Çİft anahtarli buck-boost Çevİrİcİ benzetİmİ

7/30/2019 FT ANAHTARLI BUCK-BOOST EVRC BENZETM

1/9

Yl: 2009, Cilt:2, S ay: 4, Sayfa:385-393

TBAV BLM DERGS

FT ANAHTARLI BUCK -BOOST EVRC BENZETM

lhan GARP, Necmi ALTIN, brahim SEFA

GEMEC-Gazi Elektrik Makineleri ve Enerji Kontrol GrubuGazi niversitesi, Teknik Eitim Fakltesi, Elektrik Eitimi Blm,

06500 Beevler Ankara

zet

Buck- boost eviriciler, giri gerilim deerinin deiken olduu ve bu deerin k gerilimine gre dk ve yksek olabilecei uygulamalarda yaygn olarak kullanlmaktadrlar. Bu eviricilerdeki g elemanlar zerindeki gerilim stresi vemanyetik elemanlarn boyutlar sadece buck veya sadece boost ilemi yapan eviricilere gre daha yksektir. Bu almadakesintisiz g kaynandaki ak grubunu arj etmek amacyla kullanlan kaskat bal bir buck - boost eviricininMATLAB/Simulinkde benzetim almalar yaplmtr. ift anahtarl buck - boost evirici kullanlarak elemanlarn gerilimstresinin ve enerji depo edebilen elemanlarnn boyutlar azaltlmtr. eviricide akm ve gerilim olmak zere iki kontroldngs ieren bir denetleyici kullanlmtr. Gelitirilen bu denetleyici ile aknn durumuna bal olarak evirici sabit akmveya sabit gerilim durumlarndan uygun olan birisi ile kontrol edilmektedir. Bu durumlar aklerin tamamen bo olmashalinde sabit akm ve arj akm limiti almadnda ise sabit gerilim deerlerinde sarj durumlar olarak aklanabilmektedir.

Anahtar Kelimeler: Buck- boost evirici, sabit akm kontrol, sabit gerilim kontrol

THE SIMULATION OF THE DUAL SWITCH BUCK-BOOSTCONVERTER

Abstract

Buck-boost converters have been widely used in variable supply voltage applications when the output voltage level may belower or higher than the supply voltage level. Voltage stress on the components of this converters and sizes of the magneticcomponents are higher than the buck or boost converters. In this study, simulation of a buck-boost converter used inuninterruptible power supply applications for charging the batteries has been carried out with MATLAB/Simulink. Thevoltage stresses on components and the sizes of energy storing elements are reduced using a dual switch buck-boostconverter. The proposed converter has been controlled by a cascaded controller which includes a current controller and avoltage controller. So that, proposed converter can be operated either in constant current mode or constant voltage modeaccording to the batteries situations. These modes can be expressed as constant current mode when the batteries are fullydischarged and constant voltage mode when the charge current is in limits.

Key Words: Buck-boost converters, current controller, voltage controller

E-posta: [email protected]


2/9


3/9

TBAV Bilim2 (4) 2009 385-393 .Garip, N. Altn, . Sefa

387

durumundaki geilerden k geriliminin etkilenmedii grlmektedir. Ayrca tek anahtarl buck - boost eviriciyegre k gerilimindeki AA bileen, bobin akm dalgalanmas ve kondansatr akm daha dk olduundan iftanahtarl buck - boost evirici kullanlarak bobin ve kondansatr deerlerinin azaltlabilecei grlmektedir .

ekil 2. Buck ve boost eviricinin arka arkaya balanmas ile elde edilen buck - boost evirici

2. evirici Devresinin Analizi

ekil 2de gsterilen ift anahtarl buck - boost evirici devresinde dorudan g aktarmn salayabilmek iin ikianahtar ayn kontrol sinyali ile kontol edilmemelidir. Bu devrenin iki ayr alma durumu olup anahtarlamasinyalleri bu alma durumlarna gre deimektedir. ekil 3de gsterildii gibi giri geriliminin k referansgeri liminden dk olduu durumda (vivref ) ise buck modunda alacaktr. Boost almadaS 2 (boost) anahtar denetleyicitarafndan retilen PWM sinyali ilekontrol edilirken, S 1 (buck) anahtar srekli iletimdedir (ON konumu). Buck almada ise,S 1 (buck) anahtar denetleyici tarafndan retilen PWM sinyali ile kontrol edilirkenS 2 , (boost) anahtarsrekli kesimdedir (OFF konumu).

ekil 3. Giri gerilimi seviyesine gre eviricinin alma durumlar

2.1. ift anahtarl buck -boost eviricinin kararl durum analizi

ekil 4de anahtarlarn her ikisinin de iletimde olduu durum iin ift anahtarl buck - boost eviricinin edeer devresi gsterilmitir .

ekil 4. Anahtarlar iletimde iken evirici edeer devresi


4/9


388

S 1 ve S 2 anahtarlar iletimde iken bobin zerinde den gerilim ve bobin akm E. 1-2 ile verilmitir [7].

ilV

dt

di LV (1)

dt L

t V I il

)( (2)

Burada lV bobin zerinde den gerilimi, l I bobin akm, dt =deiim, )(t V i giri geriliminin zamana gre deerive L bobinin endktans deerini gstermektedir .

ekil 5.Anah tarlar kesimde iken evirici edeer devresi

S 1 ve S 2 anahtarlarn ikisinin de kesimde olduu durum iin ift anahtarl buck - boost eviricinin edeer devresi iseekil 5de gsterilmitir.S 1 ve S 2 anahtarlar kesimde iken bobin zerinde den gerilim ve bobin akm E. 3-4 ilebulunabilir.

olV

dt

di LV (3)

T D L

V I

l )1(0 (4)

Buradan ift anahtarl buck - boost eviricinin dntrme oran E. 5de verilmitir.

D

D

V

V

i 10 (5)

Grld gibi tek anahtarl buck - boost eviricilerin k gerilimini tersleme zellii de ortadan kalkmtr. BuradaV o k gerilimi,V i giri gerilimi ve D darbeleme oran dr [7].

3. nerilen Kontrol Teknii

ift anahtarl buck - boost eviricinin akm ve gerilimini kontrol etmek iin iki durumlu bir kontrol sistemiuygulanmtr. Kontrol sistemi ekil 6da gsterildii gibi bir PI akm denetleyicisi ve bir PI gerilimdeneyleyicisinden olumaktadr. evirici akm referans deerle ile karlatrlarak bulunan hata deeri PIdenetleyiciden geirilerek gerilim referans deeri elde edilmektedir Elde edilen bu gerilim referans ile evirici kgeriliminden elde edilen hata sinyali PI denetleyici ile kontrol edilerek anahtarlara uygulanacak gate sinyalleriretilir [8-13]. Ay rca giri geriliminin seviyesine gre evirici buck veya boost olarak alacaktr .

PI PI PWM+ +--

I*

I

V*

VAkmDenetleyicisi

GerilimDenetleyicisi

ekil 6. Kontrol sistemi blok diyagram

Akm referans ekil 7de gsterildii gibi ilk alma annda rampa girii ile yumuak bir ykseli elde edilmitir.Akmn rampa eklinde artabilmesi iin eviricinin buck olarak almaya balamas gereklidir. Akmdenetleyicisinin k 432V deerinde snrlandrlmtr. Bylece k gerilim referans en byk deeri 432V

olarak belirlenmi olmaktadr. Eer evirici akm referans deerine ulamadan k gerilimi belirlenen referansdeeri olan 432V deerine ularsa evirici akm daha fazla arttrlmaz, evirici gerilim kontroll olarak almaya


5/9


389

devam eder. Ancak evirici akm referans olarak belirlenen 10A deerine ulatnda k gerilimi 432Vdeerinden dk olsa dahi, akm deerinin artmamas iin gerilim referans akmn amayacak deere kadar drlr ve evirici akm kontroll olarak almasna devam eder. Ayrca istenildiinde boost arj yaplabilmesimmknolabilecektir.

ekil 7. Akm referans

4. Benzetim Sonular

Benzetim almalar yaplan sistemin blok diyagram ekil 8de verilmektedir. Grld gibi giri gerilim deeriADC ile nceden belirlenerek eviricinin buck veya boost olarak alaca tespit edilmekte, buck ( S 1) ve boost ( S 2)anahtarlarnn gate sinyalleri seilmektedir. Devrede PWM anahtarlama frekans 10kHz olarak seilmitir.

-

+S1

S2D1

D2L

C R

PI PI PWM+ +--

I*

I

V*

VAkmDenetleyicisi

GerilimDenetleyicisi

G1

G2

V i

V i

Vkontrol

V

I

ekil 8. ift anahtarl buck - boost evirici ve kontrol sisteminin blok diyagram

eviricinin giri gerilimi, k gerilim ve akm ekil 9da gsterilmitir. nerilen evirici, giri geriliminin referansgeriliminden yksek olduu durumda buck evirici olarak, giri geriliminin referans geriliminden dk olduudurumda ise boost evirici olarak almaktadr.


6/9


390

eviricinin iki durum arasndaki geiinde k gerilimi ve akmnda yksek byklklerde geici tepkiler olumamaktadr. ekil 9da evirici akm referans olarak belirlenen 10Ain altndadr. Referans gerilim deerineulaldnda, akm referans deerine ulalamadndan evirici gerilim kontroll olarak almaktadr.

ekil 9. Gerilim kontroll alan eviricinin k akm ve gerilimi

ekil 10da akm kontroll olarak alan eviricinin k akm ve gerilim erileri grlmektedir. Akm referansdeerine ulatnda gerilim belirlenen referanstan dktr. evirici bu durumda akm kontroll olarak almaktave evirici k akm kontrol edilmektedir. Burada nemli olan eviricinin buck veya boost almas nceden belirlenen referans gerilimine gre deil yk durumuna gre akmn denetleyicisi tarafndan retilen gerilim referans deerine gre belirlenmelidir.

ekil 11de ift anahtarl, ekil 12de ise tek anahtarl buck - boost eviricinin buck ve boost alma durumlarndak gerilim ripllar verilmitir. ift anahtarl buck - boost eviricinin k gerilim dalgalanmas zellikle boostalma durumunda tek anahtarl eviriciden daha dktr. Buradan ayn kalitede bir k iin daha kk deerlikapasitede b ir kondansatr kullanlmasnn yeterli olaca grlmektedir .

ekil 10. Akm kontroll alan eviricinin k akm ve gerilimi


7/9


391

ekil 11. ift anahtarl buck - boost eviricinin k gerilim ripl (a) Buck alma durumu (b) Boost alma durumu

ekil 12. Tek anahtarl buck - boost eviricinin k gerilim ripl (a) Buck alma durumu (b) Boost alma durumu

ekil 13. ift anahtarl buck - boost eviricinin bobin akm (a) Buck alma durumu (b) Boost alma durumu


8/9


392

ekil 14. Tek anahtarl buck- boost eviricinin bobin akm (a) Buck alma durumu (b) Boost alma durumu

ekil 15. ift anahtarl buck - boost eviricinin kondansatr akm (a) Buck alma durumu (b) Boost almadurumu

ekil 13 ve 14de srasyla ift anahtarl ve tek anahtarl buck - boost eviricinin bobin akmlar grlmektedir.ekillerden de grlecei gibi ift anahtarl buck - boost eviricinin bobin akm tek anahtarl eviricinin bobinakmnn yarsndan daha azdr. Bu bobinin boyutlarn ve maliyetini nemli miktarda azaltmaktadr. ekil 15 ve16da ise srasyla ift anahtarl ve tek anahtarl buck - boost eviricinin kondansatr akmlar grlmektedir. Akmdeerlerinden anlalaca gibi ift anahtarl buck - boost eviricide kullanlan kondansatrn mr daha uzunolacaktr.

5. Sonu

ebeke geriliminin geni snrlar arasnda deitii ve bu nedenle buck veya boost eviricinin kullanlamayacadurumlar iin KGKlarda ak arjnda kullanlabilecek gerilimi hem alaltabilen hem de ykseltebilen bir buck - boost eviricinin MATLAB/Simulinkde benzetim almalar yaplmtr. ift anahtarl buck - boost eviricikullanlarak enerji depo edebilen elemanlarn deerlerinin dolaysyla boyutlarnn ve sistemin maliyetinin nemlimiktarda azaltlabilecei yaplan benzetim almalar sonucu gsterilmitir. Ayrca sunulan kontrol yntemi ile yk


9/9


393

durumuna bal olarak evirici akm veya gerilim kontroll olarak altrlabilmektedir. Bylece arj akm vegeriliminin uygun deerlerde kalmas salanmtr .

ekil 16. Tek anahtarl buck- boost eviricinin kondansatr akm (a) Buck alma durumu (b) Boost almadurumu

Kaynaklar

[1] Sefa I., Demirta M., Garip I., olak I., Design and Implementation of Parallel Operation Set of Alternators for Educational Purpose, J. Fact. Eng. Ar ch. Gazi Univ., 23 (3), 729-739 (2008).[2] Chen,J., Maksimovic, D., Erickson, R., Buck -Boost PWM Converters Having Two Independently ControlledSwitches, 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference, IEEE., Page(s):736- 741 vol.2. (2001).

[3] V iswanathan K., Oruganti, R., Srinivasan D., Dual-Mode Control of Cascade Buck- Boost PFC Converter, 35thAnnual Power Electronics Specialists Conference, pp:2178-2184, (2004)

[4] Ghanem, M.,C., Al- Haddad, K., Roy, G., A New Single Phase Buck -Boost Converter With Unity PowerFactor, IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. pp:785-792, (1993)

[5] Ghanem, M. C., Al- Haddad, K., Roy, G., A New Control Scheme to Achieve Sinusoidal Line Current inCascade Buck- Boost Converter, IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 43, No. 3, pp:441-449,(1996).

[6] Murali, V. S., Tsc, C., K., Chow, M., H., L., Small Signal Analysis of Single-Stage Cascaded Boost and Buck PFC Converters, IEEE Power Electronics Specialists Conference, pp:608-614, (1998).

[7] Mohan N., Unlead T.M., Robbins W.P., Power Electronics, John Wiley & Sons Ltd., England, 185-191 (2002).[8] The Mathworks Inc., MATLAB/SIMULINK Release Notes for Release 14 with Service Pack 3.[9] www.national.com Positive to Negative Buck -Boost Co nverter Using LM267X Simple Switcher Regulators

National Semiconductor Application Note 1157 November (2000).[10] Ortuzar M., Dixon J. and Moreno J., Design, Construction and Performance of a Buck -Boost Converter for an

Ultracapacitor-Based Auxiliary En ergy System for Electric Vehicles The 29th Annual Conference of the IEEEVolume 3, Issue , Page(s): 2889 2894, 2003.

[11] El Fadl H., GIRI F., Robuts Control of Motor Velocity Through DC-DC Buck Power Converter,IEEEIndustrial Electronics, IECON 2006 - 32nd Annual Conference on, 10: 1563-1568 (2006).

[12] Tasi-Fu W., Yu- Kai C., Modeling PWM DC/DC converters out of basic converter units, Power Electronics,IEEE Transactions on, 13(5):870 - 881 (1998).

[13] Linares- Flores J. And Ramirez H.S., DC Motor Velocity Control Through a DC-to- DC Power Converters,43rd IEEE Conference on Decision and Control, Bahamas 14-17, (2004).

Çİft anahtarli buck-boost Çevİrİcİ benzetİmİ

Documents