of switched capacitor based bidirectional buck-boost converter with fuzzy logic controller
HAKAN TEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DAVUT ERTEKİN
- İki yönlü izoleli iki köprü DC-DC dönüştürücünün tasarımı ve analizi
Design and analysis of isolated bidirectional dual active bridge DC-DC converter
OĞUZHAN ÖZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAMAZAN AKKAYA
- 1MWh battery energy storage system connected to distribution network: Design, modeling, and control
Dağıtım şebekesine bağlı 1 MWh batarya enerji depolama sistemi: Tasarım, modelleme ve denetim
YOUSIF MUSTAFA SADEQ AL KHDHAIRI
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET METE VURAL
- A gan-based bi-directional non-inverting buck-boost converter
Gan-tabanlı çift yönlü evirmeyen buck-boost dönüştürücü
HÜSEYİN URAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET KARAARSLAN
- Elektrikli araçlar için çift yönlü alçaltıcı-yükseltici DC-DC konvertör tasarımı ve kontrolü
Design and control of bidirectional buck-boost DC-DC converter for electric vehicles
BURHAN ŞEKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTunceli ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. EYYÜP ÖKSÜZTEPE