Fırat DEVECİ

Güç Elektroniğinin Vazgeçilmezi: PWM ve ADC!

  • 2 gün önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 2 Yorum
  • 36 Kişi Okudu

Güç elektroniğinin günümüzde geldiği nokta gerçekten inanılmazdır. Bu gelişmenin altında oldukça fazla araştırma alanına sahip olan yarı iletken güç elemanlarının gelişiminin yanı sıra; bunu kontrol edecek çevresel etmenlerin de artması gösterilebilir. Analog çözümlerden dijital çözüme giden yolda; mikroişlemciler, mikrodenetleyiciler sonrasında DSP işlemlerinin maksimum seviyesine ulaştığı FPGA gibi ortamlar, günümüzde güç elektroniğinin kontrol kalbini oluştururlar. Hangi dijital kontrol metodu olursa olsun, tüm güç çevrimlerini yapabilmemiz için iki birim, ADC ve PWM, dijital güç elektroniği uygulamalarında olmazsa olmaz yapılar haline gelmiştir.

Bu yazıda, güç elektroniği uygulamalarında, bir çok mikrodenetleyicinin hızla barındırmaya başladığı özel PWM ve ADC bloklarını inceleyip, ne tür mikroların elimizi kuvvetlendirirken, kontrol ve yazılım kısmında iş yükümüzü hafifletebileceği konularına değineceğiz.

PWM ve ADC Nedir?
Türkçesi darbe genişlik modülasyonu olan PWM, kısacası belirli bir frekansa sahip bir sinyalin, High ya da Low seviyesinin genişliği ile alakalı olarak özel olarak modüle edilmesi anlamını taşır. Günümüzde her timer birimine sahip olan işlemcinin yapısında PWM bulunur haldedir.

ADC ise analog dünyayı, dijitale çevirmeye yarayan bir birimdir. Tarihçesi çok eskilere dayansa da günümüzde çeşitli çevrim hızlarında, 8bit çözünürlükten 24bit çözünürlüğe kadar bulunabilmektedir.

Peki bu yazımızı yazmamıza neden olan bu birimlerin ne gibi özellikleri güç elektroniği yazılımcısı için önemlidir?

ADC Çözünürlüğü
ADC çözünürlüğü ölçülecek analog sinyalin gerçek anlamda dijitale aktarılabilmesi için en mühim özelliklerden biridir. Şu an piyasada fiyat/performans ürünlerine ve genel işlemci pazarına bakıldığında 8bit ile 12bit aralığında çözünürlüğe sahip ADC’ler bulmak mümkündür. Örneğin 220Vac bir sinyalin ölçümünü ele aldığımızda 10bit ADC ile ölçüm çözünürlüğümüz 220/1024~0.2V civarında olacaktır. Dolayısı ile ölçeceğimiz gerilimin adım sayısı +-0.2V civarında olacaktır. Özellikle ölçüm aleti gibi bir durumda bu çözünürlük yeterli görünmese de çıkış geriliminde +-%1 tolerans isteyen bir cihaz tasarımında oldukça yeterli olacaktır.

Çözünürlüğün artması her ne kadar kullanıcı açısından iyi gözükse de ölçüm gürültülerini yok etmek de o kadar başa dert olacağından yazılımcının işinin kolaylaşması açısından analog filtrelemenin ve layout tasarımının oldukça iyi olması gerekmektedir. Tüm bunların yanında çözünürlük sayısının düşmesinin de ayrıca Low-Pass filtreleme etkisi yaratacağı unutulmamalıdır.

ADC Çevrim Hızı
Güç elektroniği için ADC hızı, çözünürlükten daha önemli bir detay olarak karşımıza çıkmaktadır. Yukarıda genel hatları görülebilecek kapalı çevrim kontrolünde; sistem, kontrolcü ve geri kazanç modeli ve bu üç modelin uyumlu çalışması çeşitli katsayılar ya da kontrol algoritmaları işlenirken analog dünyada, kontrolcünün bu üç sisteme de herhangi bir etkisi ya olmaz ya da çok küçük olur ki bu görmezden gelinebilir.

Fakat dijital dünyaya geçerken sistemin ölçüm noktalarında, ADC çevrim hızının getirdiği bazı gecikmeler söz konusu olur. Bunların hepsi, sisteme etki edeceğimiz kontrol noktalarında (şu anki yazıda bu PWM oluyor) da gecikmeye neden olacağından sistemin cevabında ve özellikle kapalı çevrim modelinde değişikliklere neden olabilmektedir. Bu sorunu çözmek için ise hızlı çevrim yapabilen ADC birimleri ortaya çıkmıştır.

Şu an bulabileceğimiz işlemcilerde ADC hızları 1MSPS ile 20MSPS arasında değişmektedir. Daha yukarılara çıkmak istediğimizde özel ADC entegreleri ve değişik ara birimler kullanmak zorunlu hale gelmektedir.

PWM Bloğu
PWM bloğu çoğu işlemcide Timer birimine bağlanmış ve bu şekilde genel kullanıma açılmıştır. Güç elektroniğinin basit uygulamalarında her ne kadar bu bloklar iş görebilse de kompleks işlemler için yeterli olmayacaklardır. Bunun için kullanılması gereken PWM’ler özellikle motor sürücüler ya da inverterler için özelleşmiş, MCPWM blokları olacaktır.

MCPWM bloklarında en önemli özellik complementary çalışmaya uygun olmaktır; bunun anlamı PWM bloğunun dead-time gibi süreleri kendileri belirleyebilmesidir. Bunun için aşağıdaki örnek motor sürücü bloğu ele alınabilir.Yukarıdaki blok incelendiğinde AC’den basit bir şekilde köprü diyotla DC elde edildiği görülebilir. Power modülün içerisinde üst üste konulmuş anahtarlar görülebilir; bu anahtarlar uygun koşullarla açılıp kapatılarak motora enerji verilir ve istenilen şekilde çalışması sağlanır. Burada görülebileceği üzere alt ve üst anahtarlar hiç bir çalışma koşulunda aynı anda açılmaması gerekmektedir. Özellikle yüksek frekans ve her bir PWM periyodunda, değişik duty değerlerinde bunun korunması için uygulanacak komut sinyallerinin aşağıdaki gibi olması gerekmektedir. Görülebileceği üzere bu şekilde çalışmada çiftli anahtarlardan biri açılmadan önce diğeri kapanmaktadır.

Bir diğer MCPWM çalışma özelliklerinden biri ise PWM’ler arasında faz farkları oluşturabilmektir. Bu şekilde özellikle güç elektroniğinde interleaved gibi çalışmalar yapılabilmektedir.Yukarıda 50kHz 4 kanal PWM bloğunda %20 duty oranında, 90 derece farklı sinyaller görülebilir. Normal çalışan, 4 paralel klasik buck ya da boost devresini interleaved çalıştırarak çıkış kapasiteleri ripple akım değerini 1:4 oranında küçültmek mümkün olabilmektedir. Aşağıda kendi aldığım 3’lü interleaved çalışan bir uygulamadaki akım deseni görülebilir. Interleaved çalışmanın en büyük avantajı, kapasitelerin gördüğü frekansı PWM sayısı ile katlanmış şekilde görmesidir. Dolayısı ile az sayıda kapasitör kullanarak hem maliyet avantajı hem de yer kazancı sağlanmış olur.

Programcı İçin Kolaylık: PWM-ADC Senkronizasyonu!
Günümüzde çoğu güç elektroniği uygulaması içerisinde mikrodenetleyici barındırmaktadır. Bunun bir tarafında müşteri isteklerine kolay adaptasyon, esnek tasarım yer alırken diğer yanında ise kopyalamaya karşı koruma yer almaktadır. Mikrodenetleyicilerin gücü arttıkça, biz güç elektroniği programlayıcılarının kontrol anlamında kompleks işlemler yapabilmesi kolaylaşırken, özellikle hız ve ölçüm anlamında elimiz kuvvetlenir. Bu kuvvetin artmasının altında işlemcinin PWM-ADC birlikteliği önemli rol oynar.

Dijital güç elektroniği yazılımı yapılırken, öneli konular arasında, analog tasarımdaki kontrolün eşleniğinin dijital olarak benzetilmesi yer alır. Bunun için ise distorsiyondan uzak, iyi bir ölçüm ve hızlı reaksiyon süresi iyi bir kontrolün başında gelir. İşlemcilerde bu anlamda yer alan center-aligned PWM metodu ve ADC ölçüm noktası belirleme bu anlamda ciddi önem arz eder.PWM/ADC uyumluluğuna iyi bir örnek olarak center-aligned pwm çalışma mantığı gösterilebilir. Yukarıdaki şekil incelendiğinde PWM duty değerlerinin, PWM sayıcısı değerini ortaladığı görülebilir. PWM sayıcısının maksimum ve minimum olduğu yerlerde alınabilecek ADC ölçümlerinin ortalaması, bobin üzerindeki akımın ortalama değerini verecektir. Bu özellikle Buck, Boost, PFC, Inverter veya motor uygulamaları gibi bir çok alanda kolayca ve gürültülerde uzak bir ölçüm yapılacağı anlamına gelir; çünkü bu ölçüm noktaları, anahtarlamanın ve transient anların uzağında, bobin akımının yükselen veya düşen kenarlarının tam ortasında yer aldığından kontrol işlemlerinin hızlı bir şekilde bitmesi mümkündür.

Mikrodenetleyici işlemci bloklarında çok daha özelleşmiş PWM/ADC işbirliği görmek mümkündür.

Sonuç Olarak
Günümüzde denetleyiciler çok yüksek hesap kabiliyetleri, hızları, ölçüm sistemlerinin gelişmişliği ile yazılımcılara kompleks işlemleri kolayca yapabilme imkanı sunmaktadırlar. İşlemci dünyası çok hızlı gelişirken, güç modülleri tarafında ise SiC ve GaN gibi malzemelerin kullanıcılara inmesiyle önümüzdeki yıllarda özellikle enerji/hacim oranın oldukça artacağı aşikardır.

Konu ile ilgili tüm sorularınızı bana yorum bölümünden iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

  1. Fatih dedi ki:

    Faydalı bir yazı olmuş. Ellerinize sağlık.

  2. Nurettin Cengiz dedi ki:

    Anlatım çok güzel, teşekkürler.

Yorum Yazınız

error: Content is protected !!