Çok çıkışlı LLC rezonans çeviricilerde transformatör değişkenlerinin devrenin verimine etkisinin tespitine katkılar
Contributions to determining the effect of transformer parameters on efficiency of multi-output resonant converters
Yazar: MUSTAFA KÜÇÜKKURU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Etkinlik = Efficiency ; Güç elektroniği = Power electronics ; Güç kaynakları = Power sources ; Rezonans çevirici teknoloji = Resonant converter technology ; Televizyon = Television

Özet:
Ekran teknolojileri geçtiğimiz 20 yıl içerisinde katot tüplü ekranlardan, önce sıvı kristal ekran teknolojisine (LCD) ve son dönemde de organik ışık yayan diyot (OLED) ekran teknolojisine evirilmiştir. Tüketici elektroniği ürünlerinde son yıllarda yükselen daha ince tasarım ve enerji kaynaklarının verimli kullanımı beklentisi bir araya getirildiğinde güç kaynakları tasarımında daha yüksek verimli ve yüksek güç yoğunluğuna sahip tasarımların yapılması ihtiyacı artmaktadır. Tüketici elektroniği ürünlerinde güç yoğunluğu ve verim talebinin en yüksek olduğu ürünlerden birisi de televizyondur. 
Televizyon teknolojilerinde güç ve kontrol ihtiyacının artması güç elektroniği devrelerinin ön plana çıkmasını sağlamıştır. Güç elektroniğinde darbe genişlik modülasyonlu çeviriciler, tasarımlarının basitliği ve tümleşik kontrol devrelerinin yaygın olarak piyasada bulunabilmesi sebebiyle sıklıkla tercih edilmektedirler. DGM çeviriciler genel olarak yarı-iletken anahtarlar üzerinde akım veya gerilim stresi varken anahtarlama yapmaktadırlar. Bu anahtarlama türüne sert anahtarlama adı verilmektedir. Sert anahtarlamalı güç kaynaklarında anahtarlamanın akım veya gerilim stresi altında yapılmasından kaynaklı kayıplar ve anahtarlama anında oluşan yüksek frekanslı salınımlar belirli güç seviyelerinin üzerindeki endüstriyel uygulamalarda zorluklar çıkartmaktadır. DGM çeviricilerde bilinen zorluklar ve güç kaynaklarında güç yoğunluğunun artırılması gerekliliği rezonanslı güç elektroniği çeviricilerinin önem kazanmasına neden olmuştur. Rezonanslı çeviricilerin en önemli avantajı anahtar olarak kullanılan yarı-iletkenlerde sıfır gerilimde ve sıfır akımda anahtarlama koşullarını sağlaması ve anahtarlama kayıplarının azalmasına katkıda bulunmasıdır. Yumuşak anahtarlama adı da verilen bu tür anahtarlama yarı-iletken elemanlar üzerinde kayıpların daha düşük olmasını ve yarı-iletken anahtarların sert anahtarlanmasından kaynaklanan yüksek frekanslı salınımların oluşmasını engelleyerek endüstriyel ürünlerde elektromanyetik uyumluluk kriterlerinin sağlanmasını da kolaylaştırmaktadır.
TV güç kaynağı tasarımı gerekliliklerinden bir tanesi de pazarda talep gören, ince gövdeye sahip TV üretimi için güç kaynağı tasarımının TV'nin geometrik boyut kısıtı altında gerçekleştirilmesidir. TV'nin kalınlık kısıtı, devre bileşenlerinin yüksekliğinin sınırlandırılmasını gerektirmekte olup bu kısıtın tasarımında zorluklar yarattığı en önemli devre elemanları da güç elektroniği çeviricilerinin kalbi durumunda bulunan elektromanyetik elemanlar olan transformatörler ve endüktanslardır. Güç elektroniği sistemlerinde kullanılan yüksek frekanslı elektromanyetik elemanlar genellikle ferrit çekirdeğe sahip olan ve güç kaynağının verimini belirleyen en önemli elemanlardır.
Bu çalışma kapsamında yükseklik ve sıcaklık kısıtı altında çok çıkışlı TV güç kaynağı olarak tasarlanan LLC rezonans çeviricinin çalışması ve başarımı incelenmiştir. Gerçekleştirilen analizde verilen denklem ve ifadeler üzerinden LLC rezonans çeviricinin tasarımı için literatürde bilinen yöntemler üzerinden bir hesaplama aracı oluşturulmuştur. LLC rezonans çeviricilerin tasarımında önemli bir kriter olan çeviricinin transfer fonksiyonunun kazancı da bu hesaplama aracına eklenen bir grafik arayüzü üzerinden tasarım görsel olarak desteklenmiştir. Oluşturulan hesaplama aracı yardımıyla gerçekleştirilen tasarım, devre benzetim programı olan LTSpice programı yardımıyla bilgisayar ortamında çalıştırılmış ve devrenin başarımı bilgisayar ortamında görülebilir hale getirilmiştir. 
Tasarlanan TV güç kaynağı, endüstriyel TV güç kaynakları için önemli kriterler olan sıcaklık ve en büyük eleman yüksekliği kriterlerine uygun olarak tasarlanmıştır. Devrenin tasarımında referans alınan seri üretime yönelik TV güç kaynağı sıcaklık kısıtları, endüstriyel TV üreticileri tarafından kullanılan malzemelerin dayanımları da göz önüne alınarak  25°C ortam sıcaklığında nominal yükte çalışmada yarı-iletken ve ferrit çekirdekli transformatörün çekirdeği için 70°C, transformatör sargıları için 85°C olarak belirlenmiştir. Endüstriyel TV üreticileri malzeme teknolojisinin kısıtlarını ve tüketici taleplerini de göz önüne alarak 12 – 15mm aralığında malzeme yüksekliği kısıtlarını kullanmaktadırlar. Bu sebeple boyut kısıtı  devre üzerinde 13.5mm'den yüksek malzeme olmayacak şekilde seçilmiştir. Buna yönelik olarak bir LLC rezonans çevirici tasarımı yapılmış, baskı devresi çizilerek üretilmiş ve bu devre ile farklı devre elemanları ile devrenin başarım farklılığı deneysel olarak elde edilmiştir.
Üretilen TV güç kaynağının belirlenen elektriksel çıkış gücü kriterleri altında çalışması deneysel olarak incelenmiş ve gerçekleştirilen benzetim sonuçlarıyla uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Üretilen TV güç kaynağının aynı zamanda sıcaklık ve verim testleri gerçekleştirilmiştir. Bu sonuçlara göre sıcaklık ve verim değerlerinin iyileştirilmesi için transformatör tasarımında değişiklikler gerçekleştirilmiştir.  Üretilen ilk tasarım sonrasında devrenin verimini ve sıcaklık davranışını iyileştirmek için transformatör parametrelerinde yapılan değişiklikler aynı kriterler altında test edilmiş ve sonuçları karşılaştırmalı olarak elde edilmiştir. Yapılan çalışmanın sonucunda transformatör  parametrelerinin LLC rezonans çevirici verimine önemli bir etkisi olduğu ve transformatör tasarımının iyileştirilmesinin devrenin başarımına, verimine ve sıcaklık davranışına olumlu katkı sağladığı gözlemlenmiştir. Çalışmada maliyet bazında bir kısıt kullanılmamıştır. 
Bu çalışmada gerçekleştirilen iyileştirmeler sonucunda 200W'lık ticari TV güç kaynağının tüketimi nominal yükte 8W ve %10 yük koşulunda 4W düşürülmüş ve devrenin verimi anma yükünde %90.61'den %92.97'ye yükselmiştir. Dünyada enerji kaynaklarının sınırlı olduğu ve ülkemizin enerji ithalatçısı bir ülke durumunda olduğu düşünüldüğünde yalnızca transformatör parametreleriyle yapılan bu iyileştirmenin evlerimizde hergün kullandığımız ürünler olan televizyonların ve tüketiciye uygun maliyetli ve yüksek enerji verimliliğine sahip ürünler ulaştırılması ve nihayetinde enerji tüketimimizi düşürmesi açısından katkısı olacaktır.

Abstract:
Over the last two decades display technologies have evolved from cathode ray tube (CRT) displays to liquid crystal display (LCD) technology and recently to organic light emitting diode (OLED) technology. The demand for thinner design and energy-efficient products in the consumer electronics market requires high efficiency and high-power density power supply designs. Television is one of the consumer electronics product that has highest energy efficiency and power density demand in the market.
Pulse-width modulated DC-DC converter topologies cannot meet this demand over a certain power level because of the well-known problems about high switching losses and electromagnetic interference issues. In recent years, resonance converters have gained importance due to their potential to meet this demand. The most important feature of resonance converter is that they provide switching conditions at zero voltage and zero current in the semiconductors and contribute to the reduction of switching losses. Furthermore, switching at zero voltage and zero current also contributes to the reduction of electromagnetic interference. 
Designing power supply for thin TVs requires the design to be made according to the specified maximum component height criteria. Designing electromagnetic components under height constraint is challenging. However, electromagnetic elements are critical elements that effect the operation and efficiency of the power supply. Especially, designing integrated magnetics to be used in resonance converters need special effort for utilizing parasitic components of magnetics.
Within the scope of this study, an LLC resonance converter's efficiency was investigated according to transformer parameters. An 200W multi-output TV power supply with 12V/4A, 24V/0.7A and 72V/1.8A is analyzed and designed for experimental study. TV power supply design criteria for temperature and height is maximum component height need to be under 13.5mm, semiconductor package temperature and ferrite core temperature need to be below 70°C and transformer winding temperature need to be below 85°C under 25°C ambient temperature condition. These criteria used for design as reference.
In the introduction of this study, a brief comparison was made about pulse-width modulated converters. Hard switching behavior of semiconductor device and limitations of pulse-width modulated converters was discussed. A brief introduction to resonance converter was also presented. And gain curves of most popular resonance converters that are series, parallel and series-parallel resonant converters were given. Role of parasitics of magnetics in soft switching behavior and advantages of soft switching were also discussed comparatively with hard switching behavior.
In the analysis part of study, simplified model of LLC resonance converter is discussed according to first harmonic approximation (FHA). Because of the first harmonic approximation assumes converter is working near to serial resonance frequency and leakage inductance of transformer is only exist in primary side, additional gain terms were added to converter's transfer function for correction of secondary side leakage inductance effect on transfer function. Resulting corrected transfer function was used for preparing a calculation tool combining equations of essential parameters of LLC resonance converter as leakage and magnetizing inductance, magnetizing current, transformer turn ratio, quality factor and inductance ratio of transformer etc. Operation modes of LLC resonance converter was also discussed in analysis part of the study. During the examination of operation modes of LLC resonance converter, zero voltage and zero current switching behavior of semiconductor switches was explained and circuit and component's parasitics effect on soft switching behavior was discussed. Essential physical parameters of LLC resonance converter was examined like magnetizing and resonance inductance and resonance capacitor values an their effect on other virtual circuit parameters like resonance frequencies, gain etc. and converter operation.  
In the design part of study, LLC resonance converter parameters were determined according to first harmonic approximation method and transformer turn ratio was calculated. As a second step expected operating frequency was selected as resonance frequency for determination of resonance inductance and capacitor. Equivalent load to primary side of transformer was calculated from TV power supply specification and maximum quality factor was determined for required gain. Through these parameters resonance inductance and capacitor value were calculated. With the help of calculation tool that was created in analysis part of study, transfer function of converter with calculated values were checked and magnetizing inductance selection was made according to required peak gain criteria. After determination of these parameters, two transformer core material and two type transformer core selected according to power supply's required mechanical dimension, electrical output specification and thermal specification and exact achievable component values were confirmed. As a last part of design progress, semiconductor devices were selected according to zero voltage switching criteria and TV power supply output power specification.
In the simulation part of study, prepared model in analysis phase of study was implemented to SPICE based simulation circuit with secondary leakage effect on gain. Simulation ran with produced transformer data and results in different input voltage and output load were obtained. Obtained data was interpreted with the comparison of calculation tool results. 
In the experimental part of study, eight different experimental setups were prepared. Transformer parameters were changed according to last transformer experimental results with the purpose of improving circuit thermal performance and efficiency. In the first experimental setup, circuit has run with produced transformer that was designed in design phase of study and experimental efficiency and thermal performance result of transformer and semiconductor devices. According to efficiency test results, first prototype of LLC resonance converter reach %94.83 efficiency. However, transformer core temperature reached 96°C. In the second experiment transformer turn ratio reduced slightly and transformer turn numbers increased for decreasing transformer operating flux density. Second transformer was produced and experimental tests were applied. According to test results, even if there was a efficiency improvement via decreasing flux density and core temperature decreased to 80°C increasing winding turn numbers affect copper losses dramatically and winding temperature reached to 91°C. So, TV power supply thermal specification was not fulfilled. In the third step of improving transformer, bigger transformer core was used with similar inductance value of first transformer. According to test results that efficiency has reached to %93 at nominal load and transformer temperature reduced to 70°C. As forth step, transformer primary winding turn number increased slightly for observing transformer turn number effect on efficiency and thermal performance. According to experimental results, %95 efficiency was reached and thermal result slightly increased to 71°C. For decreasing transformer temperature winding thickness was increased for fifth transformer with same inductance values of forth transformer. According to test results, transformer temperature decreased to 61°C and efficiency reach to %96. As sixth transformer design, magnetizing inductance value of transformer increased for observing effect of magnetizing current on efficiency and minimizing secondary leakage inductance effect of converter gain curve. According to test result, increasing magnetizing inductance was effective to both issues. Converter reached to %96.63 efficiency. With the purpose of observing resonance capacitor effect on efficiency and temperature seventh and eighth experiments were made with 24nF to 12nF and 24nF to 36nF capacitor changing. According to test results, original 24nF had better efficiency and thermal performance.
In conclusion, efficiency and thermal improvement was observed via optimizing transformer parameters. In the scope of efficiency, results efficiency for LLC resonance converter increased from %94.83 to %95.55 at nominal output power. Temperature result was also decreased from 96°C to 60°C. As a result, hypothesis of this thesis was fulfilled, and LLC resonance converter efficiency and temperature performance improved via transformer parameters.