Geri Dön

Switching mode power supply and fly back converter design

Başlık çevirisi mevcut değil.

  1. Tez No: 75473
  2. Yazar: ERKİN CÜCE
  3. Danışmanlar: PROF. DR. EMİN TACER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1998
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 132

Özet

ÖZET Günümüzde, dünyadaki bütün elektronik cihazlar enerjilerini DC kaynaklardan- aküler veya güç kaynaklan - alırlar. Taşınabilir cihazlar dışındaki elektronik cihazlarda aküler DC kaynak olarak kullanılmazlar. Elektronik cihazlar genelde şebekeden beslenirler. Günümüzde güç kaynaklan elektronik cihazların en önemli parçası durumundadırlar. Güç kaynaklan elektronik cihazlarda şebeke ile elektronik cihazların fonksiyonel devreleri arasında ara birim oluştururlar. Çoğu elektronik cihazlar sadece DC güce değil, ayrıca bu DC gücün iyi filtrelenmiş ve iyi regüle edilmiş olmalarına da gereksinim vardır. Bu DC güç çoğu durumda şebekeden elde edilir. Bazı uygulamalarda ise 60 voltluk telefon hatlarından elde edilir. Günümüzde, endüstride lineer ve anahtarlamalı güç kaynaklan DC besleme elde etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Lineer güç kaynaklan, elektronik devrelerin icadından bu yana endüstride kullanılmaktadır. Lineer güç kaynaklarında geçmişte tüplü anahtarlama elemanları kullanılmakta iken, günümüzde yan iletken anahtarlama elemanları kullanılıyor olmalarına rağmen, yapısı ve çalışması aynı kalmıştır. Lineer güç kaynaklarının endüstride bir çok uygulaması vardır. Bu kaynaklar sabit ve temiz çıkışlar, şebeke gerilimi ve yükü değişimlerinde çıkış geriliminde küçük oynamalar, kısa devre koruması, basitlik ve az komponentten oluşma gibi olası isteklerin hepsini karşılamaktadır. Basit bir lineer güç kaynağı, düşük frekanslı izolasyon transformatörü, doğrultucu devre ve elektriksel olarak değişken direnç yapısındaki çıkışa seri bir anahtarlama elemanından oluşur. İzolasyon transformatörü şebeke gerilimini, şebeke frekansında düşük gerilime indirmek için kullanılır. Düşürülmüş sekonder gerilimi, doğrultucu devre ile doğrultulup filtrelenir. Doğrultucu çıkışı, seri anahtarlama elemanına regüle edilmemiş DC gerilim sağlar. Geri besleme devresi ile çıkış gerilimi algılanarak ve sabit referansla karşılaştırılarak, çıkış gerilimi kontrolü ve regülasyonu seri anahtarlama elemanının direnci değiştirilerek sağlanır. Lineer regülatör sadece yüksek DC gerilimden düşük DC gerilim elde edebilir. Çıkış ve giriş gerilimlerinin bir uçlan ortaktır. Bu nedenle izolasyon için transformatöre gereksinim vardır. Lineer regülatörlerin en büyük dezavantaj larından bir tanesi, seri anahtarlama elemanı üzerindeki büyük güç kaybıdır. Seri anahtarlama elemanı lineer bölgede çalıştırılması ve çıkışa seri olduğundan bütün yük akımı üzerinden akması güç kaybım artırır. Bu güç kaybı, sistemin verimini çok düşürür. Lineer güçkaynaklarında verim tipik olarak %40 ile %50 arasındadır. Aşın kayıplardan dolayı oluşan ısıyı düşürmek için büyük ve pahalı soğutuculara ve soğutma fanlarına ihtiyaç vardır. Düşük frekanslı transformatör kullanıldığından dolayı, transformatörler büyük, ağır ve pahalı olmaktadır. Bu nedenle lineer regülatörlerin güç/hacim yoğunluğu çok düşük olmaktadır. Tipik olarak güç/hacim yoğunluğu 0.2 ile 0.3 W/in3 arasında olmaktadır. Lineer güç kaynaklarında giriş gerilimi kontrol aralığı oldukça dardır, + %10. Bu dezavantaj larından dolayı, lineer güç kaynaklan endüstride tercih edilmemektedir. Son yıllarda mikro elektronik ve yan iletkenlerdeki teknolojik gelişmelerden dolayı, yüksek verimli, hafif, küçük ve ucuz güç kaynaklarına doğru bir eğilim olmaktadır. Anahtarlamalı güç kaynaklan bu şartlan sağlaya bildikleri için, günümüzde modern elektronik cihazlarda, lineer güç kaynaklarının yerini almaktadırlar. Anahtarlamalı güç kaynaklarında, DC besleme transformatörlü veya transformatörsüz olarak şebekeden elde edilir. DC gerilim, yüksek frekanslarda (işitilebilen frekanslardan büyük) kıyılarak ve filtrelenerek elde edilir. Yüksek çalışma frekansından (hızlı anahtarlamadan) dolayı, transformatör ve kapasiteler 50/60Hz'lik lineer güç kaynaklarında kullanılanlara göre daha küçük ve ucuz olmaktadır. Tranzistörler devrede, doyum bölgesinde çalıştırıldıkları için, ideal bir anahtar gibi davranmaktadırlar. Doyum bölgesinde çalışlan tranzistörde, üzerindeki gerilim düşümleri lineer bölgede kullanılan tranzistörlere göre daha düşük olduğundan dolayı, tranzistör üzeindeki güç kayıpları lineer güç kaynaklarına göre daha düşük olmaktadır. Düşük güç kayıpları yüzünden, anahtarlamalı güç kaynaklanılın verimi lineer güç kaynaklarına göre daha yüksek olmaktadır. Tipik olarak anahtarlamalı güç kaynaklarının verimi %70 ile %80 arasında olmaktadır. Anahtarlamalı güç kaynaklarında, giriş gerilimi kontrol aralığı daha geniş olmaktadır. Tipik olarak anahtarlamalı güç kaynaklarının giriş kontrol aralığı ±%20 civarındadır. Bütün bu avantajlarının yanında, anahtarlamalı güç kaynaklarının bazı dezavantaj larıda bulunmaktadır. Yüksek gerilim ve akımların yüksek frekansta anahtarlanmasından dolayı, elekriksel manyetik girişim, yüksek gürültü ve dalgalı çıkış gerilimi oluşmaktadır. Devrenin yapısı ve kontrolü lineer güç kaynaklarına göre daha karmaşık olmaktadır. Fakat bütün bu problemler uygun tasarım, baskılı devre, filtre ve kontrol ile çözülmektedir. Anahtarlamalı güç kaynaklarında güç/hacim yoğunluğu lineer güç kaynaklarına göre daha yüksek olmaktadır. Tipik olarak güç/hacim yoğunluğu 1 ile 4 W/in3 arasında olmaktadır.Anahtarlamalı güç kaynaklan temel olarak iki bölüme ayrılırlar. Transformatör izolasyonu olan ve olmayan olarak. Transformatör izolasyonu olmayan anahtarlamalı güç kaynaklarında, izolasyon gereksinimi olmayabilir veya güç kaynağı dışındaki elemanlar izolasyonu sağlayabilirler. Transformatör izolasyonu olmayan güç kaynaklarında sadece yarı iletken tranzistör veya diyotların izolasyonu bulunmaktadır. Yarı iletkenler düşük delinme gerilimleri ve düşük hatalar arası ortalama zamanından (mean time between failure, MTBF) dolayı güvenli bir izolasyon sağlamazlar. Transformatör izolasyonlu anahtarlamalı güç kaynaklan, DC izolasonu tel veya folyelerin fiziksel yalıtkanlıklarıyla sağlarlar. Enerji yalıtkan manyetik materyal üzerinden çıkışa aktarılır. Yan iletken arızasında, transformatörler bir kaç bin volta kadar dayanan ikinci bir dielektrik bariyer oluştururlar. Birden fazla çıkış gerilimine ihtiyaç duyulduğunda, her bir çıkış için ayrı güç kaynağı kullanmak yerine, transformatör kullanılabilir. Ayrıca giriş ile çıkış gerilimi arasındaki dönüşüm oram çok yüksek olduğunda da, trasformatör ile bu dönüşüm yapılabilir. Bütün bu nedenlerden dolayı transformatör izolasyonlu anahtarlamalı güç kaynakları, transformatörsüz olanlara göre daha fazla tercih edilmektedir. Tezde değişik anahtarlamalı güç kaynaklarının çalışma prensipleri, devre şeması, akım gerilim şekilleri, avantaj lan/dezavantaj lan ve uygulama alanları belirtildi. Anahtarlamalı güç kaynaklarının teorisi ile pratiği her zaman benzer olmayabilir. Teoritik analizde, bütün devre elemanları ideal olarak düşünülebilir. Fakat pratikte anahtarlamalı güç kaynaklarındaki hiç bir eleman ideal değildir. Anahtarlamalı güç kaynaklarının pratik çalışmasını incelemek için en popüler anahtarlamalı güç kaynaklarında biri olan fly-back konvertör prototip olarak seçildi ve tasarımı yapıldı. Fly-back konvertörün bütün tasarım kriterleri ve basamaklan açıklandı. Fly-back konvertör, yüksek frekansta çalışacak, birden fazla izoleli ve izolesiz çıkışları olacak şekilde tasarlandı. Çalışma modu olarak, düşük anahtarlama kayıpları ve kontrolündeki kolaylıktan dolayı süreksiz akım modu seçildi. Ayrıca aşın akım ve kısa devre korumalı olarak tasarlandı. Fly-back konvertörlerde kullanılan transformatörlerin tasarımı, diğer konvertörlerdeki transformatör tasarımlarından daha zordur. Fly-back transformatörü bir çok fonksiyonu üzerinde bulundurur. Fly-back transformatörü sadece galvanik izolasyonu sağlamakla kalmayıp, ayrıca enerji depolama ve akım sınırlama endüktansı görevinide yerine getirir. Transformatör tasarımının ilk basamağı manyetik çekirdek malzeme seçmektir. Doğru seçilmiş manyetik çekirdek, tasarlanan güç kaynağının performansım optimum yapar. Devrenin çalışma frekansına, gücüne ve devre yapısına göre manyetik çekirdek seçilir. Endüstride değişik uygulamalar için çok çeşitli manyetik çekirdek tipleri mevcuttur - ferrit, demir tozlu (iron powder core), saç (laminations core), molly permalloy powder vb. Bu çekirdekleri hepsinin frekans, maximum çalışma sıcaklığı, akı yoğunluğu, çekirdek ve sarım fiyatlarına göre değişik uygulama alanları vardır. Bu tasarımda düşük maliyet, sıcaklık kararlılığı, geniş frekans aralığı ve yüksek manyetik geçirgenlik maliyeti nedeni ile ferit çekirdek seçildi. Uygun çekirdek boyutu seçimini çekirdek materiali ve şekli, izin verilen maksimum sıcaklık ve güce göre olmaktadır. Bunun için alan çarpım (area product) methodu kullanıldı.Son yıllarda yan iletken teknolojisindeki gelişmere rağmen, yarı ilekten elemanlar hala güç kaynaklarının en hassas elemanları durumundadırlar. Yan iletken elemanların içindede en hassas olanı anahtarlama elemanlarıdır. Anahtarlama elemanı olarak, yüksek frekansta anahtarlama yapılabilen, sürümü ve kontrolü kolay ve fiyatı düşük olan Mosfet tercih edildi. Transformatördeki kaçak endüktansın üzerinde depolanan enerji, anahtarlama esnasında anhtarlama elemanının üzerindeki gerilim aşın yükselmesine neden olur. Bu aşın gerilim anahtarlama elemanları için tehlikeli olabilir. Gerilimin aşın yükselamesini engellemek için snubber devreleri kullanılır. Güç kaynaklarında temel kontrol modları olarak iki tip kontrol modu vardır - tek çevrimli veya birden fazla çevrimli. Tek çevrimli kontrol gerilim kontrollü moddur. Bu metod ile sadece gerilim algılanır ve darbe genişliği referans gerilimle karşılaştırılarak elde edilir. Gerilim kontrollünde, geçici durumda yük ve giriş gerilimi değişimlerindeki cevap süresin uzundur. Birden fazla çevrimli akım kontrolünde, hem gerilim hem de akım algılanır. Bu kontrolün geçici durumdaki davranışı gerilim kontrolüne göre daha iyidir. Tasarlanan flyback konvertörde de akım kontrollü entegre kullanıldı. Güç kaynaklarında çıkış gerilim kontrolü geri besleme ile yapılır. Bunun için, fark kuvvetlendiricisi ile ideal çıkış voltajı ile gerçek çıkış voltajı karşılaştırılır ve bir kazanç ile kuvvetlendirilir. Bu fark kuvvetlendiricisine hata kuvvetlendirici denir. Bunun görevi gerçek çıkış voltajı ile ideal çıkış voltajı arasındaki hatanın en aza indirilmesidir. Bu tezde flyback konvertör için geri besleme devresi tasarlandı. Kararlı bir sistem için gerekli kriterler belirtildi. Açık çevrim ve kapalı çevrimin Bode diyagramı çizildi. Tasarlanan fly back konvertörün laboratuvar testinden önce, tasarımın ara kontrolü için similasyonu yapıldı. Fly back konvertör similasyon modeli, similasyon programı ve sonuçlan belirtildi. Tasarlanan flyback konvertörün en son olarak laboratuvar testleri yapıldı. Test sonuçlan, similasyon sonuçları ve teoritik olarak beklenen sonuçlarla karşılaştırıldı. Laboratuar testler ve similasyon sonçlarında, kaçak endüktansın, anahtarlama elemanlarının üzerinde gerilimin darbesine ve primerde depolana enerjinin sekondere adil olarak paylaştırılmamasına etkisi gözlemlendi. Güç kaynağı süreksiz akım modunda çalıştığı için, anahtarlama elemanının kapama kayıpları açma kayıplarına göre daha az olduğu ölçüldü. Çıkış kondansatörü flyback konvertördeki iki fonksiyonu gözlemlendi. Çıkış kondansatörü hem çıkış gerilimini filtreliyor hem de transistor kapalı iken çıkışa gerilim sağlıyor. Laboratuarda ölçülen verim anahtarlamalı güç kaynaklarından beklenen verime yakın bir değerde oldu. Fly -back konvertörün çıkış gerilim kontrolü çıkışgerilimlerinden bir tanesine (ana çıkış) göre yapılmaktadır. Diğer çıkışlar için ayrı bir kontrol yoktur, kontrolleri ana sargıya göre yapılır. Teoretik olarak beklenen şebeke ve yük regülasy onunun sonuçlarının sonuçları laboratuvar testlerinde de gözlemlendi. Giriş gerilimi regülasyonunda çıkış gerilimleri beklenen değerlerinden sapmadı. Fakat yük regülasyonunda ana çıkış dışındaki gerilimler beklenen değerlerden 5% saptılar. Ana çıkışın gerilimi regüle edildiği için aynı kaldı. Tasarlanan bu fly -back konvertör üzerinde veya diğer anahtarlamalı güç kaynaklarında bu tezde yapılamayan bazı iyileştirmeler yapılabilir. Fly -back konvertörün yüksek gerilim stersini ve anahtarlama kayıplarını düşürmek için iki adet anahtarlama elemanı seri olarak kullanılabilir. Bu methodla gerilim stresi yarıya düşerken kayıplarda epey azalır. Kayıp endüktansın primerde depolanan enerjinin sekondere adil dağıtılmamasına olan etkisini yok etmek için çıkışlara seri endüktanslar konulabilir. Böylece depolanan enerji çıkışa adil dağıtılabilir. Bunun kontroldeki güçlükleri giderilmiş olur. Kayıpsız snubber devreleri kullanılarak devrenin verimi yükseltilebilir. Fakat bu sistemin maliyetini artırır. Girişten doğrusal olmayan akımlar çekilmektedir. Bunun şebekedeki bozucu etkilerini gidermek için, günümüzde popüler olan güç faktörü düzeltme devreleri kullanılabilir. Böylece girişten çekilen akımlar sinusoidal olurlar. Giriş akımının şebeke üzerindeki bozucu etkileri giderilebilir. Sıfır akım veya gerilimli (ZVS, ZCS) devreler kullanılarak anahtarlama kayıpları minimize edilebilir. Anahtarlama elemanları bu devrelerle sıfır akımda veya gerilimde anahtarlama yaparlar. Böylece devrenin verimi artırılabilir.

Özet (Çeviri)

SUMMARY Today, the power supply unit is an essential circuit block in practically all electronics equipment. Such equipment generally works from the AC power mains. The functional circuit of the equipment usually needs power at one or more fixed DC voltages, which have to be maintained with in close limits to ensure reliable working of the equipment. Generally, the industry has settled into areas where linear and switching power supplies are applied. As the integrated semiconductor technology becomes more advanced, size, weight, cost and efficiency are emphasized as important features of power supplies. Traditionally, the bulkiest part of a system is the power supply, with its heavy isolation transformer, big heat sinks, and cooling fans as in the case of linear power supplies. Although linear power supply meets all demands as the constancy and purity of the output due to these disadvantages, It is not preferred today in today modern electronic systems. The trend therefore in recent years has been toward the development of high efficiency, lightweight, cheap and compact power supplies. Since the switching mode power supply meets these demands, it has become the prime powering source in the majority of modern electronic designs. In this thesis, called“ Switching Mode Power Supplies and Fly-back Converter Design”linear and switching mode power supplies and their working principles are explained and analyzed theoretically. Their advantages-disadvantages and their application areas are mentioned. Than, one of the most popular switching mode power supply topologies, called fly-back converter with multiple outputs are designed. How the fly-back converter designed and each design steps are expressed. And this designed fly-back converter is simulated. At the end, this converter is constructed. It tested and analyzed at laboratory. Both the results of simulation, and the laboratory test are analyzed and compared with theoretically expected results.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    887216

    Yüksek güç faktörlü yükseltici tür dönüştürücü beslemeli LLC rezonans devresi tasarımı ve uygulaması

    Design and implementation of high power factor boost type converter feed LLC resonant converter

    RAMAZAN ÖNDER YAŞAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM AKBOY

  2. Tez No

    685912

    Flyback tip DA-DA dönüştürücü tasarımı

    Flyback type DC-DC converter design

    MÜCAHİT ÖZEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UĞUR ARİFOĞLU

  3. Tez No

    222566

    Programlanabilir çapraz dönüştürücü

    Programmable flyback converter

    GÜRKAN ÇOBAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. ÖZGÜR ÜSTÜN

  4. Tez No

    167955

    Anahtarlamalı mod güç kaynakları

    Switch mode power supply

    İLKER OLUCAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    PROF.DR. UĞUR ARİFOĞLU

  5. Tez No

    606227

    Değişken frekanslı ve yumuşak anahtarlamalı flyback dönüştürücü tasarımı ve uygulaması

    Design and application of variable frequency soft switching flyback converter

    MEHMET CAN TANERİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NACİ GENÇ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALI MAMIZADEH

Geri Dön