Düzlemsel transformatör kullanarak ileri yönlü dönüştürücü tasarımı

Abstract

Teknolojik ilerlemeler, elektronik cihazların günlük yaşamda kullanımını önemli derecede artırmıştır. Günümüzde gözümüzü nereye çevirirsek orada bir elektronik cihaz görmek mümkündür. Elektronik cihazların bu kadar yaygınlaşmasında boyut olarak küçülmesinin de önemli bir etkisi bulunmaktadır. Ürünlerin boyutlarının küçülmesiyle ihtiyaç duydukları enerji miktarı da azalmıştır. Bu sebepten dolayı enerji dönüşümlerini yapabilmek için dönüştürücüler kullanılmıştır. Dönüştürücülerin temel fonksiyonu gerilim seviyesini ayarlamak ve alternatif akım ve doğru akım arasındaki dönüşümleri sağlamaktır. En temel dönüştürücü türleri düşürücü, yükseltici ve hem düşürücü hem yükseltici olanlardır. Bu tür dönüştürücülerde giriş ve çıkış arasında bir izolasyon olmadığından dolayı çıkış tarafındanki bir değişim girişi de etkilemektedir. Ayrıca yüksek güç ihtiyacının olması durumunda bu dönüştürücülerin kullanılması durumunda devredeki komponentler çok fazla ısınacaktır veya çok yüksek akım ya da gerilime maruz kalacaktır. Bu sebepten dolayı farklı dönüştürücü topolojilerine ihtiyaç duyulmuştur. Topoloji bakımdan dönüştürcüler izoleli ve izolesiz olarak iki gruba ayrılırlar. İzolesiz dönüştürücüler genelde düşük güçlerin gerektirdiği yapılarda kullanılırlar. İzoleli dönüştürücülerde giriş ve çıkış tarafı fiziksel olarak birbirinden ayrı olduğundan çıkış tarafındaki bir değişim girişi etkilemez. İzoleli dönüştürücülerde izolasyonu sağlamak için transformatörler kullanılmaktadır. Transformatörün yapısında temelde iki sargı ve bir nüve bulunmaktadır. Herhangi bir sargı üzerinden akımın akmasıyla nüve üzerinde bir manyetik akı oluşturur. Nüve üzerinde oluşan manyetik akı diğer sargı üzerinde bir gerilim indükler ve böylece izolasyon sağlanmış olur. Sarımlar arasında enerji transferi yapılırken hem nüveden kaynaklı kayıplar hem de sarımların iç dirençlerinden dolayı kayıplar meydana gelmektedir. Kayıpların azaltılması için anahtarlama frekansının azaltılması veya normal tel yerine litz tellerinin kullanılması gibi işlemler uygulanmıştır. Fakat bu yöntemlerden dolayı transformatör boyutunun büyümesi gibi bazı istenmeyen durumlar ortaya çıkmıştır. Dönüştürücü tasarımlarında hacimce en büyük yeri transformatörler kaplarlar. Transformatörün boyutunun küçültülmesi, transformatör kayıplarının azaltılması, üretilebilirlik ve sarımların tekrarlanabilirliğini kolaylaştırmak için düzlemsel transformatör kullanılmaya başlanmıştır. Düzlemsel transformatörler çalışma bakımından geleneksel transformatörlerle aynı prensipte çalışırlar fakat yapı olarak ferit bir nüve ve baskı devre kartlarındaki (PCB) bakır yolların sarım olarak kullanılmasıyla oluşur. Ferit malzemesinin geçirgenliğinin yüksek olması, yüksek frekanslarda çalışabilmesi ve boyut olarak küçük olması düzlemsel transformatörlerde ferit nüvenin kullanılmasındaki temel sebeplerdendir. Düzlemsel transformatörlerde sarım olarak baskı devre kartlarındaki bakır yolların kullanılması üretim açısından ve sarımların tekrarlanabilirliği açısından büyük bir kolaylık sağlamaktadır. PCB üzerindeki yolların kalınlıkları transformatörün deri etkisi kaybını etkilemektedir. Deri etkisi kaybı ise frekansa bağlıdır bu sebeple anahtarlama frekansına göre izin verilen yol kalınlığı değişmektedir. PCB üzerindeki bakır yollar sarım olarak kullanıldığından PCB'nin katmanlı yapısı sayesinde sarımların paralel olarak bağlanabilmesi düzlemsel transformatörün avantajlarından biridir. Elektromanyetik temel kurallarından biri olan üzerinden akım akan tellerin birbirleri üzerinde manyetik kuvvet oluşturmasıdır. Bu prensip düzlemsel transformatörde PCB yollarının birbirlerine olan yakınlıkları nedeniyle transformatörün yakınlık etkisi kaybını etkilemektedir. Üzerinden akım akan paralel iki yol, birbiri üzerinde değişken manyetik alanlar oluşturur ve bu değişken manyetik alanlardan dolayı elektronlar PCB yollarının yüzeyinde homojen dağılamazlar. Düzlemsel transformatör kullanımı sırasında deri etkisi ve yakınlık etkisinden dolayı ortaya çıkan kayıpları en aza indirebilmek için çeşitli sarım yöntemleri bulunmaktadır. PCB üzerindeki sarımlar farklı katmanlara yayılarak bu sarım yöntemleri gerçekleştirilebilir. PCB katmanlarının ilk yarısına birincil taraf sargıları diğer yarısında ikincil taraf sargılarının yerleştirilmesi yöntemi ile birincil ve ikincil sargıların sarımlarının katmanlar arasında serpiştirilerek sarılması yöntemleri kıyaslandığında serpiştirilen yöntemde deri etkisi ve yakınlık etkisinden kaynaklanan kayıpların azaldığı ve transformatörün histerisisinin daha verimli kullanıldığı görülmüştür. Ayrıca PCB üzerindeki yollar akım taşımak için kullanıldığından PCB katmanlarını kullanarak sarımların paralel olarak bağlanması kolaylaşmaktadır ve böylece bakır kayıpları da önemli ölçüde azalmaktadır. Düzlemsel transformatörlerde nüve yapısının geniş bir alanının olması ve düşük bir yüksekliğinin olması kayıplardan dolayı oluşan ısının atımını kolaylaştırmaktadır. Düzlemsel transformatörlerin tüm bu avantajlarının yanında önümüze getirdiği bazı zorluklar da mevcuttur. En temel zorluklardan birisi sarımlar ve katmanlar arasında oluşan parazitik kapasitanslar beklenmedik problemlere sebep olabilmektedir. Diğer bir dezavantajı ise nüve boyutunun küçük olmasından dolayı sarımlar için sağlanan pencere genişliğinin az bir kısmını sarımlar için kullanılabilmesidir. Bir diğer zorluk ise düzlemsel transformatörün tasarım ve hesaplamaları yapılırkenki işlemlerin karmaşık olmasıdır. Ayrıca tasarım sırasında transformatör üzerinde herhangi bir iyileştirme yapmak çok zordur. Bu işlem karmaşası ve tasarım maliyetlerini azaltmak ve tasarlanacak olan dönüştürücü üretilmeden önce bezetim yapılması faydalı olacaktır. Düzlemsel transformatör için benzetim yöntemleri geliştirilmiştir. Bunlardan bazıları sonlu elemanlar analizi (FEA), modüler katmanlar yöntemi (MLM) ve Jiles-Atherton histerisis modelidir. Bu çalışmada modüler katmanlar yöntemi (MLM) kullanılmıştır. Modüler katmanlar yöntemi genel olarak PCB'nin her katmanını ayrık olarak değerlendirerek her katmana özgü bir eşdeğer elektrik modeli oluşturmaktadır. Eşdeğer modelde yer aln parazitik indüktans,direnç ve kapasitans değerlerinin hesaplanması karmaşık olduğundan M2Spice aracı yardımıyla düzlemsel transformatör için bir model elde edilmiştir. Elde edilen model LTspice aracı içerisine gömülerek düzlemsel transformatörün benzetimi ayrık olarak gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada aktif kırpmalı ileri yönlü dönüştürücü tasarlanması hedeflendiğinden ileri yönlü dönüştürücü için ayrık bir devre kurulup LTspice aracı yardımıyla elektriksel olarak benzetimi yapılmıştır. İleri yönlü dönüştürücüler hem yükseltme hem de düşürme amacıyla kullanılabilmektedir fakat bu çalışmada sadece düşürücü olarak kullanılmıştır. M2Spice aracının oluşturduğu düzlemsel transformatör model çıktısını tüm devreye entegre edildiğinde simülasyon süresi saatler mertebesinde uzun sürdüğü gözlemlenmiştir. Bu sebeple M2Spice aracı sayesinde elde edilen modelin parametre değerleri kullanılarak MLM yöntemine uygun şekilde ayrık devre elemanları ile temel bir eşdeğer model oluşturulmuştur ve böylece simülasyon süresi saniyeler mertebesine inecek kadar hızlandırılmıştır. Bu çalışmada düzlemsel transformatör tasarımı yapılırken iki farklı metot ile hesaplamalar yapılmıştır. İlk olarak nüve geometrisi parametresini kullanarak bir hesaplama yapılmıştır. Nüve geometrisi parametresi henüz yeni bir yöntem olduğundan bu parametre üreticiler tarafından paylaşılmamaktadır. Diğer yöntem ise nüve üzerindeki taşınacak güç miktarı hesaplanarak nüvenin uygunluğu kontrol edilmektedir ve ardından diğer parametre hesapları yapılmaktadır. Hesaplama ve tasarımı yapılan düzlemsel transformatör üretilerek ileri yönlü dönüştürücü devresine entegre edilip test edilmiştir. Tasarlanan transformatörlere ait histerisis eğrisi ve tasarımı yapılan devreye ait anahtarlama sinyalleri, mıknatıslanma akım dalgasının osiloskop görüntüleri paylaşılmıştır. Sonuç olarak nüve geometrisi parametresi ile tasarlanan düzlemsel transformatör ile nüve üzerindeki güç miktarını kontrol ederek tasarlanan düzlemsel transformatörler manyetik alan, kaçak endüktans, verim, sıcaklık ve hesaplama ile uyumluluk açısından karşılaştırılmıştır.