İleri yönlü DC-DC dönüştürücüde transformatör optimizasyonu
Transformer optimization in forward DC-DC converter
Yazar: İBRAHİM TEKER
Danışman: PROF. DR. AHMET FARUK BAKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç kaynakları = Power sources ; Optimizasyon = Optimization ; Transformatör =

Özet:
Anahtarlamalı güç kaynakları, yüksek güç yoğunlukları ve uygun maliyetleri sebebi ile günümüzde neredeyse tüm elektronik bileşen ve cihazların vazgeçilmez bir parçası olmuş durumdadırlar. Gelişen analog ve dijital kontrolcüler, anahtarlamalı güç kaynaklarını her türlü uygulamada çok daha kolay şekilde kullanılmasını mümkün kılmıştır. Bunların yanında, gerek ev elektroniği, gerekse endüstriyel uygulamaların birçoğunda elektriksel izolasyon bir tercihten çok bir gereklilik halini almaktadır. Bu izolasyon ihtiyacının yanında, dönüşüm oranının yüksek olduğu uygulamalarda transformatör kullanımı, standart güç elektroniği topolojilerindeki anahtarların iletim ve kesim süreleri göz önünde bulundurulduğunda uygulama açısından bir zorunluluk halini almaktadır. Bu durum, elektriksel olarak izoleli ve yüksek frekanslı anahtarlamalı güç kaynaklarının merkezindeki en önemli bileşen olan transformatörün tasarımını önemli bir konu haline getirmektedir. Anahtarlamalı güç kaynağı uygulamalarında kullanılan transformatörlerde temelde bir primer ve bir sekonder olmak üzere iki adet sargı bulunmaktadır. Bu sargıların tur oranları transformatörün yükseltici veya düşürücü bir tip transformatör olduğunu belirlemektedir. İdeal bir transformatörde bu iki sargı arasındaki manyetik bağlantı veya daha bilinen adı ile manyetik kuplaj kusursuzdur. Sargı dirençleri sıfır kabul edilir. Primer ve sekonder arasındaki bu kusursuz manyetik bağlantı, primerden giren enerjinin kayıpsız şekilde sekondere aktarılmasını sağlamaktadır. Ancak, uygulamada kusursuz bir manyetik kuplaj mümkün değildir. Ayrıca sargıların akıma karşı gösterdikleri AC ve DC dirençler, yüksek güçlerin ve yüksek anahtarlama frekanslarının söz konusu olduğu uygulamalarda kayıplarda fazlası ile etkili olmaktadır. Bunların yanında sargıların doğası gereği transformatörün çalışması esnasında bir miktar manyetik akı ana manyetik yol olan manyetik nüve yerine alternatif yollardan gideren kaçak endüktans olarak ifade edilen ve genelde istenmeyen bir parametreye sebep olmaktadır. Kaçak endüktans trafonun primer sargısında yük akımının özellikle yüksek frekanslarda istenen hızda yükselmesinin önünde bir engel oluşturmaktadır. Sargıların arasındaki izolasyonun dielektriği sebebi ile parazitik kapasite denilen bir başka etki de ayrıca görülmektedir. Özellikle yüksek turlu ve yüksek dönüşüm oranına sahip transformatörlerde parazitik kapasitenin etkisi çok daha büyük olmakta ve bu durum istenmeyen akım ve gerilim salınımlarına sebep olmaktadır. Bu gibi etkilerin minimize edilmesinin zorluğu sebebi ile bu parametrelerden faydalanarak çalışan rezonanslı dönüştürücüler olmasının yanında, bu rezonanslı dönüştürücülerin kontrol aralığının dar olması ve tasarımlarının zor olması, standart topolojilerin kullanılmasını mümkün kılmak adına transformatörün bu parametrelerinin optimizasyonunu bir ihtiyaç haline getirmektedir.

Abstract:
Switching mode power supplies have become an indispensable part of almost all electronic components and devices today due to their high power density and affordable costs. Developing analog and digital controllers have made it possible to use switching power supplies much more easily in all kinds of applications. In addition, electrical isolation is becoming a necessity rather than a choice in many home electronics and industrial applications. In addition to this isolation need, the use of transformers in applications with high conversion rates becomes a necessity when considering the transmission and cut-off times of switches in standard power electronics topologies. This makes the design of the transformer, the most important component at the center of electrically isolated and high-frequency switching power supplies, an important issue. Transformers used in switching power supply applications basically have two windings, a primary and a secondary. The turn ratios of these windings determine whether the transformer is a step-up or step-down type transformer. In an ideal transformer, the magnetic connection, or more commonly known as magnetic coupling, between these two windings is perfect. Winding resistances are considered zero. This perfect magnetic connection between the primary and the secondary ensures that the energy entering from the primary is transferred to the secondary without loss. However, a perfect magnetic coupling is not possible in practice. In addition, the AC and DC resistances of the windings against current are extremely effective in losses in applications where high powers and high switching frequencies are involved. In addition, due to the nature of the windings, during the operation of the transformer, some magnetic flux is eliminated through alternative paths instead of the magnetic core, which is the main magnetic path, causing a generally undesirable parameter called leakage inductance. Leakage inductance creates an obstacle to the load current in the primary winding of the transformer from increasing at the desired rate, especially at high frequencies. Another effect called parasitic capacity is also observed due to the dielectricity of the insulation between the windings. Especially in transformers with high turns and high conversion ratio, the effect of parasitic capacity is much greater and this causes undesirable current and voltage oscillations. Although there are resonant converters that work by taking advantage of these parameters due to the difficulty of minimizing such effects, the narrow control range of these resonant converters and their difficult design make the optimization of these parameters of the transformer a necessity in order to enable the use of standard topologies.