Fırat DEVECİ

Off-Line Flyback Converter: Part 4

  • 1 sene önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 5 Yorum
  • 3.048 Kişi Okudu

FlybackConverterÜçüncü bölümde Flyback tasarımımızın en önemli hesaplamalarının çoğunu yapıp, özellikle akım ve dayanım gerilimlerini anahtarlama elemanları özelinde belirlemiştik.

Tüm switch mode uygulamalarda olduğu gibi bu uygulamada da manyetik eleman tasarımı, performansı en çok etkileyen etmenlerden biridir. Bir çok tasarımcı tarafından, farklı uygulamalarda, çeşitli parametreler bulunduğundan manyetik elemanların kapasitör ya da direnç gibi belirli bir standardı bulunmamaktadır. Bu bölümde özellikle okullarda çok değinilmeyen elektromanyetik eleman tasarımı ve bunun yanında yarı iletkenleri korumak için kullanacağımız clumper ve geri besleme tasarımı konularına değineceğiz.

Flyback Trafosu Tasarımı ve Sarım Teknikleri
Herhangi bir trafo aşağıdaki şekilde eş değer devre olarak resmedilebilir. Burada kaçak endüktanslar, trafo nüvesi ve teorik olarak ideal trafo net bir şekilde görülebilir.TransformerFlyback trafosu seçimi, 10-15 sene öncesine nazaran, günümüzde gittikçe karmaşıklaşan bir hal almıştır. Bunun nedenlerinden biri trafo için kullanılan materyallerin özellikle led sürücüler ile birlikte gelişmesi olarak gösterilebilir. Trafo seçiminde öncelikli seçim, hangi tür materyalin kullanılacağıdır. Herhangi bir trafonun hysteresis eğrisi aşağıdakine benzer yapıda olacaktır.Transformer HysteresisB~H eğrisinde, doyum noktasını yukarılara çektikçe, trafodan manyetik yol ile taşınabilecek enerji paketçiği boyutu artmaktadır. Dolayısı ile B değeri yani “Flux Yoğunluğu” yüksek değerli nüve seçmek tasarım boyutlarımızı küçültecektir. Fakat “Curie Sıcaklığı” fenomeninden dolayı “Flux Yoğunluğu”nun bir limiti vardır ve bu da yine nüveyi oluşturan ferromanyetik maddenin özelliğine bağlıdır. Günümüzde N49, N87, N92, N95, N97 gibi meteryal isimleriyle tanımlanmış trafo ve bunların yanında özellikle yüksek güçlü bobinler için tasarlanmış (bir çok firma farklı isimlendirme kullanıyor ben Magnetics’i temel alıyorum) MPP, Kool Mµ, High Flux, AmoFlux gibi bir çok tanımlama ile toroid benzeri nüve bulmak mümkündür. Bu konu, malzeme bilimine girdiğinden, bu kısımda ele almayacağız; tasarımlarınız için doğru nüve seçiminde özellikle EPCOS/TDK, Magnetics vb. bilinen firmaların dokümanlarını incelemenizi öneririm.

Günümüzde karşımıza en çok çıkan core çeşidi N87’dir. Bu materyal 150C sıcaklığa ve bu sıcaklıkta maksimum 0.3T değerinde manyetik akı oranına ulaşabilmektedir. Ayrıca 1MHz frekans bandında çalışmak için de uygun gözükür. Bu özellikleri, çoğu cihaz ve çalışma koşulunda yeterli olduğundan fiyat/performanslı cihazların çoğunda karşımıza bu materyale sahip trafolar çıkmaktadır. Eğer trafo seçimi konusunda zorlanıyorsanız, alternatif olarak aşağıdaki tabloyu kullanarak, ilk denemeleriniz için uygun trafoyu seçebilirsiniz.Core TableTrafo ve trafo üreticileri hakkında deneyim kazandıkça yukarıdaki tablodan bağımsız olarak deneysel çalışmalarınızı yürütebilirsiniz. Bu alanda Türkiye maalesef çok eksik ve yetersiz kalıyor. Yurt içi trafocularıyla çalışırken istediğiniz özelliği karşı tarafa net belirtmeyi unutmamalı ve baştan x2-5 arası maliyeti kabul etmelisiniz. Bu konuda özellikle Doğu Avrupa ülkeleri ile Çin lider durumunda bulunuyor. Dolayısı ile ileride, fiyat bazlı çalışma yaparken mutlaka yurt dışı ile iletişim halinde bulunmanız gerekiyor.

Uygulamamızda yukarıdaki tablodan bağımsız olarak performansını çok beğendiğim aşağıda fotoğrafı görülebilecek Epcos ürünü ETD 26/16/10 tipi nüve kullanmayı uygun gördüm. ETD nüvelerin en büyük avantajları köşeli olmamalarından dolayı, iyi bir coupling ve dolayısı ile kaçak endüktans oranlarının düşük olmasıdır. ETD tip trafodan türetilen EER ve RM tarzı trafolar da özellikle verimi arttırmak ve EMC problemlerinden uzaklaşmak için tercih sebebidir.ETD CoreDaha önceki bölümde Lm değerimizi aşağıdaki gibi belirlemiştik.8ETD 26/16/10 tipi nüvenin özellikleri aşağıda görülebilir.ETD29-16-10Trafo tasarımı yaparken, fiyat/performans adına bilinen dışında üretici ile çalışmamız gerekiyorsa minimum yukarıdaki bilgileri edindiğimize emin olmamız gerekmektedir. Yukarıdaki özellikleri kullanarak minimum primer tur sayımız aşağıdaki formülle hesaplanmaktadır.NpYukarıdaki formülde Iover adlı terim, 11. formülle hesapladığımız Ipeak değerinin yaklaşık %12 fazlasıdır. Bu değer özellikle değişen koşullar altında ve özellikle yük giriş çıkışları esnasında trafonun doyuma gitmesi için konulan üst sınır değerdir. Yine formülde Ae olarak gördüğümüz değer, manyetik akının izlediği kesit alanıdır. Bmax, formülde 0.3Tesla olarak alınmıştır.

Primer sarım sayısından sonra, primer/sekonder oranı ile birlikte sekonder sarımı sayısı aşağıdaki formülle kolayca hesaplanabilir.20Sarım oranı hesabında dikkat edilmesi gereken en önemli hususlardan bir tanesi, sarım sayılarının mutlaka tam sayı olmasıdır. Ayrıca hesap yapılırken yol üzerinde oluşabilecek diyot forward gerilimi gibi değerlerin de formüle işletilmesi doğru sarım oranını bize verecektir.

Flyback trafosu esasen bir bobindir ve manyetik alan üzerinden aktarılan enerjinin depolanması hava boşluğu sayesinde olur. Flyback trafolar ile forward benzeri trafoları ayırt etmede bu belirleyici bir etmendir. Tasarlanan trafoda, nüveler arası bırakılacak hava boşluğu aşağıdaki şekilde hesaplanabilir.21Bu kısımda unutulmaması gereken en büyük etmen, yukarıdaki formülün teorik olması ve üretim esnasında kullanılan materyale göre hava boşluğu oranının değişebilmesidir. Bu konuda üreticilerin verdikleri formüller daha doğru sonuç vermektedir. Ayrıca nüve üreticileri belirli nüveler için hazır hava boşluğuna sahip core’lar satmaktadır; uygulamanızda EMC problemleri yaşıyorsanız trafo göbeğinde hava boşluğu bulunan trafolara göz atmanızı öneririm.

Trafo sarımında en kritik aşamalardan biri ise doğru tel kesiti seçimi ve izolasyon için dikkat edilmesi gereken unsurlardır. Klasik bir flyback trafosunun sarım yönleri aşağıdaki gibidir.Flyback TransformerYukarıdaki trafoda primer sargısı ile çıkış ve aux sargıları yön olarak birbirinin zıttı yönde sarılmıştır. Trafo sargı kesitleri seçilirken genel kural akım yoğunluğunu, tel uzunluğu 1 metre üzerindeyse 5A/mm2 altında, eğer 1 metre altındaysa 6-10A/mm2 arasında seçmektir. Bunun yanında skin effect göz önüne alınarak telleri çok kalın kesitli seçmektense, ince ve çok damarlı yaparak hem alan kazanılabilir hem de verim artırımı söz konusu olur. Uygun tel oranları seçildikten sonra tur ve kesitler göz önüne alınarak aşağıdaki pencerelere sığıp sığmayacağı kontrol edilmelidir.Transformer WindowETD 26/16/10 için Aw değeri hesaplaması için boyutsal verilerden yararlanılır. Bobin sarılacak karkas için kenarlardan belirli toleranslar düşüldüğünde Aw=84.4mm2 çıkmaktadır. Bu alana tüm tel kesitleri, tellerin emaye kaplamaları varsa izolasyon bantları sığdırılacağı göz önüne alındığında, bu alanın maksimum %40’nın tel kesiti için kullanılacağı göz önüne alınarak, tel kesitlerinin sığıp sığmayacağı kontrol edilmeli, eğer sığmıyor ise tekrardan tel kesitleri seçilmelidir. Bir kaç iterasyondan sonra uygun değerler seçilip sarım yapılmalıdır. Tüm bunların yapılmasına karşın uygun sarım bulunamıyorsa bir üst trafoya geçilerek, yukarıdaki hesaplar tekrardan yapılmalıdır.

Trafo konusu her ne kadar önceden hesaplanabiliyor gibi görünse de üretim için mutlaka deneyime ihtiyaç vardır. Bu konuya yeni başlayacak arkadaşlar için bir kez dahi olsa kendilerinin trafo sarmalarını öneririm. Bu, hem size trafo sarım tecrübesi kazandıracak hem de üreticileri yönlendirmek için yararlı olacaktır.

Yukarıdaki trafoda görülen aux sargısı switch mode kontrolcüsü için gerekli beslemeyi sağlamak için kullanılmaktadır. Tasarım için seçtiğimiz FAN6754 entegresi normal koşullar altında 10V ile 30V aralığında çalışmaktadır. Tasarımımızda nominal çalışma gerilimi aralığını 16~19V seçtiğimizde aux sargısı aşağıdaki şekilde hesaplanır.22Yukarıdaki tüm hesapları bir tabloda toplarsak aşağıdaki sarım sayısı ve tel kesiti sonuçlarına ulaşırız. (Fotoğrafın üzerine tıklarsanız büyüyecektir).Transformer Final Result

RCD/Zener Snubber Tasarımı
Daha önce “Güç Elektroğinin Kabusu: Kaçak Endüktans” bölümünde ele aldığımız kaçak endüktans konusu özellikle Flyback Converter tasarımının en önemli sorunlarından biridir ve bu kaçak endüktans verimi ve çalışma performansını doğrudan etkilediği gibi yarı iletkenlerimiz üzerinde de ekstra stres oluşturmaktadır.DCM Mode FlybackDCM modda çalışan bir Flyback Converter devresinde primer taraftaki anahtarlama elemanı üzerinde düşen gerilim yukarıdaki gibi olmaktadır. Bu görüntüde 1. bölümdeki yükselmenin nedeni kaçak endüktanstır ve bu yükselme kontrol altına alınmazsa, anahtarlama elemanın dayanım gerilimini aşar ve özellikle mosfet gibi gerilim dayanımı az olan elemanlara zarar vererek devremizin çalışmamasına yol açar.

Bu etkiyi kontrol altına almanın yegane yolu trafo sarımını dikkatli yaparak kaçak endüktans oranını düşürmekten geçer; bunun için trafo primer sargıları ikiye bölünerek sandviç yapıda pri-sec-pri şeklinde sarım, hava aralığını düşük tutarak nüve ısınmasına izin vermek, sargıların çok düzgün ve sıralı bir biçimde sarılması gibi bir çok metot bulunur. Yalnız tüm önlemlere karşı yine de iyi bir trafo sarımında %1’ler civarında kaçak endüktans oluşumu görülür. Eğer kötü bir trafo üreticisi ile çalışıyor ya da kendiniz üretimi gerçekleştiriyorsanız bu oranın %3’lere rahatlıkla çıkabildiğini söylemek mümkündür.

Kaçak endüktans enerjisini almak için iki yol mevcuttur; aktif ve pasif clamp ya da diğer adıyla RCD (resisor-capacitor-diode) snubberlar. Aktif clamp örneklerini günümüzde bir çok uygulamada görmeye başladık. Bunlar içinde en güzel örneklerden biri aşağıda görebileceğiniz ve Apple şarj cihazında kullanılan patentli aktif clamp yapısıdır.Apple ClumpAktif clamp yapısına sahip tasarımlar genellikle ekstra maliyet arttırıcı çözümlerle karşımıza çıkarlar. Dolayısı ile aktif clamp yapısını incelemeyi daha sonraki yazılara bırakarak; fiyat/performans açısından uygun, daha az problem çıkaran pasif clamp örneklerine geçersek karşımıza aşağıdaki yapılar çıkar.Clamp CircuitsClamp’ın çalışma prensibi oldukça basittir: anahtarın kesime gittiği anda, kaçak endüktans üzerine birikmiş enerjiyi bertaraf etmek. Yukarıdaki clamp devrelerinden RCD ele alındığında, kapasite üzerine düşecek gerilim seçimiyle hesaplara başlanır. Bu gerilim anahtarlama elemanının dayanım gerilimi göz önüne alınarak ve Vro’dan büyük olacak şekilde seçilmelidir. Biz uygulamamızda bu değeri 200V seçtiğimizde aşağıdaki sonuca ulaşırız.23-24-25-26-27-2825. formülde bulunan snubber kapasitesi ripple oranını %10-20 oranında seçmek efektif olarak en uygun seçenek olarak karşımıza çıkmaktadır. Bunun yanında anahtarlama elemanımız üzerine düşecek maksimum gerilim stresi de 28. formülle birlikte 560V olarak belirlenmiştir. Dolayısı ile aşağıdaki şekilden de görülebileceği gibi 600-650V arası mosfet seçimi yaptığımız tasarım için uygun olacaktır ki yazı dizimizin başlarında bu değerin 600V olduğunu (FQP8N60C) söylemiştik.Snubber VoltagePratikteki uygulamalarda, yukarıdaki hesapları yapıldıktan sonra clamp devremizde harcamamız gereken güç değeri 2.5W ve altı ise genellikle ZD Clamp yapısı tercih edilir ve TVS adı verilen diyotlar kullanılır. Bu diyot seçimlerinde ise 26. formülde görülen akım değerinde Vsn2 gerilimini aşmayacak TVS diyot kullanımı uygundur. Bu anlamda tasarımımızda P6KE150A adlı TVS diyodu ZD clamp yapısıyla birlikte kullanacağız.

Clamp devrelerinin hepsinde görülebileceği üzere bir adet diyot bulunur ve bu diyodun hızı EMC performansını doğrudan etkiler. Özellikle yüksek güçlerde hızlı diyot kullanımı sıkıntılıdır ve bunun yanında sahte diyotlar ile problemler yaşamak da olasıdır. Bu konuda daha önce ele aldığımız “Diyotlar: Reverse Recovery” adlı yazıyı mutlaka okumanızı öneririm.

Clamp devreleri ile ilgili çok faydalı bulduğum Fairchild’ın AN-4147 adlı application note’u, el altında bulunması gereken dokümanlar arasındadır.

Geri Besleme Kontrolünün Tasarımı
Daha önce “Kontrolün Kalbi: TL431” adlı yazıda değindiğimiz geri besleme kontrolü, tüm kontrol devrelerinde olduğu gibi switch mode güç kaynaklarının da kalbi sayılabilir. Yüke giriş çıkışlarda çıkış gerilim ve akım değerlerinin sabit kalmasını sağlayan kontrolcünün tasarımı burada ele alınamayacak kadar kapsamlıdır ve çok fazla matematik, kontrol sistemler bilgisi gerektirir. Dolayısı ile bu konuda çalışmak isteyen arkadaşlarımızı aşağıda önereceğim kaynaklara yönlendireceğim.

Tasarımımızda kullanılacak geri besleme mekanizmasının (PI Kontrol), hesaplanmış sonuçlarını aşağıda görebilirsiniz. Fotoğrafın üzerine tıklarsanız ayrıntılı hesaplamaları görebilirsiniz.Flyback Feedback ControlKontrol teknikleri konusunda Fairchild’ın AN-4137 adlı application note’u, Abraham I. Pressman‘ın Switching Power Supply Design ve Sanjaya Maniktala‘nın Switching Power Supplies A to Z kitaplarından ilgili konuya göz gezdirmenizi öneririm.

Hesaplamalar Bölümünü Bitirirken…
Flyback converter, tüm switch mode uygulamalara başlamada ve öğrenmede mihenk taşı olarak görülebilir. Bu konuda buraya sığmayacak kadar çok deneyim ve elde ettiğimiz sonuçlar bulunur. Teknolojinin hızla ilerlediği günümüzde, yeni malzemeleri eski uygulamalara entegre etmek, onları daha verimli ve küçük alanlara sığdırarak performanslarını arttırmak, fiyat/performansı göz ardı etmeden mümkün halde gelmektedir.

Gelecek bölümde, geçtiğimiz 4 bölüm boyunca elde ettiğimiz verileri, simülasyon programı ve gerçek uygulama karşılaştırması ışığında inceleyerek, yazı dizimize son vereceğiz.

Konu ile ilgili sorularınızı lütfen yorum bölümünden bana iletiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

  1. Hakan dedi ki:

    Hocam TVS diyot söndürme kapasitansını resetlemek bir sonraki periyoda hazırlamak içinmi kullanıldı.

  2. Cem dedi ki:

    Merhaba Fırat Bey,

    Öncelikle elinize sağlık. Yazınızda yer alan 25. formülün nereden geldiğini açıklar mısınız?
    Ayrıca 23. formülde geçen Llk değerinin nasıl ortaya çıktığına da değinebilirseniz yazının içeriği açısından da yararlı olabilir.

    İyi çalışmalar.

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Cem Bey öncelikle ilginiz için teşekkürler.
      Yazımda bu kısımları güncelleyeceğim. Güncellemeyi yapıncaya dek 25. formülde yer alan Llk yani kaçak endüktans değerinin yaklaşık %1-3 civarlarında olacağından bahsetmiştim. Yaptığımız uygulamaya göre seçtiğimiz nüve için bu değeri %1 olarak kabul ettim. Bu değer trafo üretimi ile ilgili olduğundan direk tecrübesel bir değer olarak seçiliyor. İkinci formülde ise paralel direnç/kapasite hesaplarından geliyor. Bunları da yine dediğim gibi yazıma ekleyeceğim.

      • Cem dedi ki:

        Tekrar merhaba Fırat Bey,

        Güncellemenizi dört gözle bekleyenler olacaktır eminim. Verdiğiniz 25. formülde geçen Vsn1 ifadesinin AN-4137 notunda hatalı yazıldığını düşünüyorum. Fairchild’ın AN-4147 notunda da düzeltilmiş. Sizde bir kontrol ederseniz güncellemeye katkı sağlamış oluruz.

        İyi çalışmalar.

Yorum Yazınız

error: Kopyalama KARDEŞ!