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.
Güç elektroniği alanının önemli bir kısmı güç dönüştürme süreçlerine odaklanmaktadır. Bu doğrultuda, yaklaşık on yıl önce, temel bir başvuru kaynağı olması amacıyla burada bulabileceğiniz “Flyback Converter Tasarımı” başlıklı yazı serisini paylaşarak konunun bilinirliğini artırmayı hedefledim. Flyback dönüştürücüler, burada daha önce de değindiğimiz gibi, genellikle 200 W’a kadar olan güç seviyelerinde yaygın şekilde kullanılır. Ancak çıkış akımının yüksek olduğu ve daha büyük güçlerin söz konusu olduğu uygulamalarda, eleman sınırları nedeniyle farklı topolojilere yönelmek gerekmektedir. Bu arayış sırasında, eski literatürde tek anahtarlı forward dönüştürücünün sıklıkla önerildiğine rastlamaktayız.
Elektrik veya elektronik ile çalışan herkes bilecektir ki AC ve DC, elektriğin iki temel formudur ve her biri farklı uygulamalarda önemli rol oynamaktadır. Tesla ve Edison’dan beri savaş halinde olan bu iki kardeş form günümüzde birçok alanda ortaklaşa kullanılmaktadır. Hatta öyle ki güç elektroniği uygulamalarının neredeyse yarısı DC/AC ya da AC/DC olacak şekilde bu iki formun birbirine dönüştürülmesi üzerinedir. Gelişen yarı iletken teknolojisi ile birlikte daha önce ele aldığım multilevel dönüştürücüler ve gelişen mikrodenetleyiciler ve kontrolcüler gibi teknolojik yenilikler sayesinde AC->DC ya da DC->AC dönüşümleri hem daha karmaşık hem de daha yetenekli bir hal almıştır.
Güç elektroniği söz konusu olduğunda, her ne kadar daha çok yeni çıkan yarı iletken elemanlar (SiC ve GaN) üzerine konuşmuş olsak da son 30 yıldır güç elektroniği sektörünün özellikle yüksek güçlerde baskın tek bir elemanı vardır: IGBT! Yüksek gerilimler ve akımlar söz konusu olduğunda, her ne kadar eksiği bulunsa da IGBT’ler hâlâ fiyat/performans konusunda öne çıkan yarıiletken anahtar olurlar. IGBT’nin sahip olduğu bir takım elektronik dezavantajlarını gidermek için ise günümüzde en çok tercih edilen yöntemlerden bir tanesi multilevel ya da Türkçesi ile çok seviyeli dönüştürücülerdir.
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.
Daha önceki bölümde, geliştirmiş olduğum haftasonu projesinin mekanik montaj ve yerleşimine değinmiştik. Bir güç elektroniği tasarımcısı olarak mekanik bölüm tasarımımızın başında yer alsa da bizim için temel başarı elektroniksel sonuçlardadır; devrenin elektronik olarak çalışması, verimi ve bunun yanında en önemli özelliği olan MPPT performansının verileri, projeye asıl değeri katacak unsurlardır. Bu son bölümde, proje çalışırken elde edilen sonuçlarla birlikte, MPPT yani maksimum güç noktası takibine de değinerek, bir projeyi daha sonuçlandıracağız…
Daha önceki bölümde haftasonu projesi olarak başladığım 4kW MPPT Converter cihazının amacından, gideceğimiz hedeften, isterlerden ve mekanik ön görünümden bahsetmiştim. Bu bölümde ise, bir elektrik elektronik mühendisi olarak, mekanik, ısıl atım, montaj bilmenin avantajlarından ve güç elektroniğinde mekaniğin öneminden bahsederek, cihazımızın donanım ayağının en önemlilerinden olan, kutulu ürün oluşturma ve üretme safhasını görmüş olacağız.
İlk bölümde mosfetler hakkında özellikle ilk iki sayfada dikkat edilmesi gereken hususlara değinmiştik. Anlattığımız o bölümde incelediğimiz değerler genellikle en uç noktalar göz önüne alınarak bizlere aktarılmışlardır. Yalnız, yaptığımız cihaz ve ürün içerisinde sıcaklık, akım ve gerilim değerleri değiştikçe bahsedilen noktalarda da değişiklikler meydana gelmektedir. Bu değişkenlikleri, uygulamamızda akım, gerilim ve sıcaklık değerlerine göre uyumlandırmak için ilgili malzemenin grafiklerini okumamız gerekmektedir. Ayrıca incelenecek grafiklerden özellikle yarı iletkenlerin ilginç bazı özelliklerine ulaşmak da mümkün olacaktır.
Mühendislik mesleği ile uğraşan bir çok kişi özellikle elektrik ve elektronik sektöründe, optimum verimle iyi bir tasarım yapmak için, ihtiyaç duyulan malzemelerin kullanım kılavuzu okumaya mecburdur. Günümüzde yarı iletken teknolojisinin patent, bilgi ve birikimlerini elinde tutan ülkeler göz önünde alındığında bu kılavuzların belirli disiplinler içerisinde ve İngilizce hazırlandığı görülmektedir. Bu tür okumalara yeni başlayan kişiler için İngilizce bilmenin getirdiği zorluğun yanında, mesleğe yıllarını vermiş kişilerin dahi, deneyimlemediği ve bu yüzden anlayamadığı, dolayısı ile yanlış tasarımlara neden olan “datasheet okunması”, maalesef üniversitelerimizde de özellikle “mühendisliğe giriş” gibi derslerde neredeyse hiç gösterilmemektedir.
Dördüncü bölümde flyback tasarımımızın tüm hesaplamalarını bitirip, özellikle trafo sarımı konusunda önemli noktalara değinmiştik.
Bu bölümde ise yaptığımız tüm hesaplamaları simülasyonda ortamında yerlerine koyup, elde ettiğimiz simülasyon sonucu ile gerçek ortam arasındaki karşılaştırmaları yapıp, varsa aralarındaki farkın neden kaynaklandığına açıklık getirmeye çalışacak ve son sözlerimizle birlikte beş bölüm süren yazı dizimizi sonlandıracağız.