Elektrik veya elektronik ile çalışan herkes bilecektir ki AC ve DC, elektriğin iki temel formudur ve her biri farklı uygulamalarda önemli rol oynamaktadır. Tesla ve Edison’dan beri savaş halinde olan bu iki kardeş form günümüzde birçok alanda ortaklaşa kullanılmaktadır. Hatta öyle ki güç elektroniği uygulamalarının neredeyse yarısı DC/AC ya da AC/DC olacak şekilde bu iki formun birbirine dönüştürülmesi üzerinedir. Gelişen yarı iletken teknolojisi ile birlikte daha önce ele aldığım multilevel dönüştürücüler ve gelişen mikrodenetleyiciler ve kontrolcüler gibi teknolojik yenilikler sayesinde AC->DC ya da DC->AC dönüşümleri hem daha karmaşık hem de daha yetenekli bir hal almıştır.

Tüm bu dönüşümlerin geliştirme süreçleri içerisinde DC güç kaynaklarını daha önce burada ve burada gösterdiğim gibi çok uygun fiyata bulmak mümkünken, aynı durum maalesef AC güç kaynakları için geçerli değildir. Bir AC güç kaynağında, gerilim akım ayarlamalarının yanında DC güç kaynaklarından farklı olarak frekans kontrolü de isteriz. Korumalar da düşünüldüğünde sistemin DC’ye göre ne denli karmaşık olduğu ortaya çıkar. Tabi ki tüm bunlar yerine ayarlı varyak da kullanılabilir fakat deneyimleyenlerin bileceği gibi yüke göre gerilim değişmesi, frekans ayarlayamama gibi birçok etmen AC güç kaynağının gerekliliğini ortaya koyar.

Ayarlı AC Güç Kaynağı Tasarımı
Ac güç kaynağında belirlenmesi gereken en önemli konu güç, gerilim, akım ve frekans değeridir. Yaptığım birçok deneysel çalışmada ev kullanımı için 1kW güç değerinin, 0-300Vrms gerilim aralığının ve frekans olarak da 0-100Hz, akım için ise 230V düşünüldüğünde 5Arms civarının, 115V civarında ise 10Arms değerinin yeterli olacağını düşünüyorum. Elbette profesyonel cihazlarda bu deperlerin çok daha üst olduğunu kabul ediyorum fakat her bir özelliğin cebimize yansıyacağını da unutmamak gerekiyor. Bunların ışığında tasarlamayı düşündüğüm AC güç kaynağının özelliklerini aşağıdaki tabloda görebilirsiniz.Yukarıda özelliklerini saydığım cihazın yapılabileceği birçok topoloji olsa da ben, yapıyı olabildiğince basit tutmak istediğimden, giriş çıkış izolasyonu olmamasına karar verdim.

Ayarlı AC Güç Kaynağı Topoloji Seçimi
Ayarlı AC güç kaynağı olarak literatür araştırması yaptığınızda karşınıza birçok seçenek çıktığını göreceksiniz. Ayarlı AC güç kaynakları, özellikle de izolasyonsuz seçtiğimiz için, günümüz Online UPS’lerine çok benzemektedir. Online UPS’ler girişlerinde bir adet AC/DC dönüştürücü PFC ve çıkışlarında ise DC/AC çevirici inverter bölümlerine sahiptirler. Fiyat performans konusunda oldukça uç noktada olan bu UPS’leri incelemek bizler için çıkış noktası oluşturacaktır.Yukarıda şekli görülebilecek 1kVA East marka UPS’i bu konuda incelemek üzere edindim. UPS; 2 adet 7Ah aküsü, kutusu ve garantisi ile birlikte 100$+KDV mertebesine alınabiliyor. Bu açıdan bakıldığında UPS sektöründe rekabetin oldukça yüksek olduğu görülebilir. Bu yüzdendir Türkiye’de satışta olan, özellikle market ürünü düşük güçlü UPS’lerin çoğunun uzak doğu menşeili olduğunu söylemek isterim. Cihazı incelediğimizde ise, karmaşık gözükmesine karşın, oldukça basit bir topolojik yapıya sahip olduğu görülür. Akü şarj, deşarj ve bypass kısımları çıkarıldığında AC/DC yani PFC bölümünde “Vienna Rectifier” ile karşılaşırız. DC/AC dönüşümü, inverter bölümünde ise “2-Level Inverter” topolojisi karşımıza çıkmaktadır. Dolayısı ile 3 adet izole sürücü devresi ile robust ve ucuz, tek yönlü AC->AC dönüşümü bu şekilde gerçekleşmiş olur.

Bende yapacağım tasarımda aynı yapıyı kullanma kararı aldım. Verimden feragat edip tek anahtarla PFC bölümü yapabilmek ve yine verimi düşük olsa da 2-Level inverter kullanmak tasarıma oldukça sadelik katacaktır. Daha farklı PFC topoloji seçimleri için daha önce burada yazdığım yazıyı okuyabilirsiniz.

PFC Bölümü (AC to DC): Vienna Rectifier
Vienna rectifier adından da anlaşılacağı üzere 1993 yıllında, Avusturya Viyana’da Johann W. Kolar tarafından geliştirilmiş ve o dönemden beri popüler doğrultucular arasına girmiştir. Birçok topolojik anahtarlama şekli olsa da bizim burada kullanacağımız yöntem en bilinenler arasındadır. Bu güçlerde genellikle Totem-Pole topolojisinin çok sık kullanıldığını uygulama notlarında görebilirsiniz. Her iki topolojiyi kıyasladığımızda aşağıdaki sonuçlara ulaşırız (tablo üzerine tıkladığınızda büyüyecektir).Firmaların uygulama notları genellikle kendi ürünlerini ön plana çıkarmak olduğu için özellikle tek fazda, SiC ve GaN bileşenlerle çok fazla görebilirsiniz. Yalnız klasik totem pole dönüştürücülerin çıkışındaki DC bara, dünya toprağına karşı float kaldığı için filtrelemelerde çok daha sıkıntılı bir durum oluşturacaktır. 4 anahtarn özellikle kapalı olduğu anlarda toprağa karşı çok yüksek common mode gürültüleri oluşacaktır. Bu da girişte yüksek katta filtre ile bastırılmak zorunda kalacaktır.

Vienna rectifier gibi nötr kullanan sistemlerde bu sorun minimize olur. Dolayısı ile daha daha az EMI filtre ile sistemi çalıştırmak mümkün olmaktadır. Sonuç olarak, eğer ilgili güçlerde verim çok yüksek istenmiyor ve yüksek gerilimler de sorun oluşturmuyorsa vienna rectifier PFC için iyi bir alternatif olur. Bu yüzden, yol kenarlarında gördüğümüz, günümüz elektrikli araç supercharger modüllerinin PFC katında hâlâ klasik silikon mosfet ve diyotlarla vienna rectifier’ı görebilirsiniz.

Vianne rectifier topolojisinin çalışmasını ele alacak olursak; öncelikle şebeke alternansının pozitif olduğu anı gözden geçirmek gerekecektir.Yukarıda şebeke alternansı pozitif iken (diagramda + olarak belirtildi) öncelikle Q1 anahtarı iletime sokulur. Tam bu an akım 1 nolu yolu takip ederek akacak ve bobin üzerinde enerji depolanacaktır. Q1 anahtarı kesime götürüldüğünde, bobin akımı hemen sıfıra inemeyeceği için, 2 nolu yolu takip ederek, üst bölümde bulunan kapasiteyi şarj edecektir. Burada kalsik bir boost converter yapısını net görebilirsiniz.Şebeke alternansı değiştiğinde ise akım yolu değişecektir. Yine aynı Q1 anahtarı iletime sokulur ve akım 1 numaralı yolu takip eder. Daha sonrasında Q1 anahtarı kesime götürüldüğünde, bobin akımı yine hemen sıfıra inemeyeceğinden, 2 numaralı yolu takip ederek aşağıdaki kapasiteyi şarj etmiş olur. Bu şekilde her iki alternansta da bara şarj olmuş olur. Alternans geçişlerinde ise DC barayı kapasiteler ayakta tutar.Vieanna rectifier’ın anahtar üzerinde oluşturacağı sinyal yukarıdaki gibi olacaktır. Yapı kendiliğinden
3-Level şekilde çalıştığından, hem frekansı artırmak hem de PFC bobinini küçültmek mümkün olmaktadır. Literatürü araştırdığınızda bobin sonrasındaki hızlı diyotların, köprü diyot üst ve altına bağlı yapıları da görebilirsiniz. O tür yapılarda özellikle Q1 anahtarı kapatıldığında, 2 numara ile bahsettiğim akımlar, 2 adet seri diyottan geçtiği için verim kaybı biraz daha fazla olmaktadır. Ben burada klasik 1000V köprü diyot, çalışma hızına bağlı olarak 650V Si, SiC ya da IGBT anahtar ve 1200V SiC hızlı diyotlar seçerek, toplamda 7 eleman ile PFC bölümünü tamamlamayı düşünüyorum.

Inverter Bölümü (DC to AC): 2-Level Inverter
PFC sonrasında elde ettiğimiz stabil DC baradan sonra bunun kıyılıp AC sinyal elde edilmesi ve projenin nihai hedefine varmak için en basit kıyıcı olan 2-Level Inverter topolojisini seçtim. Bu topolojinin çalışması öncelikle Q2 anahtarının iletime sokulmasıyla başlar.İletime geçen Q2 anahtarı ile yüke doğru 1 numaralı akım akmaya başlar. Sonrasında Q2 anahtarı kesime götürülür ve akım alt anahtarın diyodundan yüke doğru akar. Bu şekilde uygun duty ile DC kıyılarak çıkışta sinüs sinyalin, pozitif alternansı oluşturulur.Negatif alternans için ise Q3 anahtarı iletime sokulur ve ters yönde akım akması sağlanarak, sinüsün negatif alternansının oluşması sağlanır. Q3 kesime gittiğinde ise akım 2 numaralı yolu takip eder. Hem pozitif hem de negatif alternans için devrenin çalışma mantığı buck converter’a oldukça benzemektedir.Sistemin modülasyonunu da yukarıdaki gibi yaptığımızda kesintisiz bir sinüs oluşturmak mümkün olmaktadır. Yalnız 1 ve 2 numaralı akım yollarından dolayı, anahtarlar baranın tüm gerilimine maruz kalmaktadır. Bu yüzden inverter katı, PFC gibi çok yüksek frekanslara, verimi düşüreceğinden dolayı çıkamayacaktır. Burada ise 1200V SiC ya da IGBT anahtar kullanmayı hedeflemekteyim.

İlk Bölümü Bitirirken…

Uzun zamandır yapmayı düşündüğüm ayarlı AC güç kaynağının temellerini bu şekilde oluşturmuş oldum. Sitemde parça parça anlattığım birçok konunun kullanıldığı bu projenin gerek teorik gerekse uygulama üzerinde güzel bir kaynak olacağına inanıyorum. Süreç içerisinde bazı isterler değişebilecek olsa da bu yazı ile temellerini ortaya koyduğum cihazın parça parça ortaya çıkışını buradan paylaşıyor olacağım.

Gelecek bölümde; teorik olarak PFC ve inverter bobin, kapasitör seçimlerini yaptıktan sonra simülasyon üzerinden koşup anahtar elemanlarını, sonrasında ise gerilim, akım ve sıcaklık ölçecek sensörler ile ölçüm yöntemlerini belirleyerek tasarıma devam etmeyi düşünüyorum.

Bir sonraki bölümde görüşmek dileğiyle.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.