Tüm elektroniğin kalbi pasif üç elemana dayanır; direnç, kapasitör ve bobin. Güç elektroniğinde ise asıl dayanak noktası manyetik elemanlardır. Manyetik eleman tasarımı sisteminizin tüm performansını etkileyen en önemli parametredir. Bu elemanların bir kısmı hazır bulunsa da büyük çoğunluğu, tasarımın isterine göre, özel olarak üretilirler. Bu yüzden güç elektroniği tasarımcısı, özellikle yüksek verime dayalı, fiyat/performans oranı yüksek projeler ortaya koymak istiyorsa bir trafo üreticisini yönlendirecek kadar sargılı manyetik elemanlara hakim olmalıdır.

Trafo Sarım Sanatı
Başlığın abartı olduğunu düşünmeyin; topolojiden (buck, boost, flyback, forward, resonant vb.) bağımsız, eğer teorik olarak hesapladığınız bobin ya da trafonun sarımı özensiz yapılırsa, en iyi devre elemanlarını dahi kullansanız, tasarımınız verimsiz ve EMC gibi bir çok soruna sahip olacaktır. Fizik kanunları gereği oluşan bu sorunlar, maalesef çoğu üreticinin özensiz üretiminde göz ardı edilir ve tasarımcıya bir çok zaman kaybettirir. Manyetik elemanlarda bu soruna yol açan en önemli efektler Fringing ve Proximity olmak üzere ikiye ayrılır.

1) Fringing Effect
Fizik dersinden de tanıdık olduğumuz manyetik akı, aynı elektrik akımının düşük direnç üzerinden akmayı tercih etmesi gibi, manyetik geçirgenliği yüksek demir, kobalt, nikel, çelik gibi ferromanyetik malzemelerin üzerinden akmayı tercih eder.Bobin ya da flyback gibi trafo sarımı yaptığımızda, ilgili endüktans değerlerini sağlayabilmek adına nüveler arasına hava boşluğu yerleştiririz. Kullandığımız nüvelerin manyetik akı geçirgenliği, havaya göre çok yüksek olduğundan (2500~10000 kat) manyetik enerjinin büyük kısmı aşağıdaki formülde de görüleceği üzere hava aralığında toplanır. Burada B manyetik akıyı, V hava boşluğunun hacmini belirtmektedir. Manyetik akı çizgileri, nüve içerisinde düz bir hattan ilerlerken, hava boşluğuna gelindiğinde alan çizgileri aşağıdan da görüleceği üzere dışarı taşmaya başlarlar. Bu duruma fringing effect adı verilir. Sargıların sarılı olduğu bölümden (yukarıdaki analizde solda görülebilir) leakage yani kaçak akılarda nüve dışına doğru çıkar. Çıkan bu akılar trafonun manyetik akısında düzensizliğe yol açsa da genellikle fringing etkisinin yanınsa ihmal edilebilir düzeydedirler. Ek bir bilgi olarak yukarıdakine benzer şekiller simülasyon ortamında sonlu elemanlar yöntemi ile analiz edilirler.

Fringing etkisi trafo ya da bobin tasarımında dikkat edilmesi gereken en önemli parametrelerdendir. Manyetik eleman sargılarında alüminyum ya da bakır kullanıldığından, dışarı taşan bu çizgiler, ilgili tellerle kesiştiklerinde eddy akımları oluşturup, sargının aynı indüksiyon ocaklarındaki metot ile ısınmalarına yol açarlar.Kullandığımız bazı nüveler (EMC yönünden de performans göstermek adına genellikle ortadadır) yukarıda da görülebileceği üzere belli ölçüde hava aralıklarına sahiptirler. Aşağıda bu nüve özelinde yapılan bir çalışma ilgi çekicidir.Deneyse sarım sayıları, güç değerleri, çalışma frekansları gibi parametreler sabit tutulup, ilk trafoda sargılar hava boşluğuna göre aynı yükseklikte; ikincisinde ise sadece ortadaki sargı hava boşluğundan ötelenerek sarılmıştır. Sonlu eleman analizi ile simülasyonda akı çizgilerinin şekli incelendiğinde, özellikle ortadaki sargının direkt olarak üzerinden geçtiği görülebilir. Bu da daha önce bahsettiğimiz, akıların sargıları kestiği noktada eddy akımlarının oluşmasına ve ilgili sargının daha çok ısınmasına yol açmıştır.Benim de çalışmalarımda ve arızalı trafoları incelerken gördüğüm ilk durum; sargıların hava boşluğuna yakın bölümlerinin daha çok ısındığı yönündeki tezi doğrular niteliktedir. Trafo üreticisi ise sargı sararken hava boşluğundan kaçınma gibi ekstra işçilik isteyen durumlardan kaçınacağından (ki bu ek maliyet de getirecektir) hava boşluğunu, özellikle bobinlerde, nüvenin her yerine homojen yaymak en ideal çözüm olacaktır (resme tıklarsanız grafiğin detaylarını görebilirsiniz).Magnetics firmasının Kuul Mu, Micrometals Arnold firmasının Sendust olarak adlandırdığı ürünler, demirtozu ve hava aralığının nüve içerisine eşit olarak dağıtılması ile elde edilmiş nüvelerdir. Yüksek frekansta ve yüksek akım değerine sahip bobin tasarımı yaparken nüvenizin bu özelliğe sahip olması, kayıp olarak size çok büyük artılar getireceğinden, trafo üreticinizden bu tür malzemeler kullanmasını talep etmeniz sizin için iyi olacaktır.

2) Proximity Effect
Üzerinden akım geçen her iletken çevresinde manyetik alan oluşturur. Eğer bu akım zaman ile aynı yöne akarken dahi miktarında değişkenlik gösteriyorsa (delta I diyebiliriz) aynı şekilde manyetik alanda da bir değişim meydana gelecek (delta B) demektir. Eğer bu tel yakınında başka bir iletken bulunursa, Faraday kanunu gereği zamanla değişken manyetik alan, bu tel üzerinde gerilim oluşturacaktır. Yalnız tel kendi içerisinde kısa devre olduğundan, endüklenen bu gerilim küçük kısa devre akımlarına neden olacaktır. Bu akımlara Eddy akımları adı verilir. Aşağıda bu akımın oluşma yapısı görülebilir.Trafo yapısı düşünüldüğünde bir çok akım geçen tel yan yana, üst üste sarılmaktadır. Dolayısı ile her bir kat, eddy akımlarını arttırıp azalttığından iletkenin efektif kullanılan kesitini aynı skin effect gibi etkileyerek aşağıdakine benzer kesitlerden yoğun akımlar akmasına neden olacaktır.Yukarıdaki şekilde de görüleceği üzere iletken kümesinin ortasından neredeyse hiç akım akmamakta, tüm akım dış katmanlara doğru itilmektedir. Gerçekte çok tel koyulup, kesit başına düşen akım oranı düşürüleceği düşünülse de fiziksel kanunlar bunun gerçekleşmesini engellemektedir. Trafo tasarımlarında üst üste layer istenmemesinin en büyük nedenlerinden biri budur. Katmaların olması gereken direnç değeri ile, gerçek değeri arasındaki ilişkiyi Dowell denklemleri ile çözümleyip aşağıdaki tabloya ulaşırız.Yukarıdan da görüleceği üzere, sargılar üst üste arttırıldığında AC direnç ile DC direnç arasındaki fark çok artmaktadır. Özellikle belirli bir katmandan sonra kullanılan sargı, verimsel açıdan, faydadan çok zarar getirmektedir.Bir flyback ya da forward trafosu tasarladığınızda genellikle yukarıdakine benzer sarımları trafo üreticisinden isteriz. Skin + proximity effect ele alındığında trafo, normal şartlarda beklediğimizden daha fazla ısınmış olacaktır. Oysa aynı sarımları aşağıdaki gibi sardığımızda akım yoğunluğunun azaldığını gözlemleyebiliriz.Bu sarım metodunda sargı sayıları ve tel kalınlıkları değiştirilmediğinden trafoya sarımların sığmama gibi bir durum söz konusu olmayacaktır. Sandviç diye tabir edilen bu sarım şekli ile primer ve sekonder sarımları arasındaki coupling seviyesi de güçlendirdiğinden, kaçak endüktans seviyeleri oldukça düşecektir. Bu durum, özellikle flyback tasarımlar için oldukça önemlidir.

Tüm Bunları Aşmak İçin Ne Yapılabilir?
Yukarıdaki bahsettiğimiz konular temel olarak her trafo tasarımcısının çözmesi gereken problemlerdir. Güç elektroniği tasarımcısı olarak da trafoda oluşacak bir çok parametre değişimi, devredeki bir çok noktaya etki ettiğinden, ilgili trafoyu tanımak ve analiz yapmak çok önemlidir. Günümüzde fringing etkisini yok etmek için homojen hava boşluğuna sahip elemanların kullanıldığından bahsetmiştik. Proximity ve skin effect gibi fiziksel durumlar sargı direnç değerleri dolayısı ile verimler üzerinde etkili olduğundan, bunu çözmek ve küçük alanda yüksek güç miktarlarına ulaşmak için iletken kalınlığı mikron seviyelerine indirgenmiş planar trafolar tasarlanmaktadır.Planar trafolarda akımlar PCB üzerine çizilmiş yollar üzerinde akarlar. Buradaki kalınlıklar oldukça dar olduğundan yukarıda bahsettiğimiz etkilere maruz kalmadan yüksek güçler küçük trafolar (forward yapıda) ile çekilebilmektedir.Planar trafolar yüksek performanslı olsalar da tasarımları ve üretimleri normal sargılı trafolar kadar kolay olmadığından maliyet açısından yüksektirler.

Sonuç Olarak…
Trafo sarımı yazımızın en başında söylediğimiz gibi aslında bir sanattır. Her ne kadar planar trafo gibi gelişmeler iyi de olsa fiyatları ve üretim zorluklarından dolayı hâlâ özel uygulamalar için tercih edilmektedirler. Klasik trafo sarımları ile devam edecek tasarımcılar için yukarıda da saydığımız gibi trafo üreticilerinden litz teli kullanmasını, sargıları katmanlı yapmasını ve uygulamaya özel nüve kullanmasını özellikle isteyiniz.

Konu ile ilgili görüşlerinizi yorum bölümünden bana iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Yararlanılan Kaynaklar:
– William G. Hurley, Jun Zhang – Magnetic Circuit Design for Power Electronics
– Peter Markowski – Magnetic Component Design
– Stan Zurek – Qualitative FEM Study of Proximity Loss Reduction by Various Winding Configurations
– Dr. Stan Zurek – Encyclopedia Magnetica