FLYBACK DÖNÜŞTÜRÜCÜ TASARIMI VE ANALİZİ

FLYBACK DÖNÜŞTÜRÜCÜ TASARIMI VE ANALİZİ 1 Nasır Çoruh, Tarık Erfdan, 3 Satılmış Ürgün, 4 Semra Öztürk 1,,4 Kocael Ünverstes Elektrk Mühendslğ Bölümü 3 Kocael Ünverstes Svl Havacılık Yüksekokulu ncoruh@kocael.edu.tr, tark@kocael.edu.tr, urgun@kocael.edu.tr, semra@kocael.edu.tr ÖZET Kurulumunun bastlğ, malyetnn düşük olması, grşten ve brbrnden elektrksel olarak yalıtılmış brden fazla çıkış vereblmes, yüksek çıkış gerlmler elde edeblmes ve yüksek vermler nedenyle Flyback dönüştürücüler anahtarlamalı güç kaynakları çnde oldukça yaygın olarak kullanılır. Özellkle düşük güçlü (150W) uygulamalar çn terch edlr. Bu çalışmada, Flyback dönüştürücü analz edlp matematksel eştlkler elde edlmş, verlen parametrelere göre tasarımı yapılmış, elde edlen sonuçların P-Spce tabanlı br yazılım le benzeşm yapılmıştır. Anahtar Kelmeler: Anahtarlamalı güç kaynakları, da-da dönüştürücüler, Flyback dönüştürücüler GİRİŞ Vermllk ve güç yoğunluğu açısından bakıldığında anahtarlamalı güç kaynakları doğrusal güç kaynaklarına göre daha popülerdr[1]. Çoğu ler düzey haberleşme ve blgsayar sstemlernde yüksek güç yoğunluklu, yüksek verml ve sabt çalış ma frekansı olan anahtarlamalı güç kaynakları terch edlmektedr[]. Anahtarlamalı güç kaynakları çn brçok dönüştürücü yapısı lteratürde mevcuttur. Var olan yalıtımlı da-da dönüştürücüler arasında en bast flyback dönüştürücüdür. Çıkış fltresnde bobn olmaması, manyetk eleman olarak sadece transformatör (kuplajlı bobn) kullanılması, sadece br tane yarıletken anahtar kullanılması dönüştürücüyü bastleştrmektedr. Bunun yanı sıra 5000V a kadar çıkış gerlm elde edleblmes ve brden fazla çıkış vereblmes bu dönüştürücünün üstünlüklerdr[6-7]. Bu sebeplerden dolayı anahtarlamalı güç kaynakları çnde flyback dönüştürücüler en çok kullanılan da-da dönüştürücüler halne gelmştr[3]. Flyback dönüştürücülern başlıca özellkler; Düşük güçler çn yüksek frekanslı transformatör (kuplajlı bobn) tasarımı basttr. Bleşen sayısı az olduğundan kurulum malyet düşüktür. Manyetk eleman olarak sadece 97 transformatör kullanılır, çıkış fltresnde bobn yoktur. Dğer yapılarda fltre endüktansı üzernde oluşan tıkama gerlmnn olmaması çıkış dyotu malyetn azaltır. Çıkış devresnde sekonder bobn dışında fazladan bobn yoktur. Çok çıkışlı kaynak olarak kullanımını kolaylaştırır. Çıkış bobn olmadığından geçc durumlara hızlı cevap verr. Manyetk çekrdeğn kısıtlamalarından dolayı düşük güçlü uygulamalar (5W-150W) çn terch edlr. Başlıca uygulama alanları şunlardır; Düşük güçlü anahtarlamalı güç kaynağı uygulamaları: Cep telefonu şarj chazları, Blgsayar güç kaynakları (50W tan küçük), TV ve montörlerdek CRT ler çn yüksek gerlm kaynağı, Xenon flash lambaları, lazerler ve fotokop maknaları çn yüksek gerlm üretm, Yalıtımlı sürücü devreler. Bu çalışmada flyback dönüştürücü yapısının matematksel fadeler elde edlp tasarımı yapılmıştır. Analz sonuçları verlen değerlere göre yapılan benzeşm le karşılaştırılmıştır. FLYBACK DÖNÜŞTÜRÜCÜ Şekl 1 de yalıtımlı dönüştürücü tplernden olan flyback dönüştürücünün devre şekl verlmştr. Şekl 1. Bastleştrlmş flyback dönüştürücü şeması Flyback dönüştürücülerde sargıların polarteler brnden akım geçerken dğernden/dğerlernden akım geçmeyecek şekldedr. Bu yüzden br transformatör hareket gerçekleşmemektedr. Buna

göre, Q anahtarı letme grdğnde V da gerlm prmer sargısına uygulanır. 'Sekonder sargısının prmer sargısına göre ters kutuplanmasından dolayı D dyotu da ters kutuplanır ve bu nedenle sekonderden akım akmaz. Yük akımı C kondansatörü le sağlanır(şekl (a)). L p uçlarında sabt br gerlm olduğundan prmer akımının artışı doğrusal olacaktır[7]. Q anahtarı kesme grdğnde hava aralığında ve manyetk çekrdekte depolanan enerj, L s bobn üzernden yüke letlr[5](şekl (b)). L s uçlarında sabt br gerlm olduğundan akım doğrusal olarak azalır. Hava aralığında depolanan enerj prmer endüktansı ve prmer akımından Eştlk (1) e göre elde edlr; L ( ) p Ip E (1) (a) (b) Şekl. (a) Anahtar letm durumu, (b) Anahtar kesm durumu Dğer dönüştürücülerde olduğu gb flyback dönüştürücüler çnde sürekl, süreksz ve sınır çalış ma durumları söz konusudur[4]. Şekl 3. (a) Süreksz çalışma durumu karakterstkler, (b) Sürekl çalışma durumu karakterstkler Şekl 3 ten görüldüğü üzere, süreksz durumda anahtar br sonrak letm durumuna geçmeden, sekonder akımı sıfıra düşmekte ve bell br süre sıfırda kalmaktadır. t on ve t off sürelernn toplamı yaklaşık peryodun %80 kadardır. Ger kalan %0 lk süre ölü zaman (t d ) olarak adlandırılır[7]. Sürekl durumda se t d yoktur. Sekonder akımı br sonrak letm durumuna kadar sıfıra düşmemektedr. Her k çalış ma durumunun çeştl avantaj ve dezavantajları vardır. Süreksz çalışma durumunda transformatörün dφ/dt s ve kaçak endüktansı yüksektr. Prmer akımındak yüksek an artış daha pahalı transstor kullanılmasına ve yüksek EMI (ElectromagnetcInterference - Elektromanyetk grşm) problemlerne neden olur Süreksz çalış ma durumunda sekonder akımının ortalama değernn değşmemesne rağmen tepe değer sürekl çalış ma durumuna göre ya da 3 kat daha fazladır. Kesm süresndek bu akım, yük üzernde yüksek geçc an gerlm artışları oluşturur (büyük LC çıkış fltres kullanılmasını gerektrr). Büyük EMI problemlerne neden olur. d/dt nn büyümesne neden olduğundan kesme grme anında çıkış-toprak arasında brçok an gürültü artışı oluşturur. Yüksek değerlerdek dalgalanma akımı çıkış kapastörünün ESR(Equvalent Seres Resstance Eşdeğer Ser Drenç) htyacını arttırır (Anlık cevap yavaşlar). Süreksz çalış ma durumunda sekonder akımının efektf değer sürekl çalışma durumuna göre kat fazladır. Bu akım, sekonder sargı sayısının artmasına, daha büyük çıkış kapastes kullanılmasına neden olur. Süreksz çalış ma durumunun bu olumsuzluklarına rağmen, yük akımı ve grş gerlm değşmlerne çok hızlı cevap vermes sebebyle daha çok terch edlr. MATEMATİKSEL İFADELER Kararlı durumda bobn/transformatör üzerndek ortalama gerlm düşümü sıfır olacağından; ( V da V DS ) t on ( V o V d ) t off n () 98 Burada; V da : Grş gerlm, V o : Çıkış gerlm, : Yarı letkenn letm süres, t on

t off V d V DS n : Yarı letkenn tıkama süres, : Dyodun letm gerlm düşümü, : Yarı letkenn letm gerlm düşümü, : Transformatörün dönüştürme oranıdır. Anahtarlama peryodu T olmak üzere sürekl çalış ma durumu çn T ton toff (3) geçerldr. Bu eştlk, süreksz çalış ma durumunda ölü zaman (t d ) olduğu çn Eştlk (4) şekln alır. Ölü zaman tüm peryodun yaklaşık %0 sdr(eştlk (5)) T t t t on off d (4) 0,8 T t t on off Eştlk () de t off yerne t off =T-t on konulduğunda t on ; ton T n ( o Vd) ( VDS ) n ( Vo Vd ) (5) (6) olacaktır. Eştlk (6) da grş gerlm dışındak büyüklükler sabt olduğundan anahtarlama süresnn en büyük değer en küçük grş gerlm le elde edlr, T n ( V V ) t o d on ( _ mn VDS ) n ( Vo Vd ) (7) Devrenn analz anahtarın letm ve kesm durumları çn yapılmalıdır. Anahtarın letmde olma durumu Bu durumda prmer bobn üzernde sabt br gerlm olduğundan prmer akımı lneer olarak artacaktır. Akım en büyük değerne, en büyük letm süres t on_maks sonunda ulaşır. En büyük letm süresnn en küçük grş gerlmnde mümkün olacağı unutulmamalıdır. Buna göre en büyük prmer akımı p_maks, p ( _ mn VDS ) ton (8) L p olacaktır. Burada L p, prmer endüktansıdır. Bu akım değer çn sekonder sargısına aktarılmak üzere prmer sargısında depolanan (manyetk çekrdek ve hava aralığında) güç; P 1 L p p T (9) İletm anında yarı letken üzerne düşen gerlm yaklaşık 1V tur. Bu gerlm düşümü hmal edlp Eştlk (8), Eştlk (9) de yerne konulduğunda grş gücü; _ mn ton P (10) TLp olarak elde edlr. Anahtarın kesmde olma durumu Anahtar kesme grdğnde, prmerde depolanan enerj sekonder sargısına aktarılır ve sekonder akımı s, yük üzernden lneer olarak azalır. %80 verm çn grş gücü; P 1, 5 P o (11) olacaktır. Eştlk (10) da elde edlen P Eştlk (10) da yerne yazıldığında prmer endüktansı; Lp _ mn ton,5 TPo (1) olarak elde edlr. Sekonder akımının en büyük değer; s p n (13) Flyback dönüştürücünün sürekl,süreksz ya da sınır çalış ma durumlarından hangsnde çalışacağını, transformatörün mıknatıslanma endüktansı ve yük akımı belrler. Süreksz çalış ma durumundak dönüştürücü, yük akımının artışı le sürekl çalış ma bölgesne geçer. Şekl 3 (b) de görüldüğü gb sürekl çalış ma durumunda, anahtar letmdeyken prmer sargısında depolanan enerjnn tümü sekondere aktarılmaz. Bu yüzden yukarıda verlen akım ve endüktans eştlklernn yenden fade edlmes gerektğ açıktır. Şekl 3 de görüldüğü üzere akımın azalması ve artışı rampa şeklndedr. Buna göre Şekl 3(b) de prmer akımının rampa orta noktası pro ve sekonder akımının rampa orta noktası sro olmak üzere çıkış gücü fades; Po Vo sro 1 ton T olacaktır. Eştlk (13) ten; (14) 99

sro V o P o 1 ton T (15) elde edlr. %80 verm çn prmer akımının rampa orta noktası çn; pro 1,5 P o t on V da _ mn T (16) d p pro (17) Eştlk (15) de sürekl çalışma durumunu garant edecek en küçük prmer akımının, en küçük çıkış gücünde olacağı açıktır. Rampa akımın orta noktası aynı zamanda akım değşmnn yarısıdır(eştlk (16)). Prmer bobnnn uç denklemnden[8], Lp _ mn 1 ton (18) d p elde edlr. Eştlk (15), Eştlk (17) de yerne yazılıp düzenlenrse,. Prmer endüktansı Eştlk (1) den; L 47,15 H p. Prmer tepe akımı Eştlk (8) den; p _maks 7, 09A v. Sekonder akımının tepe değer; 7, 09 8 56, 7A s Sürekl çalışma durumu çn :. En büyük letm zamanı Eştlk (6) dan; ton 11,9 ms. Prmer endüktansı Eştlk (19) dan; Lp 368 H. Prmer tepe akımı Eştlk (16) dan pro, 9A v. Sekonder tepe akımı Eştlk (15) ten; s 8,703 A Hesaplanan bu değerlere göre P-Spce le yapılan benzeşm sonuçları aşağıda sunulmaktadır. V 1 da _ mn _ mn ton _ max L p,5 Po _ mn T (19) TASARIM VE ANALİZ Tasarlanacak Flyback dönüştürücüye at özelkler aşağıda verlmştr. Grş Gerlm (V da_maks, V da_mn ) Çıkış Gerlm (V o ) Yük akımı ( o_maks, o_mn ) Anahtarlama Frekansı (f) : 60V, 38V : 5V : 10A, A : 50kHz Şekl 4. Süreksz çalışma durumu çn prmer ve sekonder akımlarının zamana göre değşm Flyback Transformatörün dönüştürme oranı; _ ort V da _ ort n 51 _ mn 1 8 38 60 49 Dğer büyüklükler çalışma durumuna göre bulunur. Süreksz çalışma durumu çn:. En büyük letm zamanı Eştlk (6) dan elde edlr. Süreksz çalış ma durumunda ölü zaman olduğu çn T=0,8.T dr. t on _maks 9, 03ms Şekl 5. Sürekl çalışma durumu çn prmer ve sekonder akımlarının zamana göre değşmler 300

Şekl 9 Sürekl çalışma durumu çn çıkış gerlmnn zamana göre değşm SONUÇ Şekl 6. Süreksz çalışma durumu çn anahtar üzerndek gerlmn zamana göre değşm Şekl 7. Sürekl çalışma durumu çn anahtar üzerndek gerlmn zamana göre değşm Bu çalışmada küçük güçlü anahtarlamalı güç kaynaklarında çok yaygın olarak kullanılan Flyback Dönüştürücülern analz ve verlen değerlere göre tasarımı yapılmış, bulunan sonuçlar P-Spce programı le karşılaştırılmıştır. Sonuçlara bakıldığında, süreksz çalışma durumunda prmer ve sekonder akımlarının, sürekl duruma göre yüksek olması dezavantajı fakat prmer endüktansının düşük olması se avantajıdır. Fakat süreksz durumda tüm peryodun %0 s cvarında ölü br bölgenn olması, geçc durumlara çok hızlı adapte olmasını sağlar ve uygulamalarda terch edlme sebebdr. Tasarlanan Flyback dönüştürücüye at sonuçlarla, P-Spce programı le elde edlen sonuçların brbrne çok yakın olması bu çalışmanın başarısını göstermektedr. KAYNAKLAR [1] Chung H., Hu S.Y.R., Wang W.H., "An Isolated Fully Soft-Swtched Flyback Converter wth Low Voltage Stress", Power Electroncs Specalsts Conference, 1997. PESC '97 Record., 8th Annual IEEE Volume, -7 June 1997 Page(s):1417 143. [] Henry S.H. Chung, Wa-leung Cheung, Kamshng Tang, A ZCS Bdrectonal Flyback Converter, Power Electroncs Specalsts Conference, 004. PESC 04. IEEE 35th Annual Volume, 0-5 June 004 Page(s):1506 151 Şekl 8. Süreksz çalışma durumu çn çıkış gerlmnn zamana göre değşm [3] Preto, R., Cobos, J.A., Garca, O., Asens, R., Uceda, J., Optmzng the wndng strategy of the transformer n a flyback converter Power Electroncs Specalsts Conference, 1996. PESC '96 Record., 7th Annual IEEE Volume, 3-7 June 1996 Page(s):1456 146. [4] Salem, T.E.; Tpton, C.W.; Porschet, D., Fabrcaton and Practcal Consderatons of a Flyback Transformer for Use n Hgh Pulsed- Power Applcatons, SSST '06. Proceedng of the Thrty-Eghth Southeastern Symposum on 5-7 March 006 Page(s):406-409 [5] Xangjun Zhang, Hanku Lu, Danguo Xu, Analyss and desgn of the flyback transformer, IECON '03. The 9th Annual Conference of the IEEE Volume 1, -6 Nov. 003 Page(s):715 719. 301

[6] Chen, T.H., Ln, W.L., Law, C.M., Dynamc modelng and controller desgn of flyback converter, IEEE Transactons on Volume 35, Issue 4, Oct. 1999 Page(s):130 139 [7] Pressman A.I., "Swtchng Power Supply Desgn", Second Ed. McGraw-Hll, 1998, pp. 105-140. [8] Bllngs K. "Swtchmode Power Supply Handbook", McGraw-Hll, 1989. 30