Flyback dönüştürücüler ilk bakışta güç elektroniğinin en basit topolojilerinden biri gibi görünür. Ancak tasarımın derinliklerine indikçe, denklemlerde yer almayan, uygulama notlarında tek satırla geçilen ve çoğu zaman ancak birkaç prototip yakıldıktan sonra öğrenilen kurallarla karşılaşırız. Daha önce yayınladığım beş bölümlük flyback serisinde (bölüm 1, bölüm 2, bölüm 3, bölüm 4, bölüm 5) çalışma prensibinden manyetik tasarıma, primer endüktans hesaplarından sargı yapılarına, MOSFET ve diyot seçimlerinden geri besleme yöntemlerine kadar birçok temel konuyu ele almıştık. Bir flyback dönüştürücünün teorik olarak nasıl tasarlanacağını adım adım incelemiş, hesap yöntemlerini ve tasarım yaklaşımını detaylandırmıştık.
Ancak gerçek dünya çoğu zaman teoriden biraz farklı çalışır ve her ne kadar hesaplar doğru olsa bile testlerde ilginç sonuçlar alabilir, trafodan rahatsız edici sesler duyabilir, MOSFET sıcaklıklarının tahmin edilenden yüksek olduğunu görebilir veya ilk prototipte hiç beklemediğiniz problemlerle karşılaşabilirsiniz. Ya da topolojiyi hiç düşünmediğimiz şekillere sokarak bir taşla iki kuş hatta beş kuş vurmamız gerekebilir. Bu yüzden, bu yazımda, flyback topolojisinin görünmeyen tarafına, yani karanlık sanatlarına giriş yapmış olacağız.
1) Yardımcı Besleme (Auxiliary) Sınırlarını Aşalım!
Yüksek güçlü flyback tasarımlarında genellikle güç anahtarını doğrudan bünyesinde barındırmayan, harici anahtar (mosfet, IGBT, BJT) süren kontrolcü entegreleri kullanılır. Bu kontrolcülerin çalışabilmesi için ilk enerjilendirme anında çeşitli start-up yöntemleriyle beslenmeleri sağlanır. Devre normal çalışma durumuna geçtiğinde ise besleme görevi, trafonun üzerine sarılan yardımcı (auxiliary veya aux) sargıya devredilir.
Flyback dönüştürücülerde yardımcı sargı genellikle çıkış sargısıyla aynı manyetik yapı üzerinde yer alır ve çıkış gerilimini belirleyen geri besleme döngüsünü doğal olarak takip eder. Bu sayede giriş gerilimi 85-265Vac gibi geniş bir aralıkta, hatta bazı uygulamalarda yüzlerce voltluk değişimler gösterse bile, kontrolcü entegresinin ihtiyaç duyduğu besleme gerilimi oldukça dar sınırlar içerisinde tutulabilir. Bu nedenle güç elektroniği tasarımlarının büyük kısmında kontrolcü beslemesinin, ek bir regülatöre ihtiyaç duyulmadan doğrudan aux sargısından elde edildiğini görürüz. Ancak aux sargısının büyük bir dezavantajı vardır: ürettiği gerilim, geri besleme alınan ana çıkış gerilimiyle doğrudan ilişkilidir. Çıkış geriliminin sabit kaldığı klasik güç kaynaklarında bu durum herhangi bir problem oluşturmaz fakat çıkış geriliminin geniş aralıkta değişmesinin istendiği uygulamalarda, aşağıda çıkış gerilim/akım grafiği bulunan CC/CV çalışan akü şarj cihazlarında, çıkışın uzun süre akım limitinde çalıştığı tasarımlarda veya çıkış kısa devre olduğunda sigorta attırabilmek amacıyla güç kaynağının çalışmaya devam etmesinin beklendiği durumlarda işler değişir.
Bu tip uygulamalarda çıkış gerilimi sıfıra yaklaşırken, klasik flyback mantığıyla sarılmış aux sargısının gerilimi de aynı şekilde düşer. Sonuç olarak kontrolcü entegresinin besleme gerilimi UVLO seviyesinin altına iner, kontrolcü kapanır ve güç kaynağı tam da çalışması gereken anda kendini kapatmış olur.
Bu problemin önüne geçmek için bazı tasarımlarda aux sargısı klasik flyback çıkış sargılarıyla aynı polaritede sarılmak yerine, yukarıdaki şekilde siyah ile gösterilen konumdan kırmızı ile gösterilen konuma taşınarak forward sarım yönünde oluşturulur. Böylece kontrolcü beslemesi doğrudan çıkış gerilimine bağımlı olmaktan kurtulur. Ana kontrolcü entegresinin güç tüketimi oldukça düşük olduğundan, dönüştürücü çok küçük duty oranlarında veya çıkış kısa devre durumundayken bile aux sargısından yeterli enerji elde edilebilir. Sonuç olarak güç kaynağı, çıkış gerilimi sıfıra yaklaşsa bile kontrolünü kaybetmeden çalışmaya devam edebilir.
Örneğin klasik bir flyback tasarımında primer sargısı Np=80 tur, sekonder sargısı Ns=20 tur ve yardımcı sargı Naux=10 tur olsun. Çıkış geriliminin 24V olarak regüle edildiği bir uygulamada aux sargısında yaklaşık 12V elde edilmesi beklenir. Ancak çıkış geriliminin çeşitli sebeplerle 12V seviyesine düştüğü bir durumda aux gerilimi de yaklaşık 6V seviyesine gerileyecektir. Bu değer çoğu kontrolcü entegresinin UVLO eşiğinin altında kalacağından, dönüştürücü çalışmayı durduracaktır.
Bu problemin önüne geçmek için aux sargısı klasik flyback çıkış sargılarıyla aynı polaritede sarılmak yerine, forward çalışma prensibinden faydalanacak şekilde primer tarafına referanslı olarak sarılması yararlı olacaktır. Böyle bir örnekte DC bara geriliminin 240V ile 400V arasında değiştiğini ve yardımcı sargının 4 tur olarak sarıldığını düşündüğümüzde aux gerilimi;
240V girişte: (240/80)×4 ≈ 12V
400V girişte: (400/80)×4 ≈ 20V
aralığında değişecektir. Dikkat edilirse bu gerilim artık çıkış geriliminden değil, doğrudan primer taraftaki volt-sarım oranından türetilmektedir. Dolayısıyla çıkış gerilimi sıfıra yaklaşsa, dönüştürücü akım limitinde çalışsa veya çıkış tamamen kısa devre olsa bile kontrolcü entegresi beslenmeye devam eder. Böylece güç kaynağı kontrolünü kaybetmeden çalışabilir, uzun süreli akım sınırlama modunda kalabilir ve gerektiğinde gerçek bir akım kaynağı gibi davranabilir.
İşte flyback tasarımının karanlık sanatlarından biri de budur: Bazen bir güç kaynağının kaderini yeni bir entegre değil, trafodaki birkaç turun yeri belirler.
2) Flyback Trafosunu Doyuma Yakın Çalıştır!
Flyback trafoları, klasik güç trafolarından farklı olarak enerjiyi doğrudan aktarmak yerine belirli bir süre boyunca depolayıp daha sonra çıkışa aktaran bir yapıdadır. Bu nedenle çoğu flyback trafosu belirli bir hava boşluğu (air gap) ile tasarlanır. Hava boşluğu sayesinde nüvenin enerji depolama kapasitesi artırılır ve nüvenin doygunluğa ulaşması zorlaştırılır.
İlk bakışta hava boşluğunu artırmak oldukça cazip görünebilir: Daha büyük hava boşluğu; primer endüktansın sıcaklık, yük ve nüve toleranslarından daha az etkilenmesini sağlayabilir. Bunun yanında nüvenin manyetik zorlanmasını azaltarak sıcaklık performansına da olumlu katkı sağlayabilir.
Ancak bu yaklaşımın gözden kaçan bazı yan etkileri vardır. Hava boşluğu büyüdükçe manyetik alanın tamamı nüve içerisinde kalamaz ve alan çizgilerinin bir kısmı nüvenin dışına taşmaya başlar. Daha önce buradaki gönderimde detaylı olarak anlattığım gibi, bu kaçak manyetik alanlar sargılar üzerinde ek kayıplara neden olabilir. Özellikle hava boşluğuna yakın bölgelerde bulunan iletkenlerde ciddi proximity kayıpları oluşabilir ve trafo sıcaklığının beklenenden yüksek çıkmasına yol açabilir.
Bunun yanında hava boşluğunun büyümesi, primer ve sekonder sargılar arasındaki manyetik bağlaşımı (coupling) da olumsuz etkiler. Coupling katsayısı düştükçe kaçak endüktans yükselir. Artan kaçak endüktans ise MOSFET üzerinde daha yüksek gerilim piklerine, daha büyük snubber kayıplarına ve genellikle daha kötü EMI performansına neden olur. Ayrıca verim olarak da trafodan istediğimiz sonucu elde etmemizi zorlaştırır.
Bu nedenle flyback tasarımında amaç her zaman mümkün olan en büyük hava boşluğunu kullanmak değildir. Çoğu durumda daha yüksek akı yoğunluğunda çalışmak, hava boşluğunu makul seviyelerde tutmak ve daha iyi coupling elde etmek; kaçak endüktans, EMI performansı ve verim açısından daha başarılı sonuçlar verebilir. Elbette bunun karşılığında nüve doyumu, sıcaklık artışı ve tolerans analizleri dikkatle değerlendirilmelidir.
İşte flyback tasarımının karanlık sanatlarından biri de budur: Bazen teoride daha güvenli görünen büyük hava boşluğu, pratikte daha fazla EMI problemi, daha yüksek sıcaklık ve daha büyük snubber kayıpları olarak geri dönebilir.
3) Giriş Gerilimini İzoleli Olarak Okuyalım!
Bazı flyback tasarımlarında giriş gerilimini izoleli olarak okumamız gerekebilir. Özellikle yüksek güçlü PFC, inverter veya DC/DC dönüştürücülerin beslendiği sistemlerde, giriş geriliminin belirli bir seviyenin altına düşmesi ya da fazla yükselmesi durumunda cihazı kapatmak isteyebiliriz. Bazı durumlarda ise sadece giriş gerilimini takip etmek ve kontrol algoritmasına bilgi vermek gerekebilir.
Normalde yüksek gerilim tarafındaki bu bilgiyi izoleli olarak kontrol katına taşımak istediğimizde yukarıda görebileceğiniz AMC1311 benzeri izolasyonlu opamp’lar, izolasyonlu ADC yapıları veya lineer optokuplörler kullanmamız gerekir. Bu çözümler teknik olarak oldukça başarılıdır ancak maliyet tarafında her zaman can yakarlar.
Flyback trafosu ise burada küçük bir hileye izin verir. Zaten elimizde primer tarafla sekonder taraf arasında izolasyon sağlayan bir manyetik yapı vardır. Doğru sarım oranı, uygun doğrultma ve basit bir RC filtreyle, giriş gerilimine orantılı izole bir ölçüm bilgisini yalnızca birkaç pasif eleman maliyetiyle elde etmek mümkün olabilir.
Bu ölçümü gerçekleştirebilmek için öncelikle sekonder doğrultma diyodunun referansını değiştirerek GND’ye karşı ters yönde yerleştirmemiz gerekir. Aslında bu bağlantı şekli bizlere yabancı değildir; benzer bir yerleşimi senkron flyback uygulamalarında sekonder MOSFET sürme yapılarında sık görürüz. Küçük bir not olarak eklemek gerekirse, bazı tasarımlarda bu yerleşim EMI performansına da olumlu katkı sağlayabilmektedir. Diyodun bu şekilde bağlanması flyback’in temel çalışma prensibinde ve hesaplamasında herhangi bir değişiklik oluşturmaz.
Sonrasında ikinci bir diyot yardımıyla ileri yönlü bir peak-detection devresi oluşturulur. Bu noktada kullanılan diyodun, sekonder doğrultma diyodundan daha yüksek ters gerilim dayanımına sahip olması gerekebilir. Peak akımını sınırlamak amacıyla diyoda seri bir direnç eklenebilir. Ayrıca elde edilen gerilimi kullanabilmek ve peak-detection kondansatörünün kontrollü şekilde boşalmasını sağlamak için bir direnç bölücü yapısı oluşturulabilir. Buradaki süreyi devrenizin yapısına göre To=RxC, kapasite deşarj formülünden elde edebilirsiniz.
Bu yapıda kondansatör üzerinde oluşan gerilim yaklaşık olarak;
Vdc = (Vbus / n) + Vout + Vd
şeklinde ifade edilebilir. Burada Vbus giriş DC bara gerilimini, n trafo sarım oranını, Vout çıkış gerilimini ve Vd ise doğrultma diyodu üzerindeki ileri yön gerilim düşümünü temsil etmektedir.
Pratikte peak-detection diyodu ile çıkış doğrultma diyodu benzer karakteristiklere sahip seçildiğinde diyot gerilim düşümleri büyük ölçüde birbirini götürür ve denklem;
Vdc = (Vbus / n) + Vout
şeklinde sadeleşir.
Çıkış geriliminin sabit olduğu bir uygulamada elde edilen gerilimin doğrudan giriş bara gerilimi ile ilişkili olduğu görülmektedir. Başka bir ifadeyle flyback trafosu, ek izolasyon bileşenlerine ihtiyaç duymadan giriş gerilimini sekonder tarafa taşıyan basit bir izolasyonlu sensör gibi davranmaya başlar. Üstelik trafo üreticileri sarım oranlarını genellikle oldukça sıkı toleranslarda tuttuklarından, bu yöntem çoğu koruma ve izleme uygulaması için beklenenden daha iyi sonuç verebilir ve seri üretime uygundur.
İşte flyback tasarımının karanlık sanatlarından biri de budur: Bazen izolasyonlu gerilim ölçümü için gereken en pahalı bileşen, zaten trafonun içinde yıllardır sizi bekliyordur.
4) Daha Fazla, Daha Da Fazla İzole Gerilim Üretimi!
Flyback dönüştürücünün en güçlü özelliklerinden biri, iyi bir cross regülasyon performansına sahip olmasıdır. Bu sayede geri besleme alınan ana çıkışa bağlı kalarak aynı trafo üzerinden birden fazla yardımcı çıkış üretmek oldukça kolaydır. Çoğu durumda yeni bir gerilim elde etmek için gereken tek şey, trafo üzerine birkaç tur daha tel sarmaktır.
Örneğin 24 tur üzerinden geri besleme alınan ve 24V çıkış üreten bir flyback trafosunda, aynı nüve üzerine 12 tur daha sarıldığında yaklaşık 12V, 5 tur sarıldığında ise yaklaşık 5V seviyesinde ek çıkışlar elde edilebilir. Elbette diyot düşümleri, yükleme durumu ve sarım toleransları nedeniyle gerilimler tam olarak teorik değerlerinde olmayacaktır ancak özellikle belirli bir minimum yük seviyesinin üzerinde çalışıldığında bu çıkışların regülasyonu çoğu uygulama için oldukça tatmin edici seviyededir. Bu nedenle yukarıdaki gibi flyback trafosu çoğu zaman yalnızca bir güç aktarım elemanı değil, aynı zamanda çok sayıda yardımcı beslemeyi neredeyse bedavaya üretebilen bir güç dağıtım merkezi gibi düşünülebilir.
Teorik olarak bir flyback trafosuna istediğimiz kadar sekonder sargı ekleyebilir ve her birinden izole ya da izolesiz, nispeten regüleli çıkışlar elde edebiliriz. Yeni bir gerilim seviyesine ihtiyaç duyulduğunda çoğu zaman yapılması gereken tek şey, trafo üzerine birkaç tur daha tel sarmaktır. 2 veya 3 yardımcı çıkış söz konusu olduğunda bu yaklaşım oldukça pratiktir. Ancak çıkış sayısı arttıkça karşımıza mekanik bir problem çıkmaya başlar: trafo karkası. Flyback trafoları kullanılan nüve tipine bağlı olarak 3+3 pin gibi küçük yapılardan başlayıp 10+10 pin gibi oldukça büyük yapılara kadar üretilebilmektedir. Buna rağmen çıkış sayısı 10, 15 veya 20 seviyelerine ulaştığında karkas üzerindeki pin sayısı yetersiz kalmaya başlar.
İşte bu noktada karşımıza ilginç bir soru çıkar: Eğer trafo nüvesi ve manyetiği istediğimiz gücü bize verebilecekken, karkas pin sayısı yetmiyorsa nasıl bir çözüm bulabiliriz?
Benim en sevdiğim yöntemlerden biri, flyback trafosunun sekonderinden ilave trafolar sürmektir. İlk bakışta biraz garip görünse de, aslında flyback topolojisinin sağladığı avantajları kullanarak çok sayıda izolasyonlu yardımcı besleme elde etmenin oldukça pratik bir yoludur.
Bu yöntemde geri besleme alınan ana çıkış sargısı referans alınır ve sarım yönlerine dikkat edilerek ek trafoların primerleri bu çıkıştan beslenir. Daha sonra ek trafoların sarım oranları belirlenerek ihtiyaç duyulan gerilimler elde edilir.
Örneğin yukarıdaki uygulamada izoleli bir şekilde +12V, +18V/-3V ve +5V çıkışları oluşturulmuştur. Elbette bu gerilim seviyeleri tamamen uygulamaya bağlıdır. Sarım oranlarını değiştirerek ihtiyaç duyduğunuz hemen hemen her gerilim seviyesini elde edebilmeniz mümkündür. Eklediğimiz ek trafoların güçleri ilgili çıkışın güç ihtiyacına göre belirlenmelidir.
Bu yaklaşımın hoş yanlarından biri de ilave izolasyon sağlamasıdır. Enerji önce ana flyback trafosundan, ardından yardımcı trafodan geçtiği için çift kat izolasyon elde edilmiş olur. Bu durum özellikle daha önce CMTI yazısında anlattığımız yüksek dv/dt ortamlarında önemli avantajlar sağlayabilmektedir.
Kullanım mantığı ise oldukça basittir. Örneğin geri besleme alınan ana çıkışınız 24V ise, 24:12 oranlı bir yardımcı trafo ile yaklaşık 12V elde edebilirsiniz. Aynı şekilde farklı sarım oranları kullanılarak ihtiyaç duyulan diğer gerilimler de üretilebilir.
Bir diğer önemli nokta ise, bu yardımcı trafoların da flyback prensibine göre çalışmasıdır. Bu nedenle elde edilen çıkışların regülasyonu çoğu uygulama için oldukça tatmin edici seviyededir. Hatta yardımcı trafolara küçük bir hava boşluğu verilerek olası kısa devre durumlarında ana flyback trafosunun aşırı yüklenmesi ve çıkışın tamamen çökmesi de önlenebilir.
Sonuç olarak bu yöntem sayesinde trafo karkasındaki pin sayısı sınırlayıcı olmaktan çıkar ve teorik olarak ihtiyaç duyulan her yeni yardımcı trafo ile yeni bir izolasyonlu besleme üretmek mümkün olur.
İşte flyback tasarımının karanlık sanatlarından biri de budur: Pin sayınız bittiğinde yeni bir güç kaynağı eklemek yerine, mevcut güç kaynağınıza yeni trafolarla gerilimler üretmeye başlayabilirsiniz.
Yazının Sonuna Gelirken…
Bu yazıda flyback topolojisinin klasik tasarım kurallarının biraz dışına çıkarak, yıllar içerisinde farklı projelerde karşılaştığım ve çoğu zaman uygulama notlarında rastlanmayan bazı yöntemlerden bahsetmeye çalıştım. Elbette burada anlattığım yöntemlerin hiçbiri birer buluş değil; her birinin kendi avantajları, dezavantajları ve dikkat edilmesi gereken noktaları var. Ancak güç elektroniğinde yıllar geçtikçe asıl sihrin yeni bir entegrede, daha hızlı bir MOSFET’te veya daha büyük bir işlemcide değil; elinizdeki topolojiyi farklı bir gözle değerlendirmekte olduğunu görüyorsunuz.
Flyback dönüştürücü de bu konuda oldukça cömert bir topoloji ve yıllardır neden en sevdiğim topolojilerden biri olduğunun adeta bir kanıtı niteliğinde. İlk bakışta basit görünse de, doğru kullanıldığında yalnızca bir güç kaynağı olmaktan çıkıp ölçüm yapan, yardımcı beslemeler üreten, izolasyon sağlayan ve beklenmedik problemlere yaratıcı çözümler sunan çok yönlü bir araca dönüşebiliyor.
İşte flyback tasarımının karanlık sanatlarının sırrı tam olarak burada yatıyor: Datasheet’in bittiği yerde, tecrübe konuşmaya başlıyor!
Yeni bir yazıda görüşmek dileğiyle. Sorularınızı ve görüşlerinizi yorum bölümünden iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim!