Fırat DEVECİ

Dijital Güç Elektroniği

  • 5 ay önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 4 Yorum
  • Genel

Güç elektroniği, her gün yenilenen, özellikle doğaya dokunduğu için malzeme mühendisliği dahil, mekanik ve fiziksel bir çok konunun sürekli takip edilmesi gereken bir mühendislik dalı halindedir. Dalın içine adımımı attığım ilk yıllardan bugünlere değin, yeni malzemelerle birlikte gelişimini sürdüren bu alan için en büyük adımın gelişen mikrodenetleyiciler olduğunu daha önce burada olduğu gibi bir çok kez dile getirmiştik. Tabi ki sadece mikrodenetleyiciler değil, gelişen ADC modülleri, FPGA’ler ve bunların hızlarına ayak uydurabilen GaN gibi elemanlar da çok özel alanlarda ufuk açmaya devam etmektedir.

Tüm bunlar ele alındığında, bugün kendini geliştirmeye çalışan tasarımcının önünde bir soru belirir: Dijital güç elektroniği bizlere neler katıyor ve en önemlisi bunu öğrenmeli miyim? Bu soruya aşağıda ele alacağımız başlıklarla cevap aramaya çalışalım…

Uygulamada ve Tasarımda Dijital Güç Elektroniği

Dijital güç elektroniği ile analog güç elektroniğini ayıran en önemli unsurlardan bir tanesi; bir yöntemin sürekli diğerinin ise kesikli zaman aralıklarında çalışmasıdır. Tasarım açısından bakıldığında, matematik olarak sürekli sistemi, süreksiz sisteme dönüştürmek mümkün olsa da analog sistemler, sürekli sistem kontrolü nedeniyle bir adım öne çıkmaktadır. Bu dediğimiz basit yapılarda tutarlı olsa da, birbirine kaskat bağlı karmaşık sistemler ele alındığında analog kısmın da dezavantajları ortaya çıkmaya başlar. Burada tasarımcının karşılaşacağı en büyük problem, ilgili problemin çözümü için analog mu yoksa dijital yolu mu seçeceğidir. En son da söyleyeceğimizi en başta belirtelim: bir proje için kesin olarak şu güçler altında analog iyidir ya da şu güçler üstü dijital iyidir demek çok mümkün değildir. Bu tamamen yapılacak işin doğasına, tasarımcının yeteneğine, yapılacak işin karmaşıklığına bağlı olarak değişir.
Bunun yanında dijital ve analog güç elektroniği kullanarak tasarlanan bir proje ya da cihazın tasarımı yaptığımızda nelerle karşılaşabileceğimizi aşağıdaki başlıklarda ele alalım…

a) Sinyal Kullanım Tipleri
Analog güç elektroniğinde sürekli sinyaller kullanıldığından, bunları dönüştürecek opamp gibi elemanları iyi tanımak gerekmektedir. Analog kısımda kontrol genel olarak bir analog kontrolcü ile yapıldığından, tüm gerilim, akım dönüşüm oranları bu kontrolcüye has seçilmek zorundadır. Dijital kısımda ise denetleyiciler ağırlık olarak 3.3-5V gibi gerilimler ile çalıştıklarından, gerilim ve akım dönüşüm oranları bu gerilimler baz alınarak yapılabilir ve genel anlamda kontrolcü bağımsız tasarım yapılabilmenin önü açık olur. Tasarım ve tasarımcının konforu açısından dijital kontrol bu kısımda analoğun önüne geçer. Sonuç: Dijital: +1.

b) Komponent Kullanımı
Analog kısımda daha önce bahsettiğimiz üzere kontrolün kalbini belirli kontrolcüler oluşturur. Eğer cihazda kompleks bir yapı varsa; akım, gerilim, güç, sıcaklık gibi kontroller yapılmak isteniyorsa özellikle opamp gibi yapı blokları çok sık kullanılacaktır. Ayrıca tüm bu akım, gerilim limitleri gibi değerler için sıcaklıkla değişmeyen referans kaynaklarına ihtiyaç duyulacaktır. Bunların hepsi tasarım alanında yer kaplayacak, hem fiyat hem de alan kaplayacaktır. Dijital kısımda ise feedback gerilim seviyeleri, uygun değerlerde ayarlandıktan sonra denetleyici bölümünde daha fazla elemana özel durumlar hariç ihtiyaç duyulmayacaktır. Örneğin akım, gerilim, güç ve sıcaklık kontrolü yapılacak bir güç kaynağında, tüm işlemler yazılım tarafından yürütüleceği için ilgili ölçümlerin işlemciye girmesi yeterli olacaktır. Sonuç: Dijital: +1.

c) Verim Karşılaştırması
İster analog ister dijital kontrol yöntemi olsun çoğu uygulamada ana güç katı aynı kalmaktadır. Verim kıyaslaması yaparken genel kanı, iki kontrolde de verimlerin birbirine eş çıkacağı yönündedir. Yalnız genellikle analog kontrolcüler esneklikten uzak yapılar olduğu ve bu esnekliği kazandırmak zor olduğundan verim artırıcı bazı önlemleri almak zorlaşabilir. Dolayısı ile dijital kontrolde, yazılımda yapılabilecek bazı kolay uygulamalarla verim artırmak analoğa göre daha kolay olabilmektedir. Sonuç: Dijital: +1.

d) Noise, Distortion ve Kötü Layout’a Dayanım
Elektronik tasarım yaparken her zaman bizleri sınırlayan fiziksel bir alan vardır. Bu fiziksel alan bazen istediğimiz şekilde layout düzenlemesi yapmamızı zorlaştırır. Bu gibi durumlarda devre ölçümlerinde, toprak hatlarında istemediğimiz parazit sinyaller oluşabilir. Fiziksel kısıtlardan dolayı, bunu iyileştiremediğimiz durumlarda ve özellikle zaman kısıtlı tasarımlarda dijital elektronik analoğun bir adım önüne geçer. Çünkü gelen bozuk sinyali yazılım ile filtreleyerek ya da dönüştürerek kullanmak bazı durumlarda dijital kontrol ile mümkünken, analog tasarım sürekli sinyal işlemesi nedeniyle bir çok sorunu beraberinde getirir. Bu açıdan bakıldığında analog devrelerin daha layout sensible olduğu söylenebilir. Elbette ister analog ister dijital kontrol olsun, ölçüm sinyallerinin temizliği her tasarımda önemlidir. Sonuç: Dijital: +1.

e) Güvenlik
Bir tasarımcıda olması gereken mutlak özelliklerden bir tanesi kullanıcının ve cihazın güvenliğini riske atmayacak tasarımı yapabilme kabiliyetidir. İlgili cihaz için güvenlik şartları ve standartları sunulmuş olsa da konu ister analog isterse dijital kontrol olsun tüm önlemlerin alınması gerekmektedir. Analog tasarımda tüm bu önlemler kontrolcünün ve çevresinde gelişen analog yapılarla mümkün olmaktayken, dijital tarafta ise bunlar hem yazılım hem de donanım korumalarıyla sağlanır. Yazılım tarafında Class B ve daha üst güvenlik korumaları alınmış olsa da analog korumalar, yazılıma kıyasla daha robust çalışan sistemler olduğu için burada analog, dijital korumaların bir adım önündedir. Sonuç: Analog: +1.

f) Uygulama ve Öğrenme Kolaylığı
Analog tasarımlarda kontrolcülerin nasıl kullanılması gerektiği, onlarla yapılmış uygulama notlarına bakarak öğrenmek kolaydır ve firmalar bunu bizlere sunarlar. Ekstra özellikler kullanmayacaksak, genellikle analog tasarımlar daha kolay sonuçlandırılır. Dijital kısımda ise uygulamalar çok farklılık gösterdiğinden temel fonksiyonlar haricinde örnek bulmak oldukça zordur. Matematik işlemler ve bunların bilinmesi tek başına yeterli değildir; kullanılacak işlemcinin tanınması, efektif kod yazabilmek gibi bir çok detay dijital elektronik tasarımı zorlaştıran bölümlerdir. Bu yüzden analog kontrolcü ile tasarım yapmak ve öğrenmek, dijital kontrol yapmaya kıyasla daha kolaydır. Bu yüzden çoğu güç elektroniği tasarımcısı, hayatına önce analog kontrol ile başlayıp sonrasında dijital kontrole geçiş yapar. Sonuç: Analog: +1.

g) Kontrol Tepki Hızı
Başından beri kıyasladığımız iki olgu yani analog ve dijital güç elektroniği, aslında kontrol üzerine geliştirilmiş iki yöntemdir. Kontrol dediğimiz yöntemde ise temel olarak, tepki hızları ele alınır. Bu yöntemler kıyaslandığında analog tarafın, kesintisiz ölçüm ve işleme yeteneği nedeniyle dijitalden çok önde olduğu görülür. Yalnız gelişen teknoloji, yazılım teknikleri ve bunların getirdiği yenilikler, dijital dünyayı gün geçtikçe analog kontrol dünyasına yaklaştırmaktadır. Fakat sonuç olarak bu kısımda analog kontrolün gücü barizdir. Sonuç: Analog: +1.

h) Kompleks Sistem Kontrolü
Günümüzde basit güç dönüşümleri hariç sistemler çok kompleks hale gelmiştir. PFC, motor sürücüler, inverterler, güç dönüşümü için kullanılan yeni topolojiler ve malzemelerle artan hızda hayatımıza girmektedir. Analog kontrolcüler her ne kadar bunlara yetişmeye çalışsalar da konu esneklik ve kompleks sistem kontrolü, multilevel kontroller, motor sürücüler vb. işlemler olduğunda dijital kontroller bir adım öne çıkmaktadır. Sonuç: Dijital: +1.

i) Shortage Problemine Karşı Çözüm
Analog güç uygulamaları, baştan beri bahsettiğimiz üzere kontrolcü entegreye bağımlıdırlar. Özel uygulamalar için seçilen ve bir çok firma tarafından alternatifi bulunmayan analog kontrolcülere ulaşılamadığında ya da tedarik süreleri çok uzadığında, üretimin önünü tıkamamak adına yeni analog entegre bulma gerekliliği oluşur. Yeni entegreye uyum süreci ise çok uzayabilir. Bunun önüne geçmek için yetenekleri az fakat bir çok firma tarafından üretilen alternatif analog kontrolcülere yönlenebilir ya da değişime göz yumarak zamandan feragat etmek zorunda kalırız. Dijital dünyada da benzer sorun sıklıkla yaşanır fakat burada özellikle birbirine yakın işlemci grubunu seçerek bu problemin aşmak yazılım taşınabilirliği nedeniyle bir nebze daha hızlı olabilir. Bu bölümde gerek analog gerekse işlemci değiştirme zorluğu birbirine yakın olduğundan, iki alanda bu konuda yenişemez. Sonuç: Analog ve Dijital: 0.

j) Üretim, Test ve Kopya Koruma
Buraya kadar tasarımımızı ele aldık, sorunlarımızı aştık ve artık sıra, ayda binlerce ürün üretmeye geldi: Analog kontrolcü ile yapılan bir tasarımda, referans noktaları teker teker ölçülmeli, küçük gerilim ya da akım ayarları elle müdahale ile yapılmalı (direnç sökümü, pot ayarı yapımı vs.) ve kritik noktalar teker teker kayıt altına alınmalıdır. Buna karşın bunca yatırım, test, mühendislik hizmeti harcadığınız analog tasarımınızın rakiplerinizce ele geçirilip, kolayca devre şemasının çıkarılıp kopyalanması, analog tasarımlarda çok sık görülmektedir. Dijital tarafta ise elbette yine test koşturmak gerekecektir, fakat haberleşme gibi analog kısımda olmayan çözümlerle, test jigi ve tasarım konuşturularak hızlı ve güvenilir test adımları koşabilmek mümkündür. Tolerans dışı ya da içi durumlar göz önüne alınarak, akım, gerilim, güç, sıcaklık gibi değerler haberleşme yoluyla kalibre edilebilir. Dolayısı ile analog cihazlarda olduğu gibi direnç ya da pot ayarı gibi durumlar ortadan kalmış olur. Bunun yanında onca emek verilmiş tasarımın kalbi, yazılımda olacağı için, okumaya karşı koruma alınmış bir tasarımın kopyalamaya karşı iyi bir koruması olacaktır. Sonuç: Dijital: +1. Yukarıdaki 10 maddeye baktığımızda dijital kontrol avantajları için 6 puan, analog için ise 3 puan alındığı görülebilir. Elbette bu puanlama uygulamadan uygulamaya değişse de günümüzün karmaşık sistemlerinin neden dijital güç elektroniğine kaydığı kabaca görülebilir. Yukarıdaki maddeler ele alındığında;

– Dinamik yükler için daha stabil güç kaynağı yapmak,
– Kısa sürede tasarım yapmak,
– Nispeten daha az kompleks sistemlerde,
– Daha robust sistemler için

analog kontrol ve tasarım yöntemi izlenebilir. Yine aynı yöntemle;

– Dizayn esnekliği açısından,
– Kolay modifiye edilebilmesinden (PID gibi kontrol katsayıları, kalibrasyon vs.)
– Haberleşme, log tutma, daha esnek korumalar için,
– Yeni sistemlere ve topolojilere kolay adaptasyon için

dijital kontrol ve tasarım yöntemleri izlenebilir.

Hibrit Çözümler
Mikrodenetleyicilerin çok gelişmemiş, performanslarının düşük olduğu dönemlerde analog ve dijital elektronik bir arada kullanılır ve uygulamalar hibrit şekilde ilerlerdi. Özellikle tasarlanan güç elektroniği uygulamasında, haberleşme, bilgi veren ekranlar gibi olgular istendiğinde bu yöntem çok tercih edilirdi. Günümüzde de yine bu uygulama özellikle fiyat performans istenen ya da robust güç kaynaklarında tercih edilse de uygulama alanı sınırlı kalmaktadır. Hibrit çözümün getirdiği en önemli özellik işlemcilerin sağlayamadığı hızlı tepki süresini avantaj olarak kullanıp, analog tasarımın sağlayamadığı esnekliği işlemcilerle desteklemekten geçer.

Sonuç Olarak…
Kendini güç elektroniğine adamış her tasarımcı, mutlaka ama mutlaka analog tasarımı öğrenmek zorundadır. Öğrenilen analog kısımlar sadece kontrol katını değil ayrıca güç ve ölçüm katını da içerdiğinden tasarımcının bu alana hakim olması şarttır. Kontrol kısmında bir analoji yapacak olursak; analog kontrol katları, katı lego parçaları olarak görülebilir. Eğer siz bundan bir ev yapacaksanız, belirli blokları bir araya getirerek şekli oluşturmanız gerekmektedir; bunun için uygun blokları, uygun diğer parçalarla birleştirmelisiniz. Bunun yanında dijital kontrol katlarını ise oyun hamuruna benzetebiliriz. Oyun hamurunu ev haline getirmek zor olsa da, sonuçta kalıp bloklar dışına çıktığımızdan esnekliğimiz oldukça artacaktır.Sektöre yeni başlamış ya da bu sektörde biraz zaman geçirmiş kişiler yavaş yavaş kompleks tasarımlara yönelmek istiyorlarsa önerim; analog dünyadan kopmadan bir yazılım dili öğrenerek, yavaş yavaş dijital dünyaya adım atmaları olacaktır. Çünkü gelişen yenilenebilir güç elektroniği, elektrikli araçlar ve yeni teknolojiler ile oluşturulan yeni multilevel topolojiler, bizleri analog dünyadan alıp, dijital kontrolün kucağına itmektedir.

Konu ile ilgili görüşlerinizi yorum bölümünden iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim!

  1. Mehmet dedi ki:

    Merhabalar fırat hocam, Dijital güç elektroniği kontrol yazılımlarının matlab vb. gibi programlarda yapılan blok tasarımlar üzerinden alınması hakkında düşünceleriniz nelerdir sizce efektif bir yöntem mi acaba ?

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Merhabalar,
      Dijital güç elektroniğinde Matlab elbette kullanılabilir. Gelişmiş blokları, belirli standartlarda oluşturduğu kod öbekleriyle bir çok işimizi kolaylaştırır.
      Yalnız Matlab güçlü bir işlemciye ihtiyaç duyar, çıkardığı kodlar optimize edilmemiş olabilir ve bu yüzden fazla kaynak tüketebilir. Eğer projenizde işlemci fiyatı, proje toplam fiyatının yanında küçükse Matlab tercih edilebilir, fakat fiyat burada önemliyse Matlab’ten fikir alınabilir ama maalesef yine dönüp dolaşacağımız yer C/C++ hatta yerine göre ASM’dir.

  2. Seda dedi ki:

    Fırat bey merhaba öncelikle teşekkür ederim değerli paylaşımlarınız için.
    Ben 3. sınıf öğrencisiyim öğrenmek için analog flyback tasarımı yaptım şimdi aynısını STM32 ile yapmak istiyorum. Ama kafam şurada karışıyor: Analog tasarımda ilk enerjiyi DC bara dirençleri tarafından sağladım sonrasında ise aux sargısı ile devam ettik. STM ye ilk enerjiyi nereden vereceğiz yine dc bara mı kullanılacak?

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Merhaba Seda Hanım,

      Aux’u o şekildede alıp yapabilirsiniz yalnız en iyi yöntemlerden biri 310V gibi bir DC bara geriliminden 5 ya da 12V gibi gerilimler üreten bir buck dönüştürücü kullanmak ya da STM beslemek için ayrı küçük bir Flyback yapmak…

      Kolay gelsin.

Bir Yorum Yazın

error: Kopyalama Yasaktır, Eğer Bilgi İçeriğini Almak İstiyorsanız İletişim Bölümünden Yazara Ulaşın!