Flying-Capacitor Boost Converter
- 7 ay önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
- 0 Yorum
- 1.744 Kişi Okudu
Piyasayı yavaş yavaş domine eden SiC gibi yarıilerkenlerin getirdiği avantajlardan dolayı yüksek verimli ve yüksek güçlü solar inverter sistemlerine ihtiyaç ve talepler, küresel ısınmanın da etkisiyle günden güne artmaktadır. Artan talep, rekabetçi firmaları sahaya sokarak fiyat anlamında kıyasıya bir mücadele verilmesine yol açmaktadır. Bunun neticesinde saha kurulumundan, evirici tasarımına bir çok nokta ince elenip, sık dokunmaktadır. Bu rekabetin çok sıkı yaşandığı güneş enerji tarlaları, panel verimsizliklerinden dolayı, çok büyük alanlar işgal etmekte ve bunun sonucunda panel/şebeke kablolaması ve trafosu, saha kurulumlarında ciddi maliyet kalemlerinden biri haline gelmektedir. Bu sorunu aşmak için ise evirici ve panel üreticileri beraber çalışarak gerilim seviyelerini yukarılara çekip avantaj kazanmaya çalışmaktadırlar.
Solar Inverter Gerilim Seviyelerinin Kısa Tarihi
Solar eviricilerde giriş gerilim seviyeleri 2000’li yılların başında, 800-1200V civarında baskın olduğunu görüyoruz. Özellikle piyasanın Si Mosfet ve IGBT’nin egemenliğinde geçtiği bu dönemde, güç değerleri (merkezi eviriciler hariç), anahtar kayıplarından dolayı çok yükseltilemiyordu. Yalnız 2010’lardan sonra ortaya çıkan SiC gibi malzemeler, IGBT’lerle birlikte kullanılarak gerilim seviyelerinin yükselmesinin önü açılmış oldu. Günümüzde eviricilerin nominal gerilim seviyesinin 1200V olduğunu, saha da tercih edilen modellerin ise cihaz giriş geriliminin 1500V seviyesi olan ürünler olduğunu görmekteyiz.
Güncel Solar Evirici Topolojileri
Güç elektroniğinde evirici tasarımında kullanılan bir çok topoloji ve yapı olsa da sahada tercih edilen eviricilere baktığımızda 3 farklı eviricinin baskın olduğunu görmekteyiz;
– Merkezi Eviriciler (MW Seviyelerinde)
– DC Optimizer Kullanan Eviriciler (kW Seviyelerinde)
– String Eviriciler (kW Seviyelerinde)
Bu üç evirici yapısından, string eviricileri ele aldığımızda, genellikle aşağıda görülebilecek topolojinin saha da tercih edildiğini görmekteyiz.Verim değerleri %98-99 gibi değerlere ulaşabilen solar eviricilerde, MPPT bölümü olarak işaretlenen noktada genellikle yükseltici (boost) türde topolojiler tercih edilmektedir. Bu topoloji, hem güneş açısının daraldığı sabah ve akşam saatlerinde hem de gölgelenme gibi durumlarda maksimum güç noktasını verimli bir şekilde takip ederek, güneş hasadını maksimize etmeyi sağlar. Ayrıca yukarıdaki grafikte 2 adet görülen string girişleri, günümüz eviricilerinde 24’e kadar çıkartılarak, parçalı MPPT sayesinde, hasat daha da verimli kılınır.
Günümüzde, yüksek güçlerde tercih edilen eviricilerin MPPT bölümlerinde kullanılan boost dönüştürücü topoloji yapıları aşağıdaki şekilde görülebilir (resme tıklarsanız büyüyecektir).
Yukarıdaki topolojlerden en soldaki topoloji (klasik boost converter) genellikle 1200V girişe sahip eviricilerin booster katı olarak kullanılmaktadır. Bu topoloji; kontrolünün basit, EMI/EMC gürültü açısından daha az sorunlu ve malzeme sayısı azlığı nedeniyle maliyet avantajlı bir sistem olmaktadır. Topolojinin getirdiği anahtarlama kaybının yüksekliği (anahtar çıkış gerilimini görmektedir), düşük gerilim ile çalışmasından kaynaklı yüksek akım çekilmesi gibi nedenlerden ve 1500V seviyelerinde anahtar bulmanın zorluklarından dolayı bu tür yapılar ile yüksek güçlü eviriciler günümüz koşullarında efektif olmamaktadır.
1500V serisine geçildiğinde ise iki tür MPPT türü karşımıza çıkar. Simetrik boost dönüştürücüde (yukarıdaki şemalarda ortadaki topoloji) birbirine tamamen simetrik iki adet boost dönüştürücü, birbirine senkron çalıştırılarak 1500V gibi çıkış gerilimleri üretebilmektedir. Nispeten kolay bir kontrole sahip bu topolojinin kötü yanı, iki ayrı bobin kullanımı, çıkış kapasitesinin mutlaka dengelenmesi gerektiği ve PV panel havada kaldığı için çok fazla EMI/EMC problemleri gibi gösterilebilir.
1500V seviyesi eviricilerde son değineceğimiz, bu yazımızın da konusu olan, yukarıdaki topoloji yapılarında sağda görülebilecek boost dönüştürücü yapısı ise (flying-capacitor boost converter) son dönemde popüler hale gelen multilevel yapılarından biridir. Bu yapıda havada yüzen bir kapasiteden faydalanılarak, hem bobin üzerindeki frekans değeri arttırılır hem de boost işleminin kolay ve sorunsuzca olması sağlanır. PV panelin havada kalmamasından dolayı EMI/EMC problemleri oldukça az olan bu topolojide ise dikkat edilmesi gereken en önemli unsur, uçan kapasitenin kontrollü bir şekilde sürekli regüle olmasını sağlamak ve ilk enerji verildiğinde (gerek giriş, gerek AC şebekeden) yine aynı kapasitenin precharge’nın düzgün şekilde yapılması zorunluluğudur. Bunlar kolay bazı eklentiler ve algoritmalar ile aşılabildiğinden buna benzer multilevel topolojiler güç dönüşüm alanında baskın hale gelmektedir.
Flying-Capacitor Boost Converter Topolojisi
Flying-Cap. boost dönüştürücü topoloji aşağıda görülebileceği gibi iki katmandan oluşmaktadır. Bu katmanlar birbirine flying-cap. denen, Türkçe’ye uçan kapasitör olarak çevirebileceğimiz kapasitör ile bağlıdır. Bu kapasitörün ana görevi anahtarlama sırasında anahtarlar üzerine düşen gerilimi ikiye bölmektir. Dolayısı ile nominal çalışmada uçan kapasitenin üzerine düşen gerilim her zaman çıkış geriliminin yarısı olmalıdır.Flying-cap. boost dönüştürücü 4 modda çalıştırılır. Bu modlardan ilki aşağıda görülebileceği gibi hiç bir anahtarın kullanılmadığı, bobin üzerindeki akımın diyotlar üzerinden, girişten çıkışa doğru aktığı durumdur. Giriş geriliminin çok yükseldiği anlarda, boost diyotlarının bypass diyodu şeklinde kullanıldığı moddur. Bu durumda flying-cap.’de herhangi bir gerilim değişikliği olmamaktadır. Ayrıca boost dönüştürücü çalıştırılmadığından, tam bu anda eviricinin genel verimi oldukça artmaktadır.İkinci modda ise en altta bulunan anahtar iletimdedir. Flying-cap üzerinden akan akım, hem onu şarj eder hem de bobin üzerinde enerji depolanmasına neden olur.Üçüncü modda üstte bulunan anahtar iletime sokulur (alttaki kapatılır) ve akım flying-cap. üzerinden akarak gerilimi azalır. Bu anda ise çıkış gerilimi yükselir.Son modda ise her iki anahtar birlikte iletime sokulur, duty bu durumda %50 üzerindedir. Bu anda flying cap. üzerindeki gerilim aynı kalırken, bobin üzerinde enerji depolanmaktadır.Yukarıda görülen modlar her ne kadar karışık gözükse de, tüm bu modları geçerli kılacak durum, iki anahtar arasındaki anahtarlama zamanlarını 180 derece kaydırmaktan geçmektedir. 180 derece faz farkının uygulanması, topoloji kullanılırken aşağıda görülecek, CCM klasik boost converter dönüşüm formülünü kullanabilmemize yol açar.
Flying-Capacitor Boost Converter Topolojisinin Avantajları ve Dezavantajları
Flying-cap. boost dönüştürücü 3-Level olarak çalıştığından, anahtarlar üzerindeki gerilim stresi azaldığı için özellikle anahtarlama kayıplarında önemli bir kazanca neden olmaktadır. Bu da şu an pahalı SiC modüllerdense, normal Si IGBT modüllerin kullanılabileceği anlamına gelir (elbette diyotlar SiC olmaya devam etmektedir). PV panelin float kalmaması sonucunca EMI/EMC problemleri azalmakta ve bu problemlerin çözümü için daha az eleman kullanımının önü açılmaktadır. Simetrik boost dönüştürücü yapısına göre ise, iki katına çıkan anahtarlama frekansı ile hem giriş hem de çıkışta daha az kapasite kullanımı şansı doğar. En önemli avantaj ise, yine ikiye katlanan frekans nedeniyle, simetrik boost dönüştürücüye göre yarı boyutunda kullanılabilecek bobinde yatmaktadır; topolojinin bu şekilde seçilmesi, bobin maliyetini ciddi miktarda düşüreceğinden, tasarımcılara rakiplerinin önüne geçme şansı yaratır.
Flying-cap boost dönüştürücü çok büyük avantaja sahip olsa da, kullanımda iki noktaya dikkat edilmelidir. Bunlardan ilki flying kapasitörünü başlangıçta doldurmaktır (anahtar kelime: precharge). Flying-cap boost dönüştürücü topolojisinin doğru şekilde çalışması için flying kapasitörün çıkış geriliminin yarı gerilimine şarj edilmesi gerekmektedir. Gerilimin hem çıkıştan (inverter nedeniyle) hem de girişten geldiği durumda ilgili kapasitenin dolması için flying-cap.’e bağlı diyotlar sisteme konur.Precharge diyotları ile birlikte turuncu renk ile PV panel bölümünden, kırmızı renk ile de çıkıştan, flying kapasitörün ön yüklemesi için gerekli akım yolları görülmektedir. İlgili diyotlarla birlikte uçan kapasite pasif olarak doldurulabilmektedir. Tam bu noktada belirtmeliyim ki devreye eklenen precharge diyotlarının yerleşimi maalesef patentli!. İlgili konu incelendiğinde (flying-cap. boost converter precharge) solar piyasasında adını kuvvetli hissettiren Huawei ve yarı iletken üreticisi Mitsubishi‘ye ait patentler karşımıza çıkmaktadır. Patent araştırması yapmadan kullanacağınız bu yapı, ileride cihazınızın patent ihlaline yol açacağı ve yüklü miktarda ceza ile karşılaşılabileceği için kullanım sorumluluğu tamamen size aittir. Precharge sorununu gidermek için patente takılmayan işlemleri yapıp, kendinizin geliştireceği yapıları kullanmanız gerekebilir.
Flying-cap boost dönüştürücünün sihrindeki ip ucu başta da bahsettiğimiz gibi uçan kapasitör geriliminin sürekli çıkış geriliminin yarısında olmasından geçmektedir. Topolojinin doğru çalışabilmesi için flying-cap. gerilimini sürekli gözlemlemeli ve birbirine karşı 180 derece çalışan anahtarların duty değerleri üzerinde oynayarak işlem yapılmalıdır. Yukarıda bu işlemi yapabilmek için basit bir algoritma yapısı görülebilir.
Simülasyon Zamanı!
Flying-Cap boost dönüştürücü için en beğendiğim simülasyon programlarından PSIM’i kullanarak Vincotech firmasının “B0-SL103BA100S714-LS60L98Z” adlı aşağıda şeklini görebileceğiniz modülü simüle ettim.Simülasyon yaparken, tüm değerleri simülasyonda yerleştirdim. Bobin ve kapasitör değerlerini piyasada kullanılan ürünleri referans alarak koyarak ilerledim. Frekans değerimi 16kHz, giriş gerilim değerimi 800Vdc, çıkış gerilim değerimi ise 1360V olarak aldım.Simülasyonu işlettiğimde ise elde ettiğim sonucu aşağıda görebilirsiniz. Flying-cap. gerilim değeri, çıkış geriliminin tam yarısı olacak şekilde ayarladığında, anahtar akımlarının birbirine eşit olduğu görülmektedir. 2’li interleaved çalışma yapısına benzer çıkan ve anahtarlar üzerinde 16kHz olan akım şekillerinin, giriş bobini üzerinde 32kHz etki yarattığını da görebilirsiniz.
Sonuç Olarak…
Yenilenebilir enerjinin her geçen gün geliştiği güç elektroniği sektöründe flying capacitor boost gibi multilevel yapılar ileriki yıllarda daha da fazla karşımıza çıkacaktır. Piyasada bunu gören firmalar ise yakın ilişki kurdukları akademisyenler ve yaptıkları çalışmalar ile birlikte Huawei gibi basit sayılabilecek bir patent ile yarattığı inanılmaz fiyat avantajı ile rakiplerinin bir değil dokuz/on adım önüne geçecek.
Gelecek güç elektroniğinde, bunu fark eden bir çok firma çoktan çalışmaya başladı, sıra bizlerde!
Herkese çalışmalarında başarılar!
Yararlanılan Kaynaklar
– Viktor Antoni, Vincotech – The Advantages and Operation of Flying-Capacitor Boosters
– Matthias Tauer, Vincotech – Boost Your 1500V String Inverter