Güç elektroniği alanının önemli çevrim topolojilerinden biri olan çift anahtarlı forward dönüştürücünün temel özelliklerine daha önceki bölümde değinmiştik. Her topolojide olduğu gibi forward dönüştürücülerde de tasarımında en kritik adımlardan biri, devre elemanlarının doğru boyutlandırılmasıdır. Boyutlandırma durumu ise hem maliyet hem de tekniğin harmanlandığı karmaşık bir süreçtir. Bu bölümde, transformatör tur sayılarından çıkış bobinine, kapasitör seçiminden yarı iletkenlerin gerilim ve akım streslerine kadar temel hesaplama adımlarını adım adım ele alıp bu karmaşıklığı bir düzene sokmaya çalışacağız. Daha önce Flyback yazı serisinde olduğu gibi, önemli formüller üzerinden ilerleyip, pratik tasarım kriterlerini belirleyecek ve tasarımcıların kolayca uyarlayabileceği aynı zamanda ip uçları da içeren bir rehber olma amacı güdecektir.

Daha önceki bölümde tasarım kriterlerimizi aşağıdaki şekilde belirtmiştik.Ülkelerin seçtikleri şebeke gerilimleri ele aldığımız buradaki bölümde ülkelerin çoğunluğunun aslında 230Vac kullanıldığı görülebilir. Özellikle fiyat performansın önde olduğu ve hedefin Türkiye ve Avrupa pazarı olduğu bir durumda, bazen universal girişli (90~265Vac) güç kaynağı tasarlamak gereksiz olabilir. Bu durumda giriş gerilimi daraltılarak maliyet odaklı, basit ve daha dayanıklı cihazlar yapmak mümkün hale gelmektedir.

Giriş Kapasitesinin Seçimi
Giriş kapasitesinin seçimi için öncelikle giriş gücümüzü bulmamız gerekmektedir. İlk bölümde bahsettiğimiz gibi çift anahtarlı forward dönüştürücüler verimli bir topoloji olduklarından başlangıç için verim oranı %90 olarak alınabilir. Bunun yanında giriş kapasitesi seçimi aynı flyback’de olduğu gibi universal bir giriş için watt başına 2~3uF, bizim gibi dar bir giriş oranında ise 1~1.5uF şeklinde alınabilir.Yaklaşık 300W bir güç kaynağında, hem de yüksekliği hem de giriş kapasitesindeki ripple akımı azaltmak için burada 2x220uF/400V giriş kapasitesini kullanmayı uygun gördüm.

Duty, Trafo Tur Oranı, Çıkış Diyotları Gerilimi Seçimi
Forward dönüştürücülerde duty, direkt çıkışı da ilgilendirdiğinden bir çok seçim ortak şekilde yapılır. Mosfetlerin minimum dayanım gerilimi giriş kapasitenin maksimum gerilimi kadar olmalıdır. Bu da 5. formül üzerinde görülebilir.Literatürü araştırdığınızda sarım oranını belirlemek için 6. formülün Eff bölümü hariç şekli görülür. Bu yanlış bir hesaptır çünkü sarımlar üzerindeki gerilim düşümünü devrede ek oluşacak kayıpları hesaba katmaz. Bunun için formüle Eff yani verim eklenmesi faydalı olacaktır. Sarım oranını seçerken çok oranlı sayıların seçilmemesi önerilir. Diğer türlü trafo üreticileri küsüratlı sarım kapamayacaklarından hesaplar istediğimiz gibi gelmeyebilir. 6. formüldeki Vf çıkış diyot gerilimi düşümünü, Dmax ise en düşük giriş gerilimindeki Duty değerini temsil eder. Forward dönüştürücülerde duty mutlaka %50 altı seçilmesi gerektiğinden burada duty oranı %45.5 seçilmiştir. Sarım oranı belirlendikten sonra çıkış diyotlarının dayanması gereken gerilimler de ortaya çıkmaktadır. Şebeke gerilimi düştüğünde D2 diyodunun daha fazla akım çektiği özellikle 10. formülde görülebilir. Eğer D1 ve D2 aynı paket içerisinde kullanılmayacaksa özellikle buna dikkat edilerek D2 diyodu seçilmelidir.

Çıkış Bobini ve Trafo Manyetik Tasarımı
Bu bölüme kadar hiç bir frekans ve zaman bilgisinden konuşmadık. Flyback aksine forward dönüştürücülerde duty değeri frekanstan bağımsız mosfet ve diyotların gerilim seviyelerini belirlemek için yeterlidir. Seçtiğimiz forward dönüştürücünün boyutunun küçük olabilmesi için çalışma frekansını 100kHz olarak belirlemek iyi olacaktır. Forward dönüştürücülerde tüm akımların değerlerini belirleyen ana unsur çıkış bobinidir. Dolayısı ilk bu aşamada çıkış bobininin değeri belirlenmelidir.11. formüldeki hesap karışık gelse de olan bobinin temel formülüdür. Forward dönüştürücülerde bobinin üzerinde oluşacak maksimum ripple akımı giriş maksimumken olur. Dolayısı ile formül giriş gerilimi maksimumken işletilmiştir.

Bu aşamadan sonra trafo nüvesi seçilmeli ve bu trafoya göre tur oranları belirlenmelidir. Genellikle bu işe yeni başlayan tasarımcıların en zorlandıkları kısım trafo seçimi özelinde olmaktadır. Bir çok web sitesi ya da uygulama notunda frekans, güç, akım gibi girdilerden yola çıkarak trafo önerisi yapsalar da maalesef çoğu hatalıdır. Çünkü aynı çıkış gücüne sahip 30V 10A güç kaynağının trafosu ile 5V 60 güç kaynağının trafosu, topoloji aynı dahi olsa birbirinden çok farklı olacaktır. Bu konuda benim önerdiğim tahmini bir trafo ile yola çıkıp 4-5 iterasyon ile nihai çözüme ulaşmaktır. Yıllardır excel ile çalışmamın altında biraz da bu yatar. Ben bu uygulama için E42/21/15 adlı trafoyu seçtim.12. formüle esasen faraday formülünün aynıdır. Forward dönüştürülerde nüve kayıplarının önüne geçebilmek için Flyback tasarımının aksine 0.2T seviyesinin geçilmemesi önerilir. Biz de bu değeri temel aldığımızda minimum tur oranımızın 20.36 olduğu görülmektedir. Perimer tur oranını 30 olarak tam sayıya eşitlediğimizde sekonder turunun da 10 olması gerektiği ortaya çıkar. Forward dönüştürücülerde aksi durum olmadıkça hava boşluğu kullanılmaz, bu da trafo endüktansını 15. formüldeki gibi oldukça kolay hesaplamıza olanak sağlar.16. fomülde trafonun girişten çektiği ortalama akım hesaplanır. Primer endüktansı üzerindeki ripple akım değeri ise 18. formülle hesaplanır ve genellikle oldukça düşük bir değerdir. Peak akım değeri ise 19. formülle hesaplanır. İdeal bir tasarım için 18. formülle hesaplanan akım değeri, peak akım değerinin maksimum %10-15’i oranında olmalıdır. Bizim tasarımımızda bu oran %8.33’tür. Ayrıca trafomuzu tasarlarken oldukça önemli olan primer ve sekonder RMS akımları da 20 ve 21. formüllerle hesaplanır.Son olarak çıkış kapasitesinin çekeceği RMS akım ve bunun sonrasında oluşacak çıkış gerilimi ripple değeri 22 ve 23. formüller üzerinden hesaplanabilir. Burada 2 adet 1000uF/35V kapasite seçimi yapılmıştır. Her bir kapasitenin 40mOhm ESR değerine sahip olduğu öngörülmüştür.

Son olarak çıkış kapasitesi hesabıyla iki anahtarlı forward dönüştürünün temel hesaplamaları bitmektedir. Flyback dönüştürülerin aksine forward tasarımın trafosunu hesaplama çok daha kolaydır. Bu da tasarımın oldukça yalın olmasını sağlar. Özellikle 12. formülden sonraki her aşamayı etkileyen çıkış bobini burada çok kritik rol oynamaktadır. Aşağıdaki tabloda yukarıdaki işlemlerin hepsini toplu olarak görebilirsiniz, büyütmek için üzerine ya da buraya tıklamanızı öneririm.

Final Bölümüne Geçerken…
Excel tablosundaki hesaplamaları incelediğinizde, burada detaylandıramadığımız birkaç unsurun daha olduğunu fark edeceksiniz. Genellikle bu unsurlar, seçilen SMPS kontrolcü entegresi veya trafo sarımlarıyla ilgili olmakta ve uygulamadan uygulamaya çok fazla değişkenlik göstermektedir.

Bir sonraki bölümde, hesapladığımız değerleri simülasyonlarda kullanacak ve gerçek uygulama sinyallerini birlikte inceleyeceğiz.
Merak ettiklerinizi yorumlar kısmında paylaşabilirsiniz.
Herkese iyi çalışmalar dilerim!