GERİ DÖNÜŞLÜ GÜÇ KAYNAKLARININ TASARIMI 2

Transkript

1 GERİ DÖÜŞLÜ GÜÇ KAYAKLAR TAARM Anahtarlamalı güç kaynağı tasarımı, analog ve sayısal devreler, güç elemanlarının karakteristikleri, manyetik devreler, sıcaklık, güvenlik ihtiyaçları, kontrol döngüsünün kararlılığı gibi elektrik mühendisliğinin bir çok konusunu içermektedir. Dolayısıyla bir tasarımda dikkat edilmesi gereken çok sayıda kriter mevcuttur. Entegre devrelerin geliştirilmesiyle sağlanan entegrasyon ile tasarım değişkenlerinin sayısı önemli ölçüde azalmış ve döngü kararlılığı artmıştır. Günümüzde MFET güç elemanı ile kontrol devresi aynı kılıf içinde bulunan birçok entegre devre üretilmektedir. Örnek olarak Twitch entegresinin kullanıldığı bir FB güç kaynağının devre şeması şekilde gösterilmiştir. Bu kısımda bir FB güç kaynağı tasarımının adım adım nasıl yapılacağı anlatılacaktır. Şekil. Örnek bir FB güç kaynağı devresi Temel arametrelerin ( V ACM, V ACMAX, f L, f, V,, η ve Z nin ) Belirlenmesi Öncelikle V ACM, V ACMAX, V M, V R, V CL ve C değerleri tespit edilir. Verim % 80 kabul edilebilir. Çıkış diyodundaki gerilim düşümü nedeniyle verim, çıkış gerilimi düşük olan kaynaklarda % 75, yüksek olanlarda ise % 85 civarındadır. Çıkış gücü ve verim η olan bir güç kaynağında, sistemde kaybolan ( 1- η ) / η kayıp gücü, sekonder ve primer devresinde kaybolur. ekonder ve primerdeki kayıp güç dağılımını bilmek gerekir. Transformatör tasarımı hem çıkış gücü hem de sekonder güç kaybı dikkate alınarak yapılır. rimerdeki kırpma devresinde harcanan güç de sekonder kaybı olarak kabul edilir. Çünkü bu güç, kırpma devresine gelmeden önce transformatörden geçer. ekonder kaybı ile toplam kayıp arasındaki oran, Z kayıp faktörü olarak bilinir ve deneysel olarak Z0.5 alınabilir. AC şebeke gerilimi köprü doğrultucu ile doğrultularak C kapasitesi ile filtre edildiğinde elde edilen bara gerilimi (V+) nın değişimi şekilde gösterilmiştir. Şebeke geriliminin en küçük değeri olan V ACM gerilimi, V M gerilimini oluşturur ve tasarımda önemli bir parametredir. C kondansatörü en ekonomik olarak Watt başına, 110/115 V AC giriş gerilimi (V M 90 VDC) için -3 µf ve 35 V AC giriş gerilimi (V M 40 VDC) için 1 µf seçilir. C kondansatörünün yüksek seçilmesi ile V M geriliminin artması ve gerilim dalgalanmasının azalması kondansatörün fiyatına ödenen bedeli karşılamaz. Kondansatör düşük seçilirse V M

2 GERİ DÖÜŞLÜ GÜÇ KAYAKLAR TAARM Y.Doç.Dr.A.Faruk BAKA gerilimi azalır ve akım yükseldiği için kullanılan entegrenin fiyatı artar. Ayrıca giriş gerilim dalgalanmasındaki artış kontrol ve regülasyon sınırlarını aşabilir. Belirli bir C kondansatörü için V M geriliminin çözümü zaman alıcıdır. Aşağıda verilmiş olan yaklaşık çözüm kullanılarak yeterli doğruluk sağlanabilir. Eşitlikteki t C süresi 3 ms civarındadır ve deneysel olarak ölçülebilir. MFET kesimde iken üzerinde oluşan gerilim, BV D devrilme gerilimini aşmamalıdır. Bu gerilim maksimum DC giriş gerilimi V MAX VACMAX, sekonderden yansıyan V R gerilimi ve primer sargısının kaçak endüktansı nedeniyle oluşan gerilimin toplamıdır. RC bastırma devresi yerine zenerli bir kırpıcının kullanılması daha uygundur. Çünkü ilk çalışma anındaki geçici rejimde kaçak enerjinin kırpılma garantisinin RC devresi ile sağlanması zordur. Deneysel sonuçlara göre nominal zener kırpma gerilimi (V CL Zener clamp voltage), sekonderden yansıyan V R geriliminin % 50 sinden fazla olması gerekir. Böylece zener sadece kaçak enerjiyi kırpar ve akımın primerden sekondere geçişine engel olmaz. Deneysel sonuçlar sekonder akımının kaçak endüktansta hızlı bir şekilde oluşması için bu gerilim toleransının gerekli olduğunu göstermektedir. Düşük kırpma gerilimi kullanılırsa nüvede depo edilen enerji Zener diyoda aktarılır ve diyodun güç kaybı artar. V CL nominal zener kırpma gerilimi olup oda sıcaklığında tanımlanır. Yüksek gerilimli zenerlerin pozitif sıcaklık katsayısı çok yüksek olup dirence benzer ve sıcaklık arttıkça V CLM gerilimi artar. Deneysel veriler V CLM nin V CL dan % 40 yüksek olacağını göstermektedir. Bu durum zener seçerken göz önünde bulundurulmalıdır. V CLM 1.4 V CL Ayrıca zeneri bloke etmek için kullanılan seri diyodun ileri yönde toparlanma süresinden dolayı 0 V luk bir gerilim darbesi oluşabilir. Bu faktörler dikkate alınırsa MFET in maksimum v D gerilimi aşağıdaki gibi elde edilir. V D V MAX + ( V R ) + 0 V

3 GERİ DÖÜŞLÜ GÜÇ KAYAKLAR TAARM Y.Doç.Dr.A.Faruk BAKA Güç kaynağının maliyetini düşürmek için, V R geriliminin olabildiğince yüksek seçilmesi gerekir. V R geriliminin yüksek olması durumunda D MAX değeri azalır ve MFET in çalışma akımı aynı güç için düşer. D MAX değeri izin verilen maksimum değerine (%64) geldiğinde V R gerilimi arttırılamaz. 115 V AC giriş geriliminin % 15 fazla olması 13 V AC demektir. V MAX V olur. 350 V luk bir MFET kullanıldığında, standart zener kırpma gerilimi 90 V ve V R gerilimi 60 V seçilirse 17 V luk bir tolerans kalır. 30 VAC girişte V ACMAX 65 V ve V MAX 375 V tur. 700 V luk bir MFET kullanıldığında, 00 V luk zener, V R gerilimi 135 V ve tolerans 5 V olur. Bu tolerans en kötü duruma göre bırakıldığından az değildir. Ayrıca MFET ısındıkça devrilme gerilimi de artar. AC Giriş Gerilimi En Düşük İken V R ve V M Kullanılarak D MAX ın Elde Edilmesi D MAX V R V + (V R M V DC ) MFET in iletim gerilim düşümünün ortalaması V D dir. V D sıfır alınırsa D MAX ın değeri sabit giriş gerilimi uygulamasında % 36 ile % 40 arasında ve universal giriş gerilimi uygulamasında % 60 olur. ratikte V D 10 V seçilirse D MAX değeri biraz artar. V M geriliminin yüksek olması MFET in çıkış gücü kapasitesini arttırır. V MAX ın düşük olması V R geriliminin ve D MAX ın daha büyük olmasını ve çıkış gücünün artmasını sağlar. Dolayısıyla giriş gerilimi aralığının dar olması, daha yüksek çıkış gücü veya güç kaynağının fiyatının düşmesi demektir. 100/115 VAC (30 VAC) giriş için D MAX Üniversal (85V-65VAC) giriş için D MAX 3

4 GERİ DÖÜŞLÜ GÜÇ KAYAKLAR TAARM Y.Doç.Dr.A.Faruk BAKA rimer Akımının Belirlenmesi Kesintisiz mod Kesintili mod K R 0.4! 110/115 VAC veya üniversal giriş için tavsiye edilen değer. K R 0.6! 30 VAC giriş için tavsiye edilen değer. Gerilim yüksek olduğunda drain kapasitesinin deşarj olması ile oluşan, yükselen kenardaki geniş ve uzun akım pikine uyum sağlamak için 0.4 ten büyük seçilmiştir. K R yukarıdaki gibi seçilirse düşük giriş geriliminde kesintisiz modda çalışma sağlanır. Belirli bir çıkış gücü için primer akımının tepe değeri minimum olur ve MFET in akımı azalır. K R 1 ise kesintili çalışma moduna karşılık gelir. Kesintili modda kontrol döngüsünün kararlılığını sağlamak daha kolaydır. rimer Akımının AVG,, R Ve RM arametrelerinin Elde Edilmesi Şebeke gerilimi minimum olduğunda giriş akımının ortalaması AVG aşağıdaki gibi elde edilir. AVG η V M KR ve DMAX daha önce tespit edildiğinden, akımın şekli bilinmektedir. Akımın şekli ve AVG kullanılarak tepe akımı, dalgalanma (ripple) akımı R ve RM akımı RM elde edilir. K (1 K R AVG R R )D MAX RM DMAX R K R + K ( 3 1) MFET in akım limiti gözönünde bulundurulmalıdır. Katalogda LMT oda sıcaklığı için verilmiştir. ıcaklık arttığında bu değer % 10 azalır. LMT ile arasındaki ilişki aşağıda verilmiştir. En ekonomik seçim LMT değerinin üstünde olan elemanın seçilmesidir. LMT / 0.9 Güç ve ıcaklık ınırının İncelenmesi Giriş gerilimi en düşük iken MFET in iletim güç kaybı aşağıdaki şekilde hesaplanır. R RMR D() (100! C) 4

5 GERİ DÖÜŞLÜ GÜÇ KAYAKLAR TAARM Y.Doç.Dr.A.Faruk BAKA Anahtarlama kayıpları ise giriş gerilimi ed yüksek iken hesaplanır. C XT MFET in D- uçlarındaki toplam kaçak kapasitedir. 1 CXT CXT (VMAX + V R ) f Jonksiyon sıcaklığı T J toplam kayıp ve termik direnç θ JA kullanılarak hesaplanır. T J! 5 C + ( R + CXT ) θ JA Hesaplanan sıcaklık değeri 100! C nin üzerinde çıkarsa daha büyük bir MFET seçilir. Düşük giriş geriliminde kesintisiz modda çalışma, akımın tepe değerini belirli bir güç için azaltır ve daha küçük MFET kullanılmasını sağlar. Eğer nüve boyutunun küçültülmesi hedefleniyorsa K R arttırılır ve daha büyük MFET kullanılır. K R büyük seçilirse akımı artar ve daha küçük endüktans yeterli olur. K R nin büyük seçilmesi RM ve iletim kayıplarını arttırır. K R nin orta değerler alması hacim, ağırlık ve verim açısından optimum çözümü sağlar. rimer Endüktansının Belirlenmesi 1 1 Her bir alternansta primerden sekondere aktarılan enerji L p L p ( R ) olarak verilir. L primer endüktansı, K R, f,, η ve Z nin fonksiyonu olarak aşağıdaki gibi elde edilir. L K R 6 10 K (1 R ) f Z (1- η) + η η Z sekonder kayıplarının toplam kayba oranıdır. Kayıpların hepsi sekonderde ise Z1, primerde ise Z0 olur. Elde bir veri yoksa Z0.5 alınabilir. Çıkış Gücüne Göre üve ve Bobin eçilerek A e, L e, A L ve B W in Belirlenmesi ekonder sarım sayısı ve primer kademe sayısı L belirlenir. rimer sarım sayısı ve bias sarım sayısı B belirlenir. B M, CMA ve L g kontrol edilir. Gerekirse iterasyon ile L,, nüve ve bobin değiştirilir. üve ve bobin seçimine ek olarak, transformatörün yapılması için aşağıdaki 9 parametre belirlenir. 1. rimer endüktansı L. üvenin hava boşluğu L g 3. rimer sarım sayısı 4. ekonder sarım sayısı 5. Bias sarım sayısı B 6. rimer telinin dış çapı D 7. ekonder telinin dış çapı D 8. Çıplak primer telinin dış çapı DA 5

6 GERİ DÖÜŞLÜ GÜÇ KAYAKLAR TAARM Y.Doç.Dr.A.Faruk BAKA 9. Çıplak sekonder telinin dış çapı DA Bias sargısının akımı 10 ma civarında olduğu için telin yarıçapı problem oluşturmaz. L nin dışında yukarıdaki parametrelerin tümü birbirine bağlıdır. En iyi başlama noktası sekonder sarım sayısının seçilmesidir. 110/115 VAC gerilim için 1 sarım/volt ve 30 VAC gerilim için 0.6 sarım/volt kullanmak iyi bir kabuldür. Başlangıç olarak 115 VAC giriş, 15 V çıkış ve 0.7 V doğrultucu diyot gerilim düşümü için sekonder sarım sayısı 16 alınır. sekonder sarım sayısı, V R ve V +V D ye bağlıdır. VR V + V D Bias sarım sarım sayısı B benzer şekilde hesaplanır. V B bias gerilimi ve V DB bias doğrultucu diyodunun gerilimidir. B VB + V V + V DB D üve/bobin boyutundan primer ve sekonder telinin dış çapları ve primer kat sayısı boşluklu olarak hesaplanır. D BW E BW E etkin bobin genişliği fiziksel genişlik BW, boşluk ( M Margin (mm) ) ve kat sayısı L dikkate alınarak hesaplanır. BW E L [ BW (M)] D çapına en yakın tel seçilir. İletken kesitinin maksimum RM akıma uygun olup olmadığına bakılır. Bobin telinin akım kapasitesi CMA (Circular mils er Amp) olarak tanımlanır. CMA akım yoğunluğunun tersidir. DA çap olarak gösterilmiştir. π 1.7 DA CMA 4 RM 1000 ( ) 5.4 CMA 00 den küçük ise, çapı daha büyük bir tel gerekir. Bu durumda tek bir kat varsa ikinci bir kat kullanılabilir. CMA 500 den büyük ise, nüve daha küçük veya sarım sayısı daha yüksek yapılabilir. DA ya göre pratik tel ölçü birimi AWG (American Wire Gauge) tablo kullanılarak bulunabilir. CMA daha sonra AWG den hesaplanır. Dikkat edilmesi gereken diğer bir kritik parametre nüvedeki maksimum akı yoğunluğu B M dir. 6

7 GERİ DÖÜŞLÜ GÜÇ KAYAKLAR TAARM Y.Doç.Dr.A.Faruk BAKA 100 L B M A E Burada A E nüvenin eşdeğer kesitidir. B M 300 Gauss tan büyük ise nüvenin kesiti(boyutu) A E artırılmalıdır. Veya artırılarak B M Gauss arasına getirilmelidir. B M 000 Gauss tan küçük ise daha küçük bir bobin veya primer sarım sayısı kullanılabilir. Ayrıca sarım sayısı ile L endüktansını üretmek için gereken hava aralığı L g kontrol edilmelidir. L g 40 π A e 1000 L 1 A L L g nin hesaplanması için nüvenin kataloğunda verilen A e kesiti ve hava aralıksız A L endüktansının etkin değeri kullanılır. Hava aralığı genellikle nüvenin ortasında yer alır ve üretim açısından L g en az 51 µm ( mil) olmalıdır. Eğer L g 51 µm den küçük ise bobin boyutu veya artırılmalıdır. Transformatör üreticisi tarafından sağlanan hava aralıklı endüktans değeri A LG, değeri sabit tutularak belirlenebilir. L A LG 1000 Görüldüğü gibi transformatör tasarımı çok sayıda iterasyon yapmayı gerektiren bir işlemdir. değiştiği zaman ve B daha önce elde edilen oranlar ile değişir. üve boyutundaki bir değişiklik CMA, B M ve L G değerlerinin tekrar hesaplanarak kontrol edilmesini gerektirir. ekonder, RM, RLE, DA, D arametrelerinin Elde Edilmesi ekonder pik akımı aşağıdaki gibi elde edilir. rimer akımı (1-D) süresince sekondere yansıdığından, sekonder akımının K R değeri primerdeki ile aynıdır. ekonder RM akımı RM, primer akımına benzer şekilde elde edilir. RM (1 D MAX R K R + K )( 3 1) Çıkış kapasitesinin RM dalgalanması RLE akım korunumu kullanılarak aşağıdaki gibi hesaplanır. RLE RM 7

8 GERİ DÖÜŞLÜ GÜÇ KAYAKLAR TAARM Y.Doç.Dr.A.Faruk BAKA Çıkış akımı aşağıdaki gibi hesaplanır. V RM akımı bulunduktan sonra DA hesaplanır. DA 4 CMA 1.7 RM π AWG deneysel olarak CMA ve RM kullanılarak bulunabilir. DA daha sonra AWG ten elde edilir. ekonder telinin çağı 6 AWG den büyük ise, 100kHz de deri kalınlığının katı olduğundan, sargılar paralel bağlanabilir. Mesela tel 3 AWG ise, iki tane 6 AWG paralel bağlanabilir. ekonderde üçlü izolasyonlu tel kullanılırsa telin çapı gerçek DA ten büyük olur. İzin verilen D değeri aşağıdaki gibi elde edilir. D BW (M) (mm) AWG Wire ize Metric ize (mm) Turns/cm Turns/nch CR-ML cm

9 GERİ DÖÜŞLÜ GÜÇ KAYAKLAR TAARM Y.Doç.Dr.A.Faruk BAKA Çıkış Diyotlarının eçimi Çıkış diyodlarının maruz kaldığı ters V ve V B gerilimleri aşağıdaki gibi hesaplanır. V V V + V B B + (V (V MAX MAX Çıkış diyotlarının V R gerilimi, 1.5 V geriliminden büyük seçilir. Diyot akımının nominal değeri maksimum DC çıkış akımının 3 katı seçilir. V R gerilimi 45 V tan küçük ise yani çıkış gerilimi 5V veya 3.3 V ise chottky diyot tavsiye edilir. V R gerilimi 45 V tan büyük ise ultra fast recovery diyot tavsiye edilir. Tabloda diyot listesi verilmiştir. B ) ) Köprü Doğrultucunun eçimi Köprü doğrultucunun maksimum akımı ACRM η V ACM F olarak hesaplanır. F güç kaynağının güç faktörü olup arasındadır. Köprü doğrultucunun RM akımı D ve ters dayanma gerilimi V R aşağıdaki şekilde hesaplanır. D > ACRM V R > V ACMAX Çıkış Kondansatörünün ER Değeri nin eçimi ER değeri küçük bir kondansatör seçilmelidir. 35 V un altında ER kondansatörün boyutları ile orantılıdır. Çıkıştaki dalgalanma fazla ise bir LC filtre kullanılabilir. 9