Flyback dönüştürücüler için tutarlı ve kapsayıcı güç kaybı kestirimlerine dayalı tasarım yaklaşımı ve doğrulaması
A flyback design approach with comprehensive and consistent power loss estimations
Yazar: HALİL ALPER ONAY
Danışman: DOÇ. DR. METİN AYDIN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Flyback dönüştürücü, geniş giriş gerilim aralığında çalışabilme, çok çıkışlı olabilme, yalıtımlı olma, düşük eleman sayısı, düşük maliyet ve nispeten yüksek verim gibi özellikleriyle en çok tercih edilen dönüştürücü türüdür.

Bilinirliği yüksek olan bu topoloji üzerine yapılan çok sayıda çalışma ve sunulan çeşitli tasarım algoritmaları mevcuttur. Ancak, bir dönüştürücünün performansını, güvenilirliğini ve ömrünü etkileyen en önemli unsur olan ısıl performans kriteri, bu algoritmaların tasarım aşamasında yer almamaktadır. Genel kanı, bu performansın tasarım sonunda ölçülmesi yönündedir. Önceden öngörülmeyen sıcaklık artışları, pratik dünyada geri dönüşü zor ve zaman kaybettiren problemlere yol açabilmektedir.

Tez çalışmaları kapsamında, genel bir flyback dönüştürücüde belirlenen sekiz kritik eleman için, henüz tasarım aşamasındayken, güç kayıplarının ve sıcaklık artışlarının öngörülebildiği bir tasarım yaklaşımı sunulmaktadır. Savunulan yaklaşıma uygun bir şekilde, evrensel girişli, 40 W gücünde bir flyback dönüştürücü için detaylı kayıp hesapları yapılmakta ve sıcaklık artışları öngörülmektedir. Dahası, önceden öngörülen bu güç kayıpları, laboratuvar ortamındaki pratik bir devre üzerinde doğrulanmakta ve kayıp dağılımları gözlenmektedir. Bu çalışmalar sırasında detaylı matematiksel hesaplamalar yapılmakta ve sayısal analiz programı kullanılmaktadır. Bu hesaplamalardan bazıları, analitik simülasyonlar ve sonlu elemanlar analizi ile de desteklenmektedir. Çıkan sonuçlar ise ısıl ve elektriksel ölçüm yöntemleri ile doğrulanmaktadır.

Bu tez ile flyback topolojisi ve bu topoloji üzerine yapılan verim iyileştirme çalışmaları, pasif malzemeler, yarı-iletkenlerin ısıl yönetimi ve elektromanyetik girişim konularında genel bilgiler verilmekte, kritik malzemelerin güç kayıplarının öngörülmesi ve doğrulanması ile ilgili yöntemler sunularak, detaylı çalışmalar yapılmaktadır. Çalışmaların çıktıları değerlendirilerek, okuyucuya flyback dönüştürücülerdeki güç kaybı dağılımları hakkında bakış açısı kazandırılmaktadır.

Abstract:
Flyback topology is the most preffered converter topology with its wide input range, isolation, multi-output, low part counts, low cost and relatively high efficiency features. 

There are several studies and helpful design algorithms on this well-konwn topology. However, there are lack of information about thermal issues, which are the key factors for converters' performance, reliability and life-span, in those algorithms. In common view, thermal performance of a converter is concerned in post-design. Yet, uncalculated temperature rises can cause challenging or irremediable problems.    

In this thesis, a design approach based on estimating the main power losses and temperature rises in a flyback converter just in design process is submitted. With this approach, detailed power loss calculations for eight critical components are made and temperature rises are estimated. Moreover, those estimated power losses are verified on a practical prototype under laboratory contidions. During the studies in this thesis, while detailed calculations are made, analytical simulations and field analysis tools are used in order to support some of those calculations. In additions, results of those estimations are verified with submitted thermal and electrical measurement methods.

With this thesis, flyback converter, efficiency improvement studies, passive components, thermal management for semiconductors and electromagnetic interference regulations are represented fundamentally. Methods for estimation and verification of critical flyback components' power losses are submitted. Finally, a point of view is gained to the reader by evaluating the power loss portions of a flyback converter.