Anahtarlama Kayıpları Geri Kazanılan Yüksek Verimli UPS Topolojileri

1. Giriş

Anahtarlama kayıplarının yüksek frekansa ulaşmak için azaltılması ile pasif elemanların sağlayamayacağı boyut ve ağırlık avantajları elde edilmektedir. Geliştirilmiş verim imkanı sayesinde kullanılan akü kapasitesi ve soğutma çabası azaltılabilmektedir. Yüksek verimli devreler, küçük tasarım ve yüksek güç yoğunluğu için açık olarak tercih edilmesi gereken yol olmaktadır. En iyi haber ise yüksek verim için fazladan maliyet oluşturmadan parazitik endüktansın akıllı bir biçimde UPS uygulamasına entegre edilmesi ile sağlanabilmektedir

2. Anahtarlama Enerjilerinin Geri Kazanılması

Düşük endüktans, mühendislerin yüksek hızlı anahtarlar kullanmasını sağlar. Fakat, çok hızlı ters paralel diyotların kullanılması ile ancak düşük iletime girme kayıpları elde edilebilir.

Burada anahtar eleman için yapılması gerekenler şunlardır:

• İletime girme anında endüktansın artırılması,
• İletimden çıkma anında çok düşük endüktansın kullanılması,
• Kaçak endüktansta biriken enerjinin geri kazanılması (EL=½*L*I2).

Bu tip yeni anahtarlama davranışını kazanmanın yolu kaçak endüktansı, Lparasitic, iletime girme sırasında kullanmak ve iletimden çıkma anında ise devreden çıkartmakla mümkün olabilmektedir. Bu amaçla, bastırıcı diyot Dtran (Şekil 1), kaçak endüktansta biriken enerjiyi entegre edilmiş Ctran kapasitörüne iletimden çıkma sırasında aktarmaktadır. 

Şekil 1. Ana DC hatta geri besleme yapılan asimetrik endüktanslı yapı.

Lparasitic içinde depolanan enerji, Dtran ve Rtran üzerinde harcanacak şekilde döngüye girer. Bu devre sayesinde yarı iletken üzerindeki anahtarlama kayıpları azaltılabilmektedir. Buna karşılık, pasif elemanlar üzerinde bir miktar enerji harcanmalıdır. Verimi artırmanın bir yolu, depolanan bu enerjinin bir DC-DC çevirici devresi ile geri kazanılması ile mümkün olabilmektedir (Şekil 2).

Şekil 2. Depolanmış enerjinin geri kazanıldığı asimetrik endüktanslı yapı.

 

Önerilen bu yöntem, bastırma kapasitörleri entegre edilmiş standart bir güç modülü ve asimetrik endüktans düzeneği kullanılarak değişik kaçak endüktans değerleri için karşılaştırmalı olarak test edilmiştir.

Test koşulları:

Rg=2Ω(+/-15V), VDC=600V, Iout=400A

Eleman: 400A/1200V IGBT

1.1.   İletimden Çıkma Anı

Entegre edilmiş kapasitörler kullanıldığında anahtarlama elemanı iletimden çıktığı anda gerilim sıçramalarının azalması beklenmektedir. 50nH simetrik endüktans kullanıldığında, iletimden çıkma anı karakteristiği gerilim sıçramasının 1000 V’un üstünde olacağı ve DC kapasitör üstünde salınıma neden olacağını göstermektedir (Şekil 3).

Şekil 3. Simetrik endüktans kullanıldığında IGBT iletimden çıkma karakteristiği, L[ON]=L[OFF]= 50nH

Düşük sıcaklıklarda iletimden çıkma, en kritik durumlardan birisidir. %180’lik gerilim yükselmesi 25 ºC sıcaklıkta ölçülmüştür. Bu durumda, gerilim 650 V ile sınırlandırmak gerekmektedir. Güvenli olarak iletimden çıkma, aşırı akım durumunda söz konusu olamayacaktır. Yapılan testlerde, kullanılan modül 720A/600V/Tj=25 ºC çalışma durumunda bozulmuştur.

Şekil 4. Asimetrik endüktans kullanıldığında IGBT iletimden çıkma karakteristiği, L[ON]=50nH, L[OFF]= 5nH

Asimetrik endüktans ile yapılan aynı testler (Şekil 4) beklendiği gibi gerçekleşmiştir. Gerilimin tepe değeri yalnızca 720 V olmuş ve bastırma diyotları, salınımı olabildiğince azaltmıştır.

1.1.   İletime Girme Anı

Ters paralel diyot, endüktif bir yük bağlı olduğunda, IGBT iletime girerken devreden çıkar. Diyotun ters toparlanma akımı, iletime girme anında IGBT üzerinden geçen akımın üstüne eklenir (Şekil 5).

Şekil 5. Asimetrik endüktans kullanıldığında IGBT iletime girme karakteristiği, L[ON]= L[OFF]= 50nH

Asimetrik endüktans kullanımında da durum benzer olmakla birlikte, entegre edilmiş kapasitörlerin ters paralel diyotların ters toparlanması üstünde etkisi bulunmaktadır (Şekil 6). İletime girme sırasında T1 transistorunun akımı, D1 ters toparlanma akımını akıtmasından dolayı artmaktadır. Akım, ters toparlanma anının sonuna doğru azalmakta fakat kaçak endüktans üzerindeki ek enerji birikmektedir. Bu ise transistörün kolektörü üzerinde gerilim sıçramasına neden olmaktadır. Depolanan enerjinin bir kısmı kapasitör üstüne akar ve diyotun ters toparlanma akımı ile IGBT’nin üstünden akan akımın azalmasını sağlar. Bu durum, anahtarlanma enerjisinin belirli bir şekilde azalmasına neden olur.

Şekil 6. Asimetrik endüktans kullanıldığında IGBT iletime girme karakteristiği, L[ON]=50nH, L[OFF]= 5nH.

Asimetrik endüktans devresi içindeki endüktans değerinin daha da artırılması sağlanabilir ve böylece iletime girme kayıpları daha da azaltılabilir. Tablo 1’de simetrik endüktans seçimi ile iletime girme endüktansları farklı iki ayrı asimetrik endüktans değeri için yapılan karşılaştırma sonuçları verilmiştir.

Tablo 1. Simetrik Endüktans ve Asimetrik Endüktans Kullanımı Durumunda Elde Edilen Anahtarlama Enerjileri

Endüktans Yapısı ve değerleri değerleri	Simetrik Lon/Loff=50nH	Asimetrik Lon/Loff=50nH/5nH	Asimetrik Lon/Loff=90nH/5nH
Eoff	27.78mJ	25.66mJ	25.77mJ
Eon	16.92mJ	15.487mJ	12.44mJ
Erec	31.78mJ	28.27mJ	26.70mJ
Toplam	76.48mJ	69.42mJ (-%10)	64.91mJ  (-%15)

Yeni asimetrik düzenek ile yalnızca iletimden çıkma kayıpları değil aynı zamanda tüm anahtarlama kayıpları azalmıştır.

Bu sayede birçok kazanım elde edilmiştir:

• Daha üstün anahtarlama performansı standart elemanlarla elde edilmiş: Anahtarlama kayıplarının azaltılması standart elemanların kullanımı ile sağlanmış, bu sayede yeni devre ile verim ek malzemelere yatırım yapmayı gerektirmeden yükseltilmiştir.
• Azaltılmış EMI: Yükseltilmiş iletime girme endüktansı ile transistor üstündeki tepe akımı, EMI için en belirgin faktör azaltılmıştır.
• Busbar kullanımındaki kolaylık: DC hat üstündeki kaçak endüktans kullanımına izin verme ve iletime girme kayıplarının daha da azaltılması: Çok düşük kaçak endüktans oluşturmak için pahalı lamine busbar kullanımına gerek kalmadan endüktansın yükselmesine izin vermek mümkün olmuştur. Bu tasarımın en büyük getirilerinden birisi de bu olmaktadır.
• Bastırma kapasitörlerinin gerilim dalgalılığının azaltılması: Bastırma kapasitörleri, IGBT iletime girerken boşalmadığından bu kapasitörlerde gerilim dalgalılığı ve dolayısıyla kayıplar azaltılmıştır.

3. Üç Seviyeli UPS Yapısı ve Yeniden Kazanım

Bu kazanımların gerçekleşebilmesi için bir tek noktanın açıklığa kavuşturulması gerekmektedir. Bu da bastırma kapasitörleri üzerinde depolanan enerjinin tekrar geri kazanılarak verimin maksimuma çıkartılması gerekliliğidir. Bunun için simetrik düşürücü (BUCK) devresine ihtiyaç duyulmaktadır. Aynı devre, UPS sistemlerinde akü şarjı için kullanılmaktadır. Buradaki düşünce, akü şarj devresinin herhangi bir çaba ve maliyet oluşturmadan anahtarlama enerjisinin geri kazanılması için kullanılmasına dayanmaktadır (Şekil 7).

Şekil-7. Akü şarj devresinin anahtarlama enerjilerinin geri kazanılmasını sağlayacak şekilde kullanıldığı UPS yapısı (yalnızca tek bir faz gösterilmiştir).

3.1. Çalışma Prensibi

• Kaçak endüktans üzerinde biriken enerji (PFC-DC ve evirici DC endüktansı), modül üstündeki kapasitör üzerine iletilir.
• Giriş PFC devresi ile çıkış evirici devresinin bastırma kapasitörleri birbirleri ile bağlanır.
• Kırmızı ile daire içine alınmış diyotlar, IGBT’ler iletime girerken kapasitörlerin boşalmasını engeller.
• Bastırma devresinde depolanan enerji, ana DC hattına geri kazanılması ya da akülere şarj edilmesi sağlanabilir.

Modüller üstündeki tüm kapasitörler 3 faz UPS sisteminde birbirleri ile bağlantılı olmaktadır. Depolanan enerji, merkezi bir düşürücü yapısı ile akü şarj edilebilir ya da DC hatta enerji geri kazandırılabilir. 

Şekil 8. Akü şarj devresinin anahtarlama enerjilerinin geri kazanılmasını sağlayacak şekilde kullanıldığı UPS yapısı (yalnızca tek bir faz gösterilmiştir).

3.2.  Elde Edilen Kazanımlar

• Kaçak endüktans, anahtar üstündeki iletime girme kayıplarını dışarıdan eklenecek düşük endüktanslı bağlantıya ihtiyaç duymadan azaltmaktadır.
• İletime girme ve çıkma kayıpları azaltılmaktadır. Modül üstünde bulunan kapasitörler, IGBT iletimden çıkarken ve düşürücü diyot ters toparlanması anında kaçak endüktans üzerinde biriken enerjiyi üzerine alır.
• Ek maliyete gerek kalmamaktadır. Bastırma kapasitörleri üzerinde biriktirilen enerji, ana DC hatta tekrar geri kazandırılır ya da akülerin şarjı için kullanılabilir.

3.3. Güç Modüllerinin Tanımı ve Çerçevesi

Bahsi geçen düşüncelerin bir araya gelmesi ile aşağıda belirtilen modül özellikleri ortaya çıkmıştır.

• 20 kHz anahtarlamada 200 kVA çıkış gücü,
• Asimetrik kaçak endüktans kullanımı ile enerji geri dönüşümü,
• 3 seviyeli topoloji.

UPS tasarımı, giriş güç faktörünü düzeltme devresini ve çıkış evirici katını barındırmaktadır.

3.3.1. Giriş PFC Modülü

• x650V/600A güç sınıfı,
• Asimetrik parazitik endüktans için bastırma kapasitörleri (5nH iletimden çıkma endüktansı) ve DC-DC kazanım devresi arayüzü,
• Simetrik yükseltme topolojisi (Şekil-9).

Şekil 9. Simetrik yükseltme devresi, devre üstü bastırma kapasitörleri ve geri kazanım için devre arayüzü

3.3.2. Çıkış Evirici Modülü 

• 1200V/600A güç sınıfı,
• Asimetrik parazitik endüktans için bastırma kapasitörleri (5nH iletimden çıkma endüktansı) ve DC-DC kazanım devresi arayüzü,
• Üst ve alt taraftaki devrelerin birbirinden ayrılması için ayrık çıkış yapısı,
• Karışık gerilimli NPC (MNPC) topoloji.

Şekil 10. Çıkış evirici devresi, devre üstü bastırma kapasitörleri ve geri kazanım için devre arayüzü.

3.3.3. Modülün Fiziksel Yapısı

Modül, DC bastırma diyotları ve kapasitörlerini barındırmaktadır. Güç iletim terminalleri, kapasitörlerin gerisinde bulunan vida bağlantıları ile sağlanmaktadır. Modül üstünde bulunan bağlantı delikleri, tüm DC gerilim arayüzü ve tüm anahtarlama elemanları için çok düşük endüktif bağlantı sağlamaktadır. Aşağıda belirtilen konfigürasyon ile tüm IGBT’lere düşük endüktif bağlantı sağlanabilir.

• Tüm modüllerin geçici rejim DC hattı birbirine bağlanarak tüm anahtarlar için tam kapasite sağlanabilir.
• Paralelleme imkanı: Geçici rejim arayüz bağlantısı tüm anahtarların düşük endüktif yapılı paralellenmesini sağlayabilir.
• Genişletilmiş kapasitans: Çok düşük endüktif yapı, geçici rejim arayüz bağlantısına eklenecek kapasitörlerle daha da iyileştirilebilir. Her bir dönüştürücü katı tüm modül üstü kapasitörlere erişmekte ve tüm modüller için düşük endüktanslı DC gerilim hattı oluşmaktadır.
• Anahtarlama enerjisinin geri kazanımı için bağlantı: Direnç bağlantısı için ya da düşürücü tip devrenin bağlanarak kapasitörlerde biriken enerjinin geri kazanımı için geçici rejim arayüz bağlantısına erişim bulunmaktadır.

Şekil 11. Güç hattı bağlantıları ve düşük endüktif arayüzü gösteren güç modülünün mekanik yapısı.

4. Sonuç

• Asimetrik endüktans ile anahtarlama enerjisinin geri kazanımı ek çaba ve maliyet gerektirmeden sağlanabilmektedir. Bu yöntem ile UPS sistemlerinde akü şarjı dahi sağlanabilmektedir.
• Dış DC hat için yüksek maliyetli busbar bağlantısına gerek kalmamaktadır. Kaçak endüktans ile iletime girme kayıpları azaltılırken, iletimden çıkma anındaki gerilim sıçramaları önerilen yöntem ile azaltılmaktadır.
• Bastırma diyotu ile bastırma kapasitörü üstündeki gerilim dalgalılığı ve kayıplar azaltılmaktadır.
• Azaltılmış EMI ve dışarıdan bağlı DC hat kondansatörlerinde oluşan yük darbelerinde azalma: Bastırma diyotları ile salınım azaltılmakta, artırılmış iletime geçme endüktansı ile DC hat akım darbesi düşürülmektedir.
• Standart elemanlar kullanılarak artırılmış verim ve üstün anahtarlama performansı,
• Yeniden geri kazanım devresi için ek çabaya gerek kalmadan akü şarj devresinin kullanılabilmesi.