DC-DC Dönüştürücü (Konvertör)'nün Temelleri

         DC/DC dönüşümü, modern elektronik sistemlerin tasarımı için temel öneme sahiptir. Bu nedenle geliştiriciler verimlilik, güvenli çalışma, maliyet etkinliği vb. açısından ilgili tüm hususlar hakkında bilgi sahibi olmalıdır. Fortune Business Insights tarafından yayınlanan bir rapor, DC/DC dönüştürücüler için küresel pazarın 2021'de 9,7 milyar dolardan 2028'de yaklaşık 19,2 milyar dolara çıkacağını ve bu dönemde yıllık bileşik büyüme oranının %10,2 olacağını öngörmektedir. Bu büyümeyi yönlendirecek sektörler arasında otomotiv endüstrisi, yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik üretimi ve tüketici elektroniği yer alıyor.

Önemli Topoloji Türleri

      DC/DC dönüştürücülerde karar aşamasının belirli faktörlere tabii olduğu çok sayıda topoloji vardır. Başlarda tasarlandığı haliyle doğrusal (lineer) dönüştürücüler (değişken bir doğru akım şeklindeki girişin direnç üzerinden bir gerilim düşüşü yardımıyla sabit bir doğru akım şeklinde çıkışa dönüştürüldüğü) önemli güç kayıpları ve ısıyı dağıtma ihtiyacı nedeniyle çok sınırlı seçenekler sunuyordu. Ancak anahtarlamalı güç kaynağı çözümlerinin ortaya çıkmasıyla birlikte daha yüksek verimlilikler elde edilebilmiş ve sistemin toplam boyutu küçültülmüştür. Tranzistör devreleri, anahtarlama mekanizmasının anahtarlama frekansına bağlı olan bir çıkış gerilim seviyesi üzerinden gerilim regülasyonu için kullanılır.

 

Şekil 1: Buck ve boost dönüştürücülerin temel topolojilerinin ve anahtarlama dalga biçimlerinin şematik gösterimi

      Anahtarlamalı dönüştürücüler günümüzde yaygın olarak kullanılsa da, doğrusal karakteristikli muadillerinin yararlı olmaya devam ettiği uygulamalar hala mevcuttur. Doğrusal dönüştürücüler, örneğin test ekipmanı veya haberleşme donanımı gibi cihazlara ait sinyal bütünlüğünün önemli olduğu durumlarda daha faydalı bile olabilir.

     İlk olarak iki tip DC-DC dönüştürücüye, yani buck ve boost dönüştürücülere bakacağız. Buck dönüştürücüler DC girişinden daha düşük bir DC çıkışı sağlamak için kullanılabilir. Farklı gerilim baraları sağlamak için kullanılabilirler, böylece hassas elektronik bileşenler aksi takdirde onlara zarar verebilecek gerilim artışlarına maruz kalmazlar. Bir buck dönüştürücüdeki anahtarlama mekanizması yüksek frekansta açılıp kapanır ve enerjiyi bir bobinde depolayarak çıkış dalga biçimini daha az dalgalı hale getirir.

Buck Dönüştürücü

         Yüksek güç seviyelerinde, elektronik bileşenler üzerindeki elektrik yükünü birden fazla anahtar ve indüktör arasında dağıtmak için çok fazlı buck dönüştürücüler kullanılabilir. Daha yüksek verimlilik için, Schottky diyot yerine düşük  ileri yönde ileri yönde iletim direncine sahip bir MOSFET kullanan senkron doğrultuculu buck dönüştürücüler iyi bir seçimdir.

 Buck dönüştürücülerin aksine, boost dönüştürücülerin çıkış gerilimi  giriş geriliminin üzerine çıkartılır. Bu çalışma şekli örneğin elektrik motorlarını çalıştırmak istediğinizde faydalı olabilir. Kural olarak, giriş voltajının 4 ila 5 katı gerilim artışları mümkündür, ancak bunun ötesine geçilmemesi tavsiye edilir.

 Elektriksel Yalıtım

Flyback ve Forward Dönüştücü

        Normal buck ve boost dönüştürücüler birçok uygulama için uygundur ancak giriş ve çıkış toprakları birbirine bağlı olduğundan galvanik izolasyon sağlamazlar. Bazen örneğin tıbbi cihazlarda olduğu üzre bu bağlantıları kesmek gerekir  İşte bu noktada forward veya flyback topolojisine sahip dönüştürücüler devreye girer. Bir flyback dönüştürücü düzenlemesinde, devrenin primer ve sekonder taraflarının sargıları birbirinden izole edilir ve bir indüksiyon bobini (karşılıklı akuplaj endüktansı ) üzerinden bağlanırlar.  Anahtarlama sırasında enerji bu bobinin hava boşluğunda depolanır (ayrı bir endüktör kullanılmaz). Forward (ileri) dönüştürücüde de benzer bir prensip kullanılır, ancak primer ve sekonder taraflar gerçek bir transformatör ile ayrılır. Enerji doğrudan bu trafo üzerinden çıkış endüktörü kapasitör ve yüke aktarılır ve bir hava boşluğu endüktivitesi üzerinde depolanmaz (bu tasarımda trafoda hava boşluğu yoktur) . Bu sayede daha yüksek bir verimlilik seviyesine ulaşılır, ancak daha yüksek maliyetler ve esneklik eksikliği gibi dezavantajların da kabul edilmesi gerekir.

Murata NXJ1 DC/DC Dönüştürücü

Manyetik Elemanlara Tasarımda  İhtiyaç Duyulmaması 

       Elektriksel olarak yalıtılmamış dönüştürücüler de devreye indüktör veya transformatörlerin dahil edilmesi gerekli değildir. Bunun yerine, anahtarlamalı kapasitör şemaları kullanılabilir. Anahtarlama ve diyot üzerindeki gerilim kayıpları verimliliği etkilemesine rağmen, senkron doğrultuculu devreler ve daha modern MOSFET'lerin kullanımı verimlilikte daha yüksek değerlerin elde edilmesini sağlar.