Taşınabilir elektronik cihazlar için USB güç dağıtımı dönüştürücüsü tasarımı ve meta-sezgisel yöntemlerle optimizasyonu
Design and meta-heuristics based optimisation of USB power delivery converter for portable electronic devices
Yazar: ÖMER SAİD AYDIN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde oldukça popüler durumda olan taşınabilir elektronik cihazlar (telefon, tablet, bilgisayar vb.) için en uygun dönüştürücü flyback dönüştürücülerdir. Özellikle maliyet ve hacim değerlerinden dolayı diğer dönüştürücülerin önüne geçmektedir. Elektriksel olarak yalıtım sağlama özelliği de bulunduğundan bu dönüştürücüler USB yüklerinde sıklıkla tercih edilmektedir.
Anahtarlamalı güç kaynağı mimarilerinde en yaygın kullanılan dönüştürücü tiplerinden biri olan flyback dönüştürücüler yüksek güç yoğunluğu ve tasarım kolaylığı ile çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. Belirli bir güce kadar benzer dönüştürücü topolojilerine kıyasla daha az malzeme kullanıldığından tasarım ve üretim aşamaları daha kolay olmaktadır. Flyback dönüştürücünün yapısı gereği sahip olduğu transformatör kullanılarak farklı gerilim ve farklı akım değerlerinde aynı dönüştürücü üzerinde birden fazla çıkış alınabilir.
Günümüzde anahtarlamalı dönüştürücülerdeki problemlerden biri de anahtarlama frekansının yükselmesiyle birlikte anahtarlardaki anahtarlama güç kaybı değerinin de yükselmesidir. Dönüştürücüdeki maliyet ve hacim değerlerinin düşürülmesi için tasarımda anahtarlama frekansı yüksek seçilmektedir. Anahtarlama frekansının yükselmesiyle dönüştürücüde ihtiyaç duyulan endüktans ve kapasitans değerleri ve hacimleri azalmaktadır. Ancak yüksek frekans nedeniyle anahtarda oluşan anahtarlama güç kaybı değeri de artmaktadır. Güç kaybını azaltmak için literatürde farklı yöntemler kullanılmaktadır. Yapılan tez çalışması kapsamında anahtarlama kaybını azaltmak amacıyla aktif koruma devresi (AKD, ACC) kullanılmaktadır. Yardımcı anahtar kullanılarak oluşturulan aktif koruma devresi ile ana anahtarda meydana gelen anahtarlama güç kaybında önemli miktarda azalma meydana gelmektedir. Ana anahtar iletim durumuna geçerken sıfır gerilimde anahtarlama (SGA, ZVS) ile anahtarlanarak anahtarlama kaybının büyük bölümü geri kazanılmaktadır.
Doğadan ilham alan optimizasyon yöntemlerinin günümüzde her alanda olduğu gibi güç elektroniği uygulamalarında da kullanımı giderek artmaktadır. Gelişmiş optimizasyon yöntemleri ile birlikte güç dönüştürücülerinin tasarımı yapıldığında daha düşük maliyetli, daha düşük hacimde, yüksek güç yoğunluğunda ve yüksek verimde dönüştürücüler tasarlanabilmektedir. Buna ek olarak her bir bileşenin maliyeti optimizasyon algoritmasına dahil edilerek tasarım problemini çok amaçlı bir optimizasyon problemine dönüştürmek mümkündür. Parçacık sürüsü optimizasyon (PSO) yöntemi, doğadan ilham alan optimizasyon yöntemlerinden biri olup sıklıkla mühendislik problemlerinin çözümünde tercih edilmektedir. Yapılmış olan tasarımda parçacık sürüsü optimizasyon yöntemi kullanılarak tasarım optimizasyonu uygulaması yapılmaktadır.
Bu tez kapsamında, flyback dönüştürücüler için USB PD yüklerde kullanılmak üzere tasarım ve optimizasyon yöntemi önerilmiştir. Önerilen yöntem doğadan ilham alan optimizasyon algoritmaları sayesinde belirli bir amaç fonksiyonu dahilinde manyetik ve elektriksel bileşen veri tabanındaki birçok bileşen arasından en uygun tasarımı belirlemektedir. Geleneksel tasarım algoritmalarından farklı olarak önerilen algoritma, flyback dönüştürücünün toplam kaybını, maliyetini ve hacmini içeren bir amaç fonksiyonunu en aza indirerek tasarım için en uygun parametreleri ve devre bileşenlerini seçmektedir. Önerilen yöntem ile 230V/ 50Hz AA şebekesinden beslenen aktif korumalı 5/9/15/20V, 3.25A, 65W gücünde bir USB PD dönüştürücüsü tasarlanmıştır. Algoritmanın önermiş olduğu, benzetimlerle doğrulanmış tasarım imal edilmiş ve algoritmanın deneysel başarımı incelenmiştir.

Abstract:
Flyback converters are the most suitable converters for portable electronic devices (phones, tablets, computers, etc.), which are very popular today. It is ahead of other converters, especially due to its cost and volume values. These converters are often preferred for USB loads, as they also have the feature of providing electrical insulation.
Flyback converters, one of the most widely used converter types in switched power supply architectures, have a wide range of use with their high power density and design simplicity. Up to a certain power, less material is used compared to similar converter topologies, so the design and production stages are easier. By using the transformer that the flyback converter has due to its structure, more than one output can be taken on the same converter at different voltages and different current values.
Today, one of the problems in switched converters is that the switching power loss value in the switches increases with the increase of the switching frequency. In order to reduce the cost and volume values in the converter, the switching frequency is chosen high in the design. As the switching frequency increases, the inductance and capacitance values and volumes needed in the converter decrease. However, due to the high frequency, the switching power loss value in the switch also increases. Different methods are used in the literature to reduce power loss. Active protection circuit (AKD, ACC) is used in order to reduce the switching loss within the scope of the thesis study. With the active protection circuit created by using the auxiliary switch, a significant reduction occurs in the switching power loss in the main switch. Most of the switching loss is recovered by switching with zero voltage switching (SGA, ZVS) while the main switch is in the conduction state.
Today, the use of nature-inspired optimization methods is increasing in power electronics applications as well as in every field. When power converters are designed with advanced optimization methods, lower cost, lower volume, high power density and high efficiency converters can be designed. In addition, it is possible to transform the design problem into a multi-objective optimization problem by including the cost of each component in the optimization algorithm. Particle swarm optimization (PSO) method is one of the nature-inspired optimization methods and is often preferred in solving engineering problems. In the design, design optimization is applied by using the particle swarm optimization method.
In this thesis, a design and optimization method has been proposed for flyback converters to be used in USB PD loads. The proposed method determines the most suitable design among many components in the magnetic and electrical component database within a certain objective function, thanks to nature-inspired optimization algorithms. Unlike traditional design algorithms, the proposed algorithm selects the most appropriate parameters and circuit components for the design by minimizing an objective function that includes the total loss, cost and volume of the flyback converter. With the proposed method, a 5/9/15/20V, 3.25A, 65W power USB PD converter with active protection, fed from 230V/ 50Hz AC mains, is designed. The design proposed by the algorithm, validated by simulations, was fabricated and the experimental performance of the algorithm was examined.