Fırat DEVECİ

Quasi Resonant Flyback Converter

  • 2 hafta önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 2 Yorum
  • 1.138 Kişi Okudu

Güç elektroniğinde, elektrik ve enerji aktarımında konu “izolasyonlu converter” arenasına geldiğinde, 300W ve altında, onca dönüştürücünün yanında Flyback açık ara, “hâlâ”, en popüler dönüştürücüler arasında yer alır. Bu nedenledir ki gerekse web sitem üzerinde gerekse internette flyback konusunda onlarca dokümana ulaşmak mümkündür. 2015-2016 yıllarında USB Type-C’nin duyurulması, daha güçlü ve batarya kapasiteleri daha büyük cep telefonları gibi taşınabilir araçların yaygınlaşması ile birlikte hızlı şarj ihtiyacı ortaya çıktığında Flyback yine vazgeçilmezler arasında olmuştur. Bu denli yüksek güçlerde flyback dönüştürülerin bir çok problemini aşmak için ise tasarımcıların iyi bir çözüme ulaşmaları gerekiyordu ve bu çözüm Quasi Resonant kontrolcülerle birlikte onların imdadına yetişti.

Yüksek Güçlerde Flyback Converter’in Başına Neler Geliyor?
Bir ürünümüz tüm dünyaya satılıyor ve bu ürünün, dünyanın her bölgesinde sorunsuzca çalışmasını istiyorsak cihazımızın 85~285V gerilim değerine sahip herhangi bir şebeke koşulunda çalışmasını sağlamak zorundayız demektir. Flyback converter’in bu kadar yaygın kullanılmasındaki asıl konu, bize en az malzeme ile bir önceki cümlede sözünü ettiğimiz soruna çözüm olmasında yatmaktadır. Yalnız giriş gerilim aralığı bu kadar değişkenken ve güç değerleri 200-300W düzeylerine çıktığında özellikle Flyback trafosunda optimum çözüm bulmak zorlaşır. Trafo için genellikle en kötü koşullarda; giriş en düşük gerilim, çıkış en yüksek güç altında tasarım yapıldığından, nominal değerlerde cihaz çalışırken optimum değerlerden uzaklaşılır ve karşımıza switch mode da olsa hantal ve görece verimsiz bir yapı çıkar.

Sabit frekans altında çalışan bir flyback dönüştürücünün trafo boyutunu küçültürken hem EMC performansını hem de verimini artırmanın yollarından biri dönüştürücüyü DCM yani Discontinuous Conduction Mode şeklinde çalıştırmaktan geçer. Bu şekilde tasarım yapıldığında, daha küçük bir trafo primer endüktansı ile istenen güç alınırken, sekonderdeki hızlı diyotta ise reverse recovery etkisi görülmeyeceğinden basit bir senkron doğrultucu ile verimler yükseltilebilir. Yalnız her ne kadar DCM tipinde çalışmanın artısı varsa da eksileri de mevcuttur.Daha önceki yazımda DCM çalışan flyback dönüştürücüde kaçak endüktansın nasıl bulunacağını anlatırken Lk, Lm ve bunların parasitik kapasitelerle salınımından faydalanabileceğimizden bahsetmiştim. Tam bu noktada yukarıdaki şekilden de görülebileceği üzere sabit frekansta çalışan bir flyback dönüştürücüde; öncelikle enerji trafoya depolanır (Ton), ikinci kısımda bu enerji sekondere aktarılır (Tfly) ve sonrasında ise devre doğal salınıma bırakılır (Tdiode). Yalnız bu noktada, tam mosfet tekrar devreye girecekken, salınımın minimum değerinden değil, rasgele bir noktadan; bazen yüksek bir gerilim noktasından, anahtarlama gerçekleştiğinden, anahtarlama kayıpları görece artmaktadır.

Tüm bunların yanında değişken gerilimli bir devrede DCM çalışan flyback’in peak akımları çok yüksek çıkarak; başta primer anahtarını ve sekonder diyodunu zorlayarak, clamp diyoduna da aşırı peak akım yüklemesi gerçekleştirmektedir. Bu peak akım özellikle yüksek güçlü flyback devrelerinde sorun yarattığından, bu akımı sınırlandırmak için CCM çalışan flyback tasarımı tercihi zorunlu hale gelmektedir.

Verimi Artırmanın İlk Yolu: Giriş Gerilimini Sabit Tut!
Flyback dönüştürücüler her ne kadar giriş gerilimi değişiminde sorunsuz çalışsalar da, daha önceki paragraflarda değindiğimiz gibi dönüştürücü nominal değerlerde optimum çalışma alanından oldukça uzaklaşmaktadır. Nominal değerlerinde ya da giriş gerilimi her ne olursa olsun her zaman optimum alanda çalışmak için flyback dönüştürücünün girişi sabit gerilim değerinde olmak durumundadır. Bunu da gerçekleştirmenin en kolay yöntemlerinden biri, daha önce burada bahsetmiş olduğum PFC devreleridir.PFC uygulamalarına baktığımızda 300W’a kadar CrCM tipinde çalışmanın, uygulamalarda fiyat/performans anlamında etkin olduğunu görürüz. Buradaki en büyük kazanç, PFC Boost dönüştürücüde ileri yönlü diyotta herhangi bir reverse recovery etkisi gözlemlenmediğinden, frekansı hızlı PFC devreleri yapmak mümkündür; bu da hem PFC bobininin küçülmesi hem de verimin artması anlamına gelmektedir. Günümüz PFC dönüştürücülerini incelediğimizde, anahtarlama elemanı olarak, daha önce burada bahsettiğim, GaN mosfet seçildiğini görmekteyiz.Fiyatları günden güne düşen GaN mosfetler, fiziksel özelliği nedeniyle çok hızlı açılan bir anahtar olduğundan kendine has sürücülerle ve iyi bir layout tasarlanarak sürülmesi gerekmektedir. Bu ve bunun gibi sorunları aşmak için üreticiler yukarıdakine benzer sürücüsü de içerisinde olan GaN anahtarlarını çıkartmışlardır. Bu tutum, gerek ilk kez GaN kullanacaklar için gerekse profesyonel tasarımcılar için dizaynı basitleştirdiği için oldukça faydalı olmaktadır.

Quasi Resonant Çalışma Modu Nedir?
Giriş gerilimi PFC sayesinde sabitlendikten sonra flyback dönüştürücüyü DCM olarak tasarlamak daha kolaylaşmaktadır. Tasarlanan flyback dönüştürücüde önemli kıstaslardan bir tanesi, aşağıda görülebilecek valley salınımının olduğu anda, minimum gerilimde giriş anahtarını tekrar iletime sokmaktır.Yükün yüksek olduğu bazı koşullarda salınım negatif gerilime düşebildiğinden ZVS yapmak da mümkün hale gelmektedir. Bu yapıya Quassi Resonant denmesinin altında tam olarak bu yatmaktadır. Bunun için seçilen kontrolcünün Quassi Resonant dönüşüme izin vermesi, sürekli olarak mosfet gerilimini takip etmesi gerekmektedir. İdeal bir QR Flyback kontrolcüsü, salınımın 1-2 veya 3. salınımda anahtarlamayı gerçekleştirir. İlgili gerilimin takibi genellikle aşağıda görebileceğiniz gibi AUX yani kontrolcü entegrenin beslemesi üzerinden yapılır.Bu kısımda da yine PFC’de olduğu gibi GaN mosfetler karşımıza oldukça fazla çıkmaktadır. Yeni nesil QR Flyback kontrolcülerin çoğu, harici sıcaklık koruması, şebeke kesildiğinde X-Cap kapasitesini deşarj etme gibi bir çok özelliğe sahiptirler.Yukarıda sabit frekanslı DCM, CCM ve QR çalışan flyback dönüştürücülerin birbirleri arasındaki karşılaştırmalarını görebilirsiniz.

Yeni Nesil PSU’ların Olmazsa Olmazı: Senkronizasyon
DCM ya da QR Flyback dönüştürücülerde, eğer çıkış gerilimleri düşük ise sekonder kısımda senkron doğrultucu kullanımı verim açısından oldukça faydalı olmaktadır. Senkron doğrultma işleminde tercih edilen mosfetlerin iç diyotları oldukça kötü olduğundan, DCM ve QR flyback dönüştürücüde sekonder kısımda reverse recovery etkisinin olmaması bizlere fayda sağlar.Senkron doğrultucular, yukarıda görebileceğiniz gibi özel entegrelerle kontrol edilmelidirler. Burada önemli olan kısım, primer anahtarı tekrar iletime girmeden önce, sekonder senkron anahtarının kapanması gerektiğidir. Bu tür özel entegreler bu durumu hesaplayarak, yüksek frekanslarda dahi güvenli çalışma durumu sunarlar.
Sonuç Olarak…
Gelecekte USB Type-C gibi bağlantıların güç taşıma değerleri, telefon gibi taşınabilir cihazların batarya kapasiteleri arttıkça, yılda yüzlerce kez çalıştırılan, dünyanın her hangi bölgesine taşınan çok daha küçük alana verimli güç kaynakları tasarlanması zorunlu hale gelecektir.Şebekenin mutlaka kullanılması gerektiği durumlarda ise gerek GaN gibi yarı iletkenler, gerek manyetik ve kontrolcü alanındaki gelişmeler bizlere çok farklı alanlar açacaktır.

Sorularınızı ve düşüncelerinizi yorum kısmında bana iletebilirsiniz.
Herkese iyi çalışmalar dilerim.

  1. Mustafa ÇAKMAK dedi ki:

    Kıyaslama açısından oldukça faydalı bir yazı olmuş. Neden kW bazlarında güçlerde tasarım yapılmaycağını da açıklar nitelikte.

    Emeğinize sağlık.

  2. Gökhan Paçal dedi ki:

    Yazınız çok faydalı. Özellikle tablo konuyu özetler şekilde olmuş.

    Emeklerinize sağlık.

Yorum Yazınız

error: Kopyalama Yasaktır, Eğer Bilgi İçeriğini Almak İstiyorsanız İletişim Bölümünden Yazara Ulaşın!