Eveet, geldik 2. bölüme. Burada biraz daha işin içine gireceğiz ve daha da karmaşık bir hala alacak. Umarım beğenirsiniz.
- Harmenoik dalgalar nedir? -
PFC'ye girmeden önce bunun ne olduğunu anlatayım.
Harmonik dalgalar, ana AC sinüs dalgasının üzerinde oluşan ekstra dalga şekilleridir.
Normal elektrik şebekesi 50 Hz veya 60 Hz temel frekansta çalışır. Eğer şebekeden çekilen akım veya voltaj saf bir sinüs dalgası değilse, dalga şekli bozuluyor.
Bu bozulmayı Fourier analizi ile inceleyince, temel frekansa ek olarak 3., 5., 7. … n. harmonik frekanslar ortaya çıkar.
- APFC (Aktif PFC) Nasıl çalışır? -
Önceki bölümde APFC'yi detaysız bir şekilde anlatmıştım. Şimdi burada işin içine biraz daha girip nasıl çalıştığını anlatacağım.
Giriş Aşaması – Köprü Doğrultucu (Bridge Rectifier):
AC şebeke elektriği (örneğin 230 VAC) önce bir köprü doğrultucuya girer. Köprü doğrultucu AC’yi DC’ye çevirir lakin bu DC henüz “temiz” değildir; dalgalı, yani ripple içerir ve şebekeden çekilen akım da düzgün bir sinüs dalgası değildir.
PFC Bobini ve MOSFET Anahtarlama:
PFC bobini.
---------------------------------------
Mosfet.
Tam anlamıyla DC'ye çevrilmemiş bu dalgalı voltaj, PFC devresindeki indüktör (bobin) ve MOSFET anahtarlama üzerinden geçer. Buradaki MOSFET, çok hızlı bir şekilde açılıp kapanarak akımı kontrol eder. Amaç, şebekeden çekilen akımın gerilim ile aynı fazda ve düzgün bir sinüs dalgası şeklinde olmasını sağlamak.
Boost Diyot ve Bulk Kapasitör:
Bulk kapsitör.
---------------------------------------
Boost diyot.
Anahtarlama sonucunda indüktörden geçen enerji, boost diyot üzerinden bir bulk kapasitöre aktarılır. Bulk kapasitör, enerjiyi depolayarak çıkışta sabit ve düzgün bir DC voltaj sağlar. Bu sayede PSU’nun DC bus hattı sabit olur.
Sonuç Şebekeye Düzgün Akım Çekme:
APFC sayesinde şebekeye geri gönderilen akım dalgalı ve bozulmuş bir akım olmaz; bunun yerine gerilime yakın fazlı, neredeyse sinüs dalgası şeklinde bir akım çekilir. Böylece hem güç faktörü (Power Factor) iyileşir, hem de harmonik bozulmalar (THD – Total Harmonic Distortion) azalır. Şimdi diyeceksiniz ne bu harmonoik bozulmalar? Onuda açıklayayım.
- PFC'siz güç kaynakları nasıl çalışır? -
PFC'siz güç kaynakları aslında bayağı basit yapılar. Sadece bridge rectifer ve bulk kapasitör bulunuyor.
AC, köprü doğrultucuya giriyor ve ardından doğrudan bulk kapasitörde depolanıyor. Ancak burada bir sorun var: Bu yapı nedeniyle şebekeye harmoniklerle bozulmuş akım darbeleri gönderiliyor, verim düşüyor ve güç faktörü de olumsuz etkileniyor kısacası.
PFC’siz bir güç kaynağında AC giriş önce köprü doğrultucudan geçer ve burada tam doğrultulmuş DC hâline gelir. Bu DC, doğrudan bulk kapasitöre uygulanır. Kapasitörün üzerinde örneğin 300 V bulunuyorsa, şebeke gerilimi doğrultulduğunda ancak bu değerin üzerine çıktığı anlarda kapasitörü besleyebilir. Bu yüzden akım sadece şebekenin tepe bölgelerinde akıyor.
Şebeke tepeye yaklaştıkça kapasitör ile şebeke arasındaki gerilim farkı artar ve bu fark yeterince büyüdüğünde kapasitör çok hızlı bir şekilde dolmak ister. Dolum işlemi çok kısa sürer; birkaç milisaniyelik sürelerde dar, yüksek tepe akımları oluşur. Grafikte “pembe darbe” diye gösterilen şey bu ani dolum akımlarıdır ve yalnızca tepe noktalarının çevresinde gerçekleşiyor.
Kapasitör dolduktan sonra PSU’nun devreleri çalışırken gerekli enerjiyi kapasitörün içinden çekiyor. Bu sırada şebekeden akım akmaz; kapasitör yavaşça boşalır ve grafikte “boş alan” olarak görünen eğim ortaya çıkıyor. Bu dönem boyunca giriş akımı sıfırdır ve grafikte düz bir çizgi şeklinde görünür. Yani PFC’siz bir PSU, şebekeye sadece tepe anlarında darbe şeklinde yüksek akımlar çeker, geri kalan zamanlarda ise tamamen kapasitörün enerjisiyle çalışır.
Peki neden bunlar kötü oluyor?
Çünkü PFC'siz bir güç kaynağı deidğim gibi ani pikler ile çalışır. Kapasitör tepe noktasına geldiğinde yüksek akım çektiği için sinüs dalgasının tepe bölümü çöker ve sinüs şekli bozulur. Aynı yukarıdaki resim gibi.
Aynı bu şekilde. Bıçakla kesilmiş gibi harmonoikler oluşturur. E yani bu bozoulmalarda tabii ki aynı hatta bağlı hassas cihazlarda gürültüye, parlama-sönme benzeri ışık dalgalanmalarına ve elektronik ekipmanların hatalı davranışa sebebiet verebiliyor. Ayrıca bu bozuk akım formu çok yüksek seviyede harmonik var. Özellikle 3., 5., 7. ve 9. harmonikler belirgindir. Bu harmonikler nötr hattında birikerek nötrün aşırı ısınmasına sebep olabilir ve bina elektrik altyapısını zorlayabiliyor.
Sonuç olarak, PFC’siz güç kaynakları şebekenin enerji verimliliğini düşürür, dağıtım sistemine ek yük bindirir, hatları ve trafoları gereksiz yere ısıtarak ömürlerini azaltır ve genel güç kalitesini olumsuz etkiler.
APFC'nin artık ne olduğunu biliyorsunuz. Olmazsa ne odluğunuda biliyorsunuz. Yani artık PWM katına geçebilireiz.
- PWM katı -
Eveet, geldik PWM katına. Burası da pek karışık sayılmaz. PWM katında farklı topolojiler bulunuyor. Başlıca kullanılanlar:
Half Bridge: Orta güç uygulamaları için basit ve verimli.
Full Bridge: Daha yüksek güçlerde kullanılır, iki MOSFET köprüsü ile çalışır.
Forward: Düşük güç kaynaklarında yaygın, tek anahtarlamalı.
Double Forward: Forward topolojisinin geliştirilmiş hâli, daha yüksek verim.
LLC + Half/Full Bridge: Modern yüksek verimli PSU’larda kullanılır, rezonanslı çalışma sayesinde kayıplar minimum.
Bunlar güç kaynağında görebileceğiniz ana topolojilerdendir. Tabii farklı farklı türler var lakin pek yaygın değiller. Bu sebeple anlatmanında pek anlamı yok.
-Half bridge nedir? Nasıl çalışır?-
Half-Bridge DC-DC dönüştürücü, flyback veya forward converter’lar gibi giriş voltajından daha yüksek veya daha düşük çıkış voltajı sağlayabilen ve trafo üzerinden elektriksel izolasyon sunan bir topolojidir. Flyback veya forward converter’a göre tasarımı biraz daha karmaşık olsa da, daha yüksek çıkış gücü (yaklaşık 500 W’a kadar) sağlayabilir ve kullanılan parçalar daha küçük ve maliyeti daha düşüktür.
Temel Çalışma Mantığı
Half-Bridge’de iki anahtar (MOSFET veya IGBT) giriş voltajını yarı yarıya kullanıyor. Sonra Birincil taraftaki kondansatörler, trafonun birincil sargısında sabit bir orta nokta voltajı oluşturuyor; yani anahtarlar yalnızca giriş voltajının yarısını taşıyor.
Daha sonra Anahtarlar sırayla açılıp kapanır, birincil sargı üzerinde pozitif ve negatif voltaj salınımları oluşuyor.
Bu tam dalga doğası sayesinde, çıkış tarafında tam dalga köprü diyot devresi kullanılır ve trafonun manyetik çekirdeği tam olarak değerlendirilir.
- PWM nedir? -
PWM, sabit bir frekansta anahtarların açma ve kapanma sürelerini değiştirerek ortalama voltajı ayarlama yöntemi oluyor. Duty cycle, yani açma süresinin toplam periyoda oranı, çıkış voltajını belirler; duty cycle arttıkça çıkış voltajı yükselir, azalınca düşer. Örneğin, giriş voltajı 300 V olan bir Half-Bridge’de duty cycle %50 ise, üst MOSFET açıldığında birincil sargıya +150 V uygulanır, alt MOSFET açıldığında -150 V uygulanır ve PWM sayesinde ortalama voltaj 0’dan +150 V’a kadar ayarlanabilir. İkincil tarafta diyotlar ve kapasitörler ile AC dalga düzleştirilerek sabit DC çıkış elde edilir.
-Full bridge nedir? Nasıl çalışır?-
Half Bridge'e göre daha karmaşık olduğunu siz de anlamışsınızdır.
Full-Bridge de, yüksek güç uygulamaları için kullanılan bir topolojidir ve Half-Bridge’e göre daha fazla MOSFET ile çalışyor. Temel amacı, giriş DC voltajını tam dalga olarak trafonun birincil sargısına uygulayarak ikincil tarafta istenen DC çıkışı sağlamaktır. Full-Bridge’de dört MOSFET, H-köprü biçiminde düzenlenmiştir; üst ve alt MOSFET çiftleri sağ ve sol tarafı oluşturur.
Çıkış voltajının kontrolü yine PWM ile yapılıyor. Full-Bridge’de MOSFETler sırayla anahtarlanır; üst sol ve alt sağ MOSFETler açıldığında birincil sargıda pozitif voltaj oluşur, üst sağ ve alt sol MOSFETler açıldığında negatif voltaj oluşur. Duty cycle, yani açma süresinin toplam periyoda oranı, çıkış voltajını belirler; duty cycle arttıkça çıkış voltajı yükselir, azalınca düşer. PWM sayesinde anahtarlar ya tamamen açık ya da tamamen kapalı olduğundan, verimlilik yüksek tutulur ve kayıplar minimum olur.
Full-Bridge topolojisi, yüksek güç kapasitesi, trafonun çekirdek ve ikincil sargısının tam kullanımı ve PWM ile hassas voltaj kontrolü gibi avantajlar sunar. Ancak Half-Bridge’e göre daha fazla MOSFET kullanılması, maliyet ve devre karmaşıklığını artırır ve PWM ile shoot-through kontrolüne dikkat edilmesi lazım. PWM shoot through ne derseniz de Mosfetlerin aynı anda açılıp kapanmasını önlemek. Eğer mosfetler aynı anda anahtarlanırsa devrede ciddi hasar oluşabilir.
-Forward nedir? Nasıl çalışır?-
Forward converter, genelde düşük güç uygulamalarında yaygın olarak kullanılan bir topoloji.
Forward converter’in temel elemanları arasında anahtar (MOSFET veya IGBT), trafo, diyot, kapasitör ve reset sargısı bulunuyor. Anahtar açıldığında, giriş voltajı trafonun birincil sargısına uygulanır ve enerji doğrudan ikincil sargıya aktarılır. İkincil tarafta diyot ve kapasitör ile AC dalga DC’ye çevrilir ve sabit çıkış sağlanır. Anahtar kapandığında ise reset sargısı, trafonun birincil sargısındaki manyetik alanı sıfırlayarak çekirdeğin saturasyona uğramasını önler ve bir sonraki anahtarlama döngüsüne hazırlar.
Duty cycle arttıkça çıkış voltajı yükselir, azalınca düşer. PWM sayesinde anahtarlar ya tamamen açık ya da tamamen kapalı olduğundan, verimlilik yüksek tutulur ve kayıplar minimum oluyor.
-Double Forward nedir? Nasıl çalışır?-
Forward'ın gelişmiş hali denebilir. Benzer çalışma prensiplerine sahipler. Tek Forward dönüştürücüde yalnızca bir anahtarlama ve bir çıkış yolu varken, Double Forward’da iki anahtarlama yolu ve genellikle ortak bir transformatör üzerinden iki çıkış yolu vardır. Bu sayede daha yüksek güç kapasitesi sağlanır, anahtarlama elemanlarının ve transformatörün gerilim stresi azalır ve çıkış akımı daha dengeli olur. Piyasadaki çoğu güç kaynağı bu topolojiyi kullanıyor.
-Double forward ile Half bridge arasındaki fark nedir?-
Aslında benzerler ama onları ayıran nokta şunlar:
Half-Bridge:
Giriş DC voltajı ikiye bölünür ve MOSFETler sırayla açılarak birincil trafoda ±V/2 voltaj oluşturur.
İkincil taraf tam dalga köprü ile DC’ye çevrilir.
Amaç: orta güç uygulamalarında verimli AC benzeri bir birincil dalga üretmek.
Double Forward:
Giriş DC voltajı doğrudan birincil sargıya uygulanır.
Anahtarlar, enerjiyi iki ayrı yol üzerinden ikincil sargıya aktarır, bu sayede çekirdek saturasyonu doğal olarak sıfırlanır ve çıkış ripple’ı düşer.
Amaç: Forward converter avantajlarını koruyarak daha yüksek güç ve daha düşük ripple sağlamak.
-LLC rezonant dönüştürücü nedir? Nasıl çalışır?-
Full bridge LLC rezonant dönüştürücü.
LLC, Inductor (L) – Inductor (L) – Capacitor (C) devresini ifade ediyor. Yukarı da da görebilirsiniz. Temel avantajı, anahtar elemanların anahtarlama kayıplarını minimize ederek yüksek verimlilik sağlaması. Gold güç kaynaklarının çoğunda LLC kullanılır.
LLC rezonant dönüştürücünün temel elemanları şunlardır: iki endüktör, rezonant kapasitör, anahtarlar (MOSFET veya IGBT), trafo ve ikincil tarafta diyot ve kapasitörler. Anahtarlar genellikle Half-Bridge veya Full-Bridge topolojisi ile sürülüyor. Trafo birincil sargısındaki rezonant devre sayesinde, anahtarlar sıfır voltaj veya sıfır akım anında anahtarlanabilir; bu da anahtarlama kayıplarını ve EMI’yi minimuma indirir. E yani bunun sonucunda yüksek verimlilik elde ediliyor.
Bu diyagram her şeyi çok güzel açıklıyor. Oldukça anlaşılır ve detaylı.
Eveet, bu şekilde de topoloji bölümünü sonlandırmış olduk. Artık PWM kontrolcülere geçebiliriz bence.
-PWM kontrolcüler nedir? Nasıl çalışır?-
PWM (Pulse Width Modulation – Darbe Genişlik Modülasyonu) kontrolcü çipleri, güç kaynaklarında MOSFET veya IGBT gibi anahtar elemanları sürmek ve çıkış voltajını kontrol etmek için tasarlanmış entegre devrelerdir. Yukarıda da görmüştünüz.
Görevleri:
PWM Sinyali Üretmek:
Çip, sabit frekansta açma-kapa sinyalleri üretir.
Duty cycle’ı değiştirerek çıkış voltajını ayarlamaya olanak sağlar.
Koruma Fonksiyonları Sağlamak:
Over-voltage (aşırı voltaj) ve over-current (aşırı akım) koruması sunar.(değişebilir)
MOSFETlerin kısa devreye girmesini veya aşırı ısınmasını önler.
Dead-Time Kontrolü:
Half-Bridge veya Full-Bridge gibi topolojilerde MOSFETlerin aynı anda açılmasını (shoot-through) engellemek için açma-kapa zamanları ayarlıyor.
Soft-Start Fonksiyonu:
Güç kaynağı ilk açıldığında çıkış voltajını yavaş yavaş yükselterek giriş akımının ani yükselmesini engeller.
-Transformatörnedir?-
Transformatörler, elektrik enerjisini bir devreden diğerine manyetik alan aracılığıyla aktaran temel elemanlardır. PSU’larda trafo, genellikle AC/DC veya DC/DC dönüştürücülerde voltajı yükseltmek, düşürmek ve galvanik izolasyon sağlamak için kullanılıyor.
Trafo, birincil (primer) ve ikincil (sekonder) sargılardan oluşuyor. Bu sargılar arasında elektriksel bağlantı yok, yani enerji manyetik alan aracılığıyla aktarılıyor. Böyle olunca da giriş çıkış devresi birbirinden bağımsız oluyor. Güvenlik artıyor.
Kaçak İndüktans Neden Önemlidir?
Trafolarda primer ve sekonder arasında idealde sadece manyetik bağ vardır, fakat gerçekte:
Sargılar arasında bir miktar kaçak indüktans oluşuyor. Bu sebeplede Kaçak indüktans, yüksek frekansta gerilim ve akım dalgalanmalarına neden olabilir, anahtar elemanlarda voltaj stresini artırabilir.
- Trafo Türleri: Kapalı ve Açık Çekirdekli -
Kapalı Çekirdekli Trafo
Manyetik devre kapalı bir yolda dolaşır, genellikle “E-I” veya “EE” laminasyonlardan oluşur.
Daha az manyetik kaçak ve daha yüksek verimli olurlar. Yüksek güç ve yüksek frekans uygulamalarına uygun. Manyetik alan neredeyse tamamen sargılar arasında dolaşır. Tabii daha ağı ve maliyetli oluyor genelde. Bu yüzden pek kullanıldığını görmeyiz.
Açık Çekirdekli Trafo
Manyetik devre açık bir şekilde hava üzerinden geçer. Çekirdek sargılar tarafından tamamen çevrelenmez. Basit ve ucuz bir tasarım. Çoğu güç kaynağıda bunu kullanır. Kaçak indüktans ve manyetik kayıplar daha yüksektir. Verimlilik ve çıkış stabilitesi kapalı çekirdekli trafoya göre düşük.
-Secondary side Doğrultma Aşaması-
Geldik yine detaylı ve güzel bir bölüme. Doğrultma aşamasına. Güç kaynağının ikinci tarafı (secondary side), trafodan gelen AC dalga benzeri sinyali DC’ye dönüştürme görevini üstleniyor. Bu aşama PSU verimliliğini en çok etkileyen bölümlerden biridir ve üç farklı doğrultma yöntemi bulunur: Schottky diyotlarla doğrultma, senkron (synchronous) MOSFET doğrultma ve SSR yani hem skotty diyot ile hem de Mosfet ile doğrultma. Genelde bu 3 doğrultma yöntemi kullanılır.
-Schottky diyotlarla doğrultma nedir ve nasıl çalışır?-
Schottky diyotlarla doğrultma, güç kaynaklarında trafonun sekonder tarafında oluşan yüksek frekanslı AC darbelerini DC’ye dönüştürmek için kullanılan en basit ve klasik yöntem. Anahtarlamalı güç kaynağının trafosu, enerji transferini manyetik olarak sağladığı için çıkışında hâlâ AC benzeri bir sinyal bulunuyor ve bu sinyalin tek yönlü hâle getirilmesi gerekiyor. İşte Schottky diyotlar tam bu noktada işe yarıyor. Schottky diyotların tercih edilme nedeni, normal silikon diyotlara göre çok daha düşük ileri gerilim düşümüne sahip olmaları; tipik bir silikon diyotta 0.7 V civarında olan bu düşüm, Schottky diyotlarda 0.2–0.4 V civarında oluyor. Böylece hem daha az güç kaybı hem de daha düşük ısı üretimi sağlanıyor. Boşuna üreticiler bu yöntemi tercih etmiyor yani.
Çalışma prensibi oldukça basit: Trafo sekonderi pozitif polarite ürettiğinde diyot iletime geçerek akımın yalnızca çıkış yönüne akmasına izin verir; polarite tersine döndüğünde diyot kesime gider ve akım geçişini tamamen engeller. Bu şekilde AC sinyalin yalnızca pozitif kısmı geçer ve tek yönlü bir DC elde edilir. Eğer tam dalga doğrultma gerekiyorsa iki veya dört Schottky diyot birlikte kullanılarak hem pozitif hem negatif yarım dalgalar çıkış yönünde toplanır ve çok daha düzgün bir DC akışı sağlanır. Yine de çıkış hâlâ dalgalı olduğu için doğrultma sonrasında LC filtreler (bobin + kapasitör) kullanılarak gerilim pürüzsüzleştirilir.
Schottky diyotla doğrultmanın en büyük dezavantajı, ileri voltaj düşümünün her durumda sabit bir güç kaybına dönüşmesi. Yüksek akım çeken hatlarda bu kayıp ciddi ısıl yük oluşturur; örneğin 20–30 A taşıyan bir 12V hattında diyot başına birkaç watt kayıp ve buna bağlı ısınma meydana gelir. Bu nedenle modern yüksek verimli (Gold, Platinum, Titanium) güç kaynakları Schottky diyotları büyük ölçüde terk ederek senkron doğrultmaya, yani MOSFET tabanlı doğrultmaya geçti. Buna rağmen Schottky doğrultma hâlâ daha ucuz, basit ve düşük güçte yeterli performans veren bir yöntem olduğu için özellikle giriş seviyesi güç kaynaklarında yaygın şekilde kullanılmaya devam ediyor.
-Semi Synchronous Rectification nedir?-
Semi Synchronous Rectification (SSR), klasik Schottky diyot doğrultma ile tam senkron doğrultma (MOSFET ile doğrultma) arasında yer alan hibrit bir teknik oluor. Amaç, Schottky diyotların kayıplarını azaltmak ve tamamen MOSFET tabanlı doğrultmanın karmaşıklığını yaşamadan daha yüksek verim elde etmek. Bu nedenle “yarı senkron doğrultma” adı kullanılıyor.
SSR’de genellikle şu yapı bulunur:
Bir tarafta Schottky diyot
Diğer tarafta synchronous MOSFET
MOSFET’in daha düşük iletim direnci (Rds(on)) sayesinde kayıplar azalırken, Schottky diyot devreyi basitleştirir ve MOSFET’i koruyan güvenli bir yol sağlıyor. Bu yapı özellikle orta seviye verim sınıflarında (ör. 80 PLUS Bronze – Silver) ve yüksek akım çekilen hatlarda sıkça kullanılır.
-Synchronous Rectification nedir?-
Synchronous Rectification (Senkron Doğrultma), güç kaynaklarının sekonder tarafında AC darbeleri DC’ye dönüştürmek için diyotlar yerine MOSFET kullanılan yüksek verimli bir doğrultma yöntemi. Klasik Schottky diyotlarda akım iletim sırasında yaklaşık 0.2–0.4 V civarında bir gerilim düşümü oluşurken, MOSFET’lerde iletim kaybı yalnızca Rds(on) değerine bağlıdır ve o da genellikle mili-ohm seviyesinde. Bu sayede daha düşük kayıp sağlanıyor. Genelde yüksek verimli ünitelerde kullanılır.
Synchronous rectification’ın temel çalışma prensibi oldukça basit denebilir: Trafo sekonder sargısı pozitif polarite oluşturduğunda MOSFET’in gate’i sürülerek MOSFET iletime geçirilir ve akım, diyot yerine MOSFET üzerinden akar. MOSFET’in iletim direnci çok düşük olduğu için kayıplar azalır. Polarite tersine döndüğünde MOSFET hızla kesime çekilir ve akımın geri akması engellenir; bu sırada MOSFET’in body diyodu yalnızca çok kısa süreli geçişleri güvenli şekilde yönetir. MOSFET doğru zamanlamayla açılıp kapandığı için tam dalga doğrultma MOSFET’lerle yapılmış olur.
Bu yöntemin en güçlü tarafı, özellikle yüksek akım taşıyan 12 V hatlarında büyük fark yaratmasıdır. Örneğin Schottky diyotlarla 5–10 watt kayıp oluşabilecek bir çıkışta MOSFET tabanlı doğrultma kaybı yalnızca birkaç yüz miliwatt olabilir. Bu fark, PSU’nun verimini doğrudan %2–5 oranında artırır ve daha düşük ısı üretimi sayesinde daha sessiz ve daha uzun ömürlü bir tasarım ortaya çıkar. Bu nedenle senkron doğrultma günümüzde yüksek kaliteli güç kaynaklarında kullanılıyor.
Bölüm 2'de burada son buluyor. Yazmak bayağı bir zamanımı aldı. Umarım beğenirsiniz. Görüşürüz
