Senkron alçaltan çeviricide farklı anahtarlarla başarım karşılaştırılması
A comparison of different types of switches used in synchronous buck converter design
Yazar: GÖZDE YILDIRIM KUYUMCU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç anahtarı = Power switch ; Güç elektroniği = Power electronics ; Güç kaybı = Power loss ; Güç çeviriciler = Power converters

Özet:
SENKRON ALÇALTAN ÇEVİRİCİDE FARKLI ANAHTARLARLA BAŞARIM KARŞILAŞTIRILMASI
ÖZET
Güç elektroniği devrelerinden doğru akım çeviricileri, savunma, otomotiv, beyaz eşya, akıllı telefon, tablet ve bilgisayar gibi bilişim sektörlerinde kullanılan başlıca sistemlerdendir. Üretim adetleri, maliyetleri ve kullanıcıların talepleri doğrultusunda gelişen güç elektroniği sistemlerinde, uluslararası standartlara göre verimlilik önemli hale gelmiştir. Bu sebeple mevcut tasarımların düşük kayıplarla çalışması esastır.
Doğru akım çeviricileri çalışma şekli olarak: alçaltan, yükselten ve hem alçaltan hem yükselten tip olmak üzere üçe ayrılmaktadır. Bu tip çeviriciler sayesinde devrenin çıkış geriliminin girişe göre daha düşük ya da yüksek seviyede olması sağlanır. 
Alçaltan çeviricilerde iletime veya kesime götürülen bir anahtar bulunmaktadır. Anahtarın sürülmesi, DGM (Darbe Genişlik Modülasyonu) sinyalinin anahtarı tetiklemesi ile gerçekleşir. Çıkış tarafında istenen gerilim değeriyle, giriş geriliminin oranı, DGM sinyalinin çalışma oranını belirlemektedir. Bu nedenle çalışma oranı alçaltan çeviricinin sürekli hal durumundaki çalışma durumunu gösterir.
Alçaltan çeviricide anahtarın yanı sıra bir filtre endüktans ve filtre kapasite yer almaktadır. Bu elemanlar devrenin çıkışına akım ve gerilimin iletilmesini sağlayacaktır. Anahtar iletimdeyken, endüktans üzerinden geçen akım enerji depolar ve kapasitenin de dolmasıyla beraber çıkışta istenen düzenlenmiş gerilim sağlanır. Anahtarın altında güç diyotu bulunmaktadır. Anahtar kesimdeyken ise, endüktansın üzerinde depolanan enerji yük direncini besler. Bu sırada güç diyotu iletime geçer ve akımın bir önceki çalışma durumuna göre yönünün değişmemesini sağlar. Giriş anahtarı tekrar iletime geçtiği anda bir çevrim tamamlanmış olur. 
Alçaltan çeviricilerde anahtarların iletime ve kesime geçtiği anlarda, kayıplar ve gerilimde ani yükselmeler oluşmaktadır. Bu yükselmeler ayrıca filtre endüktans ve kapasitenin rezonansa girmesine ve manyetik alan geçirgenliğinin artmasına neden olur. Rezonans durumu hem anahtarın, hem de çeviricinin çıkış gerilim dalga formunu etkilemektedir. Sistemde bir diğer kayıp da diyotların yapısından kaynaklı iç dirençler nedeniyle gerçekleşmektedir.  
Alçaltan tip çeviricilerin gelişimini incelediğimizde başlangıç olarak düşük güç ve gerilim seviyelerinde tasarımlar yapılmıştır. Yarıiletken teknolojisinin gelişmesiyle birlikte anahtarlama elemanlarının yüksek frekanslarda anahtarlama yapma kabiliyetleri de artmıştır. Bu da daha yüksek güç değerlerinde tasarım yapılmasına olanak sağlamıştır. Devamında, çeviricide gözlenen manyetik alan ve enerji kaybı etkilerini azaltarak çevirici veriminin arttırılması çalışmaları yapılmıştır. Bu sebeple yüksek gerilim ve düşük frekanslı çalışma modları için test edilen senkron alçaltan çeviricilerin geliştirilmesine başlanmıştır.
Senkron alçaltan çevirici, klasik tip alçaltan çeviricilere göre daha verimli ve daha az kayıplı özelliktedir. Senkron çeviricide iki adet yarı iletken anahtar ve klasik alçaltan çeviricide olduğu gibi filtre endüktans ve kapasite bulunmaktadır. Sürekli çalışma durumunda, klasik tip alçaltan çevirici gibi endüktans üzerindeki gerilimin ve kapasite üzerinden geçen akımın sıfır olması kabul edilerek devre analiz edilmektedir. Senkron alçaltan tip çeviricide alt anahtar için kullanılan yarı iletken elamanların iç direnci, klasik tip çeviricilerdeki geçiş diyotunun iç direncine göre daha düşüktür. Bu nedenle senkron çevirici de iletim kayıpları daha düşük olmaktadır. 
Çevirici tasarımlarında devre elemanlarından anahtarın tasarıma uygun seçilmesi sistemin performansını ve verimini doğrudan etkilemektedir. Senkron alçaltan çeviricilerde kullanılan anahtar tiplerine göre işletme başarımının değişimi söz konusudur. Yarı iletken anahtarlardan olan IGBT' nin, düşük frekans aralıklarında verimli olduğu gözlenirken, MOSFET anahtarlar yüksek frekanslı devrelerde tercih edilmektedir. Yeni nesil anahtarlama elamanı olan GaN ise hem yüksek gerilim, hem de yüksek frekanslarda verimli çalışmaktadır. Bu nedenle çalışılacak işletme büyüklüklerine uygun anahtar elemanı seçimi verimi artırmak adına önemli bir ölçüt olmaktadır.
Bu tez çalışmasında serbest geçiş diyotu yerine IGBT, MOSFET ve GaN anahtar kullanılabilecek bir senkron alçaltan çevirici tasarımının benzetimi yapılmış ve elde edilen tasarım 3 ayrı anahtar için uygulamalı olarak karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma için gerilim düşümü, çıkış geriliminin ve çıkış akımının dalgalılığı, giriş akımı gibi işletme büyüklükleri, sabit ve yüksek anahtarlama frekansında ve değişken çıkış gücü kısıtı altında karşılaştırılmıştır. 
Tasarımda işletme parametreleri 400V giriş gerilimi, 200V çıkış gerilimi, 4 kW güç, 100 kHz anahtarlama frekansı olarak alınmıştır. 0.5 çalışma oranıyla optimum çalışma modu sağlanması amaçlanmıştır. Giriş geriliminin ±%20, çıkış geriliminin %1 değişebileceği, çıkış akımı dalgalılığı ise %10 olduğu öngörülmüştür. 
Tasarım parametreleri doğrultusunda senkron alçaltan çeviricinin sürekli hal analizi yapılmıştır. Sürekli hal analizinde elde edilen teorik bilgi ve formüllerle filtre endüktans ve kapasitenin eşik değerleri hesaplanmıştır. Tasarımda öngörülen en kötü koşullarda sistemin belirlenen şekilde çalışmasını sağlayacak, endüktans ve kapasite değerleri hesaplanmıştır. Hesaplanan endüktans ve kapasite değerleri kullanılarak çevirici modelinin benzetimi MATLAB programında gerçekleştirilmiştir.
Benzetim fiziksel tasarım parametrelerini teyit etmek için yapıldığından ve asıl sonuçların uygulamalı olarak elde edilmesi hedeflendiğinden sadece bir tip anahtar kullanılarak benzetim sonuçları elde edilmiştir. Bu sebeple çevirici benzetimi sadece IGBT anahtar kullanılarak yapılmış ve işletme değerleri teyit edilmiştir. Benzetimde farklı çalışma koşullarında, devrenin açık çevrim ve kapalı çevrim kontrolü incelenmiş, anahtarların iletim ve kesim durumlarındaki kapı, kollektör-emetör sinyallerinin öngörülen şekilde olduğu görülmüştür. 
Tez çalışmasında farklı tip anahtarların tasarlanan senkron alçaltan çevirici devresindeki güç kayıplarının uygulamalı olarak elde edilmesi hedeflendiğinden uygulama çalışmasında açık çevrim kontrol algoritması kullanılması yeterli görülmüştür. Sadece benzetim çalışmasında yer almak üzere tasarlanan çeviricinin, kapalı çevrim kontrolü ile sistemin çıkış büyüklükleri incelenmiştir. Kapalı çevrim kontrolün, tasarlanan çevirici üzerindeki benzetim sonuçlarını irdelemek için oransal integral (PI) katsayıları genetik algoritma yardımıyla üretilmiştir.  


Açık çevrim kontrol yapılı benzetim sonuçları doğrultusunda senkron alçaltan çeviricinin fiziki tasarımı gerçeklenmiştir. Senkron alçaltan çevirici fiziki tasarımında, anahtarların kontrollü bir şekilde sürülmesi açısından mikroişlemci kullanılmıştır. Tasarımda STMicroelectronics firmasının STM32F103ZCT6 işlemcisi seçilmiştir. İşlemcinin DGM kanalında birbirine eşlenik şekilde DGM sinyalleri oluşturulmuştur. Oluşturulan DGM sinyallerinin genliği kapı sürme devreleri kullanılarak arttırılmıştır. Böylece anahtarlara ait kapı pinlerinin tetiklenmesi sağlanmıştır. IGBT, MOSFET ve GaN anahtarların aynı çevirici kartında seçenekli olarak kullanılabilmesi için anahtarlar TO-247 tip seçilerek, kartın devre şemasına ve baskı devresine eklenmiştir. Tasarlanan devre üç farklı yarı iletken anahtarla laboratuvar ortamında teste tabii tutulmuştur.
Çevirici kart yapısında işlemci, kapı sürme ve diğer kontrol birimlerinin beslenebilmesi için dahili 12V, 5V ve 3.3V gerilimleri üretilmiştir. Bu dahili besleme gerilimleri, çeviricinin giriş geriliminden üretilecek şekilde fiziksel tasarımı yapılmış, devre şemasına ve baskı devre kartına eklenmiştir. Çevirici kartın devre şemaları ve baskı devre çizimi "ALTIUM DESIGNER" programında hazırlanmıştır.
Çevirici kartın açık çevrim kontrol algoritması "Keil uVision V5.20" programında C programlama dili ile hazırlanmıştır. İşlemcinin zamanlayıcı ve DGM sinyalleri üreten pinlerinin başlangıç ayarları yapılarak, alt ve üst anahtarın DGM sinyalleri üretilmiştir.
Devrenin IGBT, MOSFET ve GaN anahtarlar ile açık çevrim kontrolünün deneysel karşılaştırılması yapılmıştır. Farklı çıkış akımı değerlerinde gerilim kararlılığı, anahtarlama kaybı ve verim değerleri karşılaştırılarak öngörülen işletme değerlerinde en verimli anahtar tipi belirlenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda GaN anahtarlı çeviricinin anahtarlama kayıplarının diğerlerine göre çok daha düşük olduğu ve verimli çalıştığı sonucu elde edilmiştir.

Abstract:
A COMPARISON OF DIFFERENT TYPES OF SWITCHES USED IN SYNCHRONOUS BUCK CONVERTER DESIGN
SUMMARY
Direct current converters in power electronic circuits are being used in a large application area from home appliances, automotive, smart phones&tablets to information technologies. Efficiency has become the most critical parameter in designs according to international quality standards. Depending on this expectations, converters are shaped through low losses and high efficiency.
Direct current converters have three types as Buck, Boost and Buck-Boost. This systems regulate the output voltage to lower or higher levels from input voltage. 
There is a main switch that operates on conduction or cut-off mode in buck converters. Switch is triggered by a pulse width modulated (PWM) signal. The duty cycle of the PWM signal is calculated by the ratio of output and input voltage levels. So, the duty cycle indicates operation mode of the converter in steady state operation. 
A classical buck converter has an additional filter inductance and capacitor. These components conduct the voltage and current to the output of the circuit. When the switch is in conduction mode, the power is stored in inductance and the desired output voltage obtained by the charged capacitor. In the design, a free wheeling diode is also connected reversly parallel to the load. When the main switch is in cut-off mode, the stored power in the capasitor during previous stage feeds the load. Diode conducts the current and preserves the current direction in this stage. One period cycle is completed after the conduction mode of the main switch begins again.
At the instances that conduction or cut-off mode of the switch is started, losses and voltage spikes occur. Spikes also cause resonance on the filter inductance and capacitor. Therefore magnetic field permeability of these components increase. Resonance also affects the output wave form of both the switch and the converter. Another loss in system is caused by the diode related to its internal resistance in conduction mode.
In previous studies, low power and low voltage converters were designed firstly. With the improved technological properties, high frequency switching ability of the switches was increased. This paved the way to high power designs. Later on, studies to increase the efficiency began by reducing magnetic field affects and losses. Therefore, synchronous buck converter design for low frequency and high power applicationswere ignited.
Synchronous buck converter is more efficient and has less losses than other classical type converters. Synchronous buck converter has two controllable switches (one more switch in place of free wheeling diode) which is different form classical design, a filter inductance and a capacitor as in classical design. In steady state opeariton mode, the circuit is analysed by the assumption that the voltage of inductance and current of the capacitor are equal to zero. The low-side switch of the synchronous buck converter has lower internal resistor than the diode in the classical converter. Therefore, synchronous buck converter has lower conduction losses than that of the classical one. 
Selection of the switch in a converter design directly affects the performance and the efficiency of the whole system. A change in the low side switch affects the performance of the converter. For example, IGBTs are efficient in relatively lower frequency applications, while MOSFETs are preferred in high frequency operation. New generation switch type, GaN, can operate in both of high frequency and high voltage levels efficiently. Consequently, switch type is a critical parameter on the whole performance of the converter.
In this study, simulation of a synchronous buck converter that may include IGBT, MOSFET and GaN switches instead of free wheeling diode is performed and three designs including three different switches are practically compared. For comparison, operatonal uantities like voltage drop, distortion of outputvoltage and current, input current are taken into account under constant high switching frequency and changing output power contraints.
In the synchronous buck converter design, operational parameters were chosen 400 V DC as input voltage, 200 V DC as output voltage, 4 kW as output power and 100 kHz as switching frequency. Optimum operation is provided by using a duty ratio of 0.5. A tolerance of ±20% for input voltage, 1% for output voltage and 10% for output current ripple was predicted.
Steady state analysis is performed for the synchronous buck converter with the accepted design parameters with a switching frequency of 100 kHz. Limit values for filter inductance and capacitor are calculated by the related equations in steady state operation mode. These values were calculated to provide safe operation even in the worst operational conditions. MATLAB simulations were completed with the calculated inductance and capacitor values. 
Since the aim of the study is to obtain practical comparison data and simulations were performed to verify the design parameters, only one type of switch (IGBT) is used as low side switch for verification. In simulation stage, different operating conditions for both open and close loop control were analysed and the gate and emetor-collector signals in conduction cut-off intervals were confirmed to be as predicted.
Because aiming to get power losses in synchronous buck converter with different type of switches in application, it seems enough that study has only open loop control design. Close loop control is only simulated for analysing of output magnitudes. Genetic algorithm method is used to generate needed PI coefficients in simulation.
Physical design of the synchronous buck converter is realized according to the open loop operation results of simulation. Microcontroller is used to drive the switches controllably in the physical design of converter. STM32F103ZCT6 of STMicroelectronics was choosen as processor in the design. In the PWM  channel of the processor two conjugate PWM signals were produced. The amplitude of the produced PWM signals were strengthened by gate driver circuits. Triggering of the gate pins were provided. All IGBT, Mosfet and GaN switches were chosen TO-247 type in order to provide the same circuit board to be used for all switches and this type was added to the circuit scheme. Design circuit were tested in the laboratory with the different switches. 
On the converter circuit board 12 V, 5 V and 3.3 V were produced to supply the processor and the control units. Physical design is manufactured in the way to provide the production of the interrior supply voltages on the same circuit board. All circuits are designed in ALTIUM Designer program and then realized. 
The open loop control algorithm of the converter circuit is prepared  by C programming language in "Keil uVision V5.20". By setting up the initial parameters of the processor timer and pins that produce the PWM signals, triggering signals for low an high side switches were arranged.
The comparison of practical test results in open loop operation of the circuit with IGBT, MOSFET and GaN switches. The voltage stability, switching losses and efficiency were made by installing IGBT, MOSFET and GaN switches individually. The most efficient switch is determined by comparing the voltage stability, switching losses and efficiency values for the predicted operational quantities. After practical comparison GaN switches are mentioned to have less switching losses and operates more efficiently.