Gerilim ve akım kontrollü düşürücü tip dönüştürücü tasarımı ve uygulaması

Year 2023, Volume: 13 Issue: 3, 566 - 579, 15.07.2023

Tolga Özer , Atakan Kaboğlu

https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1215550

Abstract

Bu çalışmada gerilim ve akım kontrollü düşürücü tip dönüştürücü devresinin tasarımı ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Alçaltıcı tip dönüştürücü devresinin giriş ve çıkış gerilimleri sırasıyla 20-24V ve 5V olarak tasarlanmıştır. Devrenin tasarımı çıkış akımı 10 Amper’e dayanabilecek şekilde gerçekleştirilmiştir. Simülasyon ve gerçek zamanlı uygulamada mikrodenetleyici olarak PIC16F877, anahtarlama elemanı olarak ise IRFZ44N tip MOSFET kullanılmıştır. Geliştirilen devrenin anahtarlama frekans değeri 10kHz olarak belirlenmiştir. Devre tasarımında MOSFET sürücü entegresi olarak IR2101 kullanılmıştır. Tasarım aşamasında belirlenen değerlere göre komponentler seçilmiş olup devrenin ilk etapta simülasyon uygulaması gerçekleştirilmiştir. Simülasyon ortamında geliştirilen model ile tasarlanan DA düşürücü çeviricinin simülasyon ve deneysel verileri karşılaştırılmış ve sonuçların birbirini desteklediği gözlenmiştir. Simülasyon ve gerçek zamanlı devre uygulamasında 0.5Ω ile 4.8Ω değerleri arasında yedi farklı durum için yük testleri gerçekleştirilmiştir. Hem simülasyon hem de deneysel olarak PWM sinyalleri, yük akımı ve yük gerilimi değerleri gözlenmiştir. Gerçek zamanlı devre uygulamasında sistemin verim değerleri %70-%77 aralığında elde edilmiştir. Böylelikle geliştirilen gerilim ve akım kontrollü düşürücü tip dönüştürücü devresinin başarılı bir şekilde simülasyonu ve uygulaması gerçekleştirilmiştir.

Keywords

Akım denetimi, Düşüren Dönüştürücü, Gerilim denetimi, PIC16F877 Mikrodenetleyici, PWM

Design and implementation of voltage and current controlled buck converter

Abstract

In this study, the voltage and current-controlled buck converter circuit design and implementation was carried out. The input and output voltages of the buck converter circuit were designed as 20-24V and 5V, respectively. The design of the circuit was carried out so that the output current could be withstand 10 Amperes. PIC16F877 is used as a microcontroller, and IRFZ44N type MOSFET is used as a switching element in simulation and real-time application. The switching frequency value of the developed circuit is determined as 10kHz. IR2101 is used as the MOSFET driver IC in the circuit design. Components were selected according to the determined values during the design phase. The simulation and experimental data of the designed DC step-down converter were compared. It was observed that the results supported each other. It has been ensured that the systems work in harmony with each other. The load tests were performed for seven situations between 0.5Ω and 4.8Ω values in the simulation and real-time circuit application. PWM signals, load current, and load voltage values were observed both in simulation and experimentally. The efficiency values of the system were obtained in the range of 70%-77% in the real-time circuit application. Thus, a successful simulation and application of the developed voltage and current controlled buck converter circuit was realized.

Keywords

Current controlled, Buck Converter, Voltage controlled, PIC16F877 Microcontroller, PWM

References

• Alagöz, B. B., Keleş, C., Kaygusuz, A., Kaplan, Y., & Karabiber, A. (2016). Power regulated DC/DC driver design by hierarchical control. Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences, 24(3), 1325-1339. https://doi.org/10.3906/elk-1312-19
• Aslan, F. (2019). Fotovoltaik panel destekli batarya şarj/deşarj devresi tasarımı ve simülasyonu [Yüksek Lisans Tezi, Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Birkan, M. (2021). Fotovoltaik sistemler için yüksek kazançlı DA-DA dönüştürücü tasarımı [Yüksek Lisans Tezi, Batman Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Bozkurt, N. (2022). Düşürücü tip bir DA-DA dönüştürücünün sistem tanımlama yöntemiyle tasarımı ve optimizasyonu [Yüksek Lisans Tezi, Batman Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü].
• Cebeci, E., & Yaşa, Y. (2016). The development of DC-DC buck converter with practical design methods. Electrical, Electronics and Biomedical Engineering (ELECO) (pp. 691-695), Bursa.
• Çalışkan, A., Ünal, S., & Orhan, A. (2017). Buck-boost dönüştürücü tasarımı, modellenmesi ve kontrolü. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 29(2), 265-268.
• De Araujo, L. S., Alonso, A. M. D. S., & Brandao, D. I. (2020). Decentralized control of voltage-and current-controlled converters based on AC bus signaling for autonomous microgrids. IEEE Access, 8, 202075-202089. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3036592
• Evran, F. (2019). Azaltan DA-DA dönüştürücüsü için kayma kip denetleyici tasarımı. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 7(1), 519-530. https://doi.org/10.29130/dubited.438089
• Ghani, Z. A., Kamit, K., Zeain, M. Y., Zakaria, Z., Azidin, F. A., Hadi, N. A. A., & Lago, H. (2019). Development of a Dc to Dc buck converter for photovoltaic application utilizing peripheral interface controller. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 14(7), 1317-1324.
• Hauke, B. (2015). Basic calculation of a Buck converter's power stage. Texas Instruments. https://www.ti.com/lit/an/slva477b/slva477b.pdf?ts=1683646071412
• Köse, E., Mühürcü, A., Mühürcü, G., & Aydoğan, E. (2017). Buck dönüştürücü çıkış geriliminin karınca koloni algoritması kullanılarak PI tabanlı optimal kontrolü. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 32(4), 153-162. https://doi.org/10.21605/cukurovaummfd.383217
• Kim, S. J., Khan, Q., Talegaonkar, M., Elshazly, A., Rao, A., Griesert, N., & Hanumolu, P. K. (2014). High frequency buck converter design using time-based control techniques. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 50(4), 990-1001. https://doi.org/10.1109/JSSC.2014.2378216
• Liu, L., Zheng, W. X., & Ding, S. (2020). An adaptive SOSM controller design by using a sliding-mode-based filter and its application to buck converter. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 67(7), 2409-2418. https://doi.org/10.1109/TCSI.2020.2973254
• Mamur, A. (2012). Fpga denetimli düşürücü DA-DA dönüştürücünün tasarımı ve gerçekleştirilmesi. [Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Özdemir, Ö. (2018). Sürekli akım modunda çalışan alçaltıcı tip DA-DA dönüştürücülerin gerilim kontrolü [Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Özer, A., & Kelebekler, E. (2021). DA/DA alçaltıcı tip dönüştürücü devresinin TS-EN 61000-3-2 standardına uyumlu hale getirilmesi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (28), 653-659. https://doi.org/10.31590/ejosat.1009998
• Özer, T., Kıvrak, S., Oğuz, Y., Kelek, M. M., & Karaca, A. (2021). DsPic33fj32mc204 mikroişlemci tabanlı hall sensörlü fırçasız doğru akım motor sürücüsü tasarımı ve Proteus simülasyon uygulaması. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 21(4), 820-828. https://doi.org/10.35414/akufemubid.889532
• Salihmuhsin, M., & Babaoğlu, S. (2016). A Buck converter design with digitally implemented P controller. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 19(3), 87-90.
• Sevim, D., & Bozkurt, N. (2021). DA-DA düşürücü dönüştürücünün sistem tanımlaması ve kontrolü. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (31), 881-889. https://doi.org/10.31590/ejosat.1019650
• Ürgün, S., Erfidan, T., & Çoruh, N. DA-DA Buck dönüştürücü tasarımı ve gerçeklenmesi. EMO. https://www.emo.org.tr/ekler/e7b431c86a06d88_ek.pdf
• Yasko, M. A. (2018). Fotovoltaik sistemlerde düşürücü tip DA-DA dönüştürücülü maksimum güç noktası izleyicisinin analizi, tasarımı ve gerçekleştirilmesi [Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Yaylacı, E. K., Yılmaz, A. E., & Özdeş, H. N. (2022). Kızıl tilki optimizasyon algoritması ile DA-DA alçaltıcı tip dönüştürücü kontrolör katsayılarının optimizasyonu. Mühendislik Bilimleri ve Araştırmaları Dergisi, 4(2), 129-140. https://doi.org/10.46387/bjesr.1111592