Düzlemsel transformatör kullanarak ileri yönlü dönüştürücü tasarımı
Designing a forward converter using planar transformer
Yazar: HARUN KURAL
Danışman: DOÇ. DR. METİN YAZGI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Teknolojik ilerlemeler, elektronik cihazların günlük yaşamda kullanımını önemli derecede artırmıştır. Günümüzde gözümüzü nereye çevirirsek orada bir elektronik cihaz görmek mümkündür. Elektronik cihazların bu kadar yaygınlaşmasında boyut olarak küçülmesinin de önemli bir etkisi bulunmaktadır. Ürünlerin boyutlarının küçülmesiyle ihtiyaç duydukları enerji miktarı da azalmıştır. Bu sebepten dolayı enerji dönüşümlerini yapabilmek için dönüştürücüler kullanılmıştır.
Dönüştürücülerin temel fonksiyonu gerilim seviyesini ayarlamak ve alternatif akım ve doğru akım arasındaki dönüşümleri sağlamaktır. En temel dönüştürücü türleri düşürücü, yükseltici ve hem düşürücü hem yükseltici olanlardır. Bu tür dönüştürücülerde giriş ve çıkış arasında bir izolasyon olmadığından dolayı çıkış tarafındanki bir değişim girişi de etkilemektedir. Ayrıca yüksek güç ihtiyacının olması durumunda bu dönüştürücülerin kullanılması durumunda devredeki komponentler çok fazla ısınacaktır veya çok yüksek akım ya da gerilime maruz kalacaktır. Bu sebepten dolayı farklı dönüştürücü topolojilerine ihtiyaç duyulmuştur.
Topoloji bakımdan dönüştürcüler izoleli ve izolesiz olarak iki gruba ayrılırlar. İzolesiz dönüştürücüler genelde düşük güçlerin gerektirdiği yapılarda kullanılırlar. İzoleli dönüştürücülerde giriş ve çıkış tarafı fiziksel olarak birbirinden ayrı olduğundan çıkış tarafındaki bir değişim girişi etkilemez. İzoleli dönüştürücülerde izolasyonu sağlamak için transformatörler kullanılmaktadır. Transformatörün yapısında temelde iki sargı ve bir nüve bulunmaktadır. Herhangi bir sargı üzerinden akımın akmasıyla nüve üzerinde bir manyetik akı oluşturur. Nüve üzerinde oluşan manyetik akı diğer sargı üzerinde bir gerilim indükler ve böylece izolasyon sağlanmış olur. Sarımlar arasında enerji transferi yapılırken hem nüveden kaynaklı kayıplar hem de sarımların iç dirençlerinden dolayı kayıplar meydana gelmektedir. Kayıpların azaltılması için anahtarlama frekansının azaltılması veya normal tel yerine litz tellerinin kullanılması gibi işlemler uygulanmıştır. Fakat bu yöntemlerden dolayı transformatör boyutunun büyümesi gibi bazı istenmeyen durumlar ortaya çıkmıştır. 
Dönüştürücü tasarımlarında hacimce en büyük yeri transformatörler kaplarlar. Transformatörün boyutunun küçültülmesi, transformatör kayıplarının azaltılması, üretilebilirlik ve sarımların tekrarlanabilirliğini kolaylaştırmak için düzlemsel transformatör kullanılmaya başlanmıştır. Düzlemsel transformatörler çalışma bakımından geleneksel transformatörlerle aynı prensipte çalışırlar fakat yapı olarak ferit bir nüve ve baskı devre kartlarındaki (PCB) bakır yolların sarım olarak kullanılmasıyla oluşur. 
Ferit malzemesinin geçirgenliğinin yüksek olması, yüksek frekanslarda çalışabilmesi ve boyut olarak küçük olması düzlemsel transformatörlerde ferit nüvenin kullanılmasındaki temel sebeplerdendir. Düzlemsel transformatörlerde sarım olarak baskı devre kartlarındaki bakır yolların kullanılması üretim açısından ve sarımların tekrarlanabilirliği açısından büyük bir kolaylık sağlamaktadır. PCB üzerindeki yolların kalınlıkları transformatörün deri etkisi kaybını etkilemektedir. Deri etkisi kaybı ise frekansa bağlıdır bu sebeple anahtarlama frekansına göre izin verilen yol kalınlığı değişmektedir. PCB üzerindeki bakır yollar sarım olarak kullanıldığından PCB'nin katmanlı yapısı sayesinde sarımların paralel olarak bağlanabilmesi düzlemsel transformatörün avantajlarından biridir. Elektromanyetik temel kurallarından biri olan üzerinden akım akan tellerin birbirleri üzerinde manyetik kuvvet oluşturmasıdır. Bu prensip düzlemsel transformatörde PCB yollarının birbirlerine olan yakınlıkları nedeniyle transformatörün yakınlık etkisi kaybını etkilemektedir.
Üzerinden akım akan paralel iki yol, birbiri üzerinde değişken manyetik alanlar oluşturur ve bu değişken manyetik alanlardan dolayı elektronlar PCB yollarının yüzeyinde homojen dağılamazlar. Düzlemsel transformatör kullanımı sırasında deri etkisi ve yakınlık etkisinden dolayı ortaya çıkan kayıpları en aza indirebilmek için çeşitli sarım yöntemleri bulunmaktadır. PCB üzerindeki sarımlar farklı katmanlara yayılarak bu sarım yöntemleri gerçekleştirilebilir. PCB katmanlarının ilk yarısına birincil taraf sargıları diğer yarısında ikincil taraf sargılarının yerleştirilmesi yöntemi ile birincil ve ikincil sargıların sarımlarının katmanlar arasında serpiştirilerek sarılması yöntemleri kıyaslandığında serpiştirilen yöntemde deri etkisi ve yakınlık etkisinden kaynaklanan kayıpların azaldığı ve transformatörün histerisisinin daha verimli kullanıldığı görülmüştür. Ayrıca PCB üzerindeki yollar akım taşımak için kullanıldığından PCB katmanlarını kullanarak sarımların paralel olarak bağlanması kolaylaşmaktadır ve böylece bakır kayıpları da önemli ölçüde azalmaktadır. Düzlemsel transformatörlerde nüve yapısının geniş bir alanının olması ve düşük bir yüksekliğinin olması kayıplardan dolayı oluşan ısının atımını kolaylaştırmaktadır. 
Düzlemsel transformatörlerin tüm bu avantajlarının yanında önümüze getirdiği bazı zorluklar da mevcuttur. En temel zorluklardan birisi sarımlar ve katmanlar arasında oluşan parazitik kapasitanslar beklenmedik problemlere sebep olabilmektedir. Diğer bir dezavantajı ise nüve boyutunun küçük olmasından dolayı sarımlar için sağlanan pencere genişliğinin az bir kısmını sarımlar için kullanılabilmesidir. Bir diğer zorluk ise düzlemsel transformatörün tasarım ve hesaplamaları yapılırkenki işlemlerin karmaşık olmasıdır. Ayrıca tasarım sırasında transformatör üzerinde herhangi bir iyileştirme yapmak çok zordur. Bu işlem karmaşası ve tasarım maliyetlerini azaltmak ve tasarlanacak olan dönüştürücü üretilmeden önce bezetim yapılması faydalı olacaktır.
Düzlemsel transformatör için benzetim yöntemleri geliştirilmiştir. Bunlardan bazıları sonlu elemanlar analizi (FEA), modüler katmanlar yöntemi (MLM) ve Jiles-Atherton histerisis modelidir. Bu çalışmada modüler katmanlar yöntemi (MLM) kullanılmıştır. Modüler katmanlar yöntemi genel olarak PCB'nin her katmanını ayrık olarak değerlendirerek her katmana özgü bir eşdeğer elektrik modeli oluşturmaktadır. Eşdeğer modelde yer aln parazitik indüktans,direnç ve kapasitans değerlerinin hesaplanması karmaşık olduğundan M2Spice aracı yardımıyla düzlemsel transformatör için bir model elde edilmiştir. Elde edilen model LTspice aracı içerisine gömülerek düzlemsel transformatörün benzetimi ayrık olarak gerçekleştirilmiştir.
Bu çalışmada aktif kırpmalı ileri yönlü dönüştürücü tasarlanması hedeflendiğinden ileri yönlü dönüştürücü için ayrık bir devre kurulup LTspice aracı yardımıyla elektriksel olarak benzetimi yapılmıştır. İleri yönlü dönüştürücüler hem yükseltme hem de düşürme amacıyla kullanılabilmektedir fakat bu çalışmada sadece düşürücü olarak kullanılmıştır. M2Spice aracının oluşturduğu düzlemsel transformatör model çıktısını tüm devreye entegre edildiğinde simülasyon süresi saatler mertebesinde uzun sürdüğü gözlemlenmiştir. Bu sebeple M2Spice aracı sayesinde elde edilen modelin parametre değerleri kullanılarak MLM yöntemine uygun şekilde ayrık devre elemanları ile temel bir eşdeğer model oluşturulmuştur ve böylece simülasyon süresi saniyeler mertebesine inecek kadar hızlandırılmıştır. 
Bu çalışmada düzlemsel transformatör tasarımı yapılırken iki farklı metot ile hesaplamalar yapılmıştır. İlk olarak nüve geometrisi parametresini kullanarak bir hesaplama yapılmıştır. Nüve geometrisi parametresi henüz yeni bir yöntem olduğundan bu parametre üreticiler tarafından paylaşılmamaktadır. Diğer yöntem ise nüve üzerindeki taşınacak güç miktarı hesaplanarak nüvenin uygunluğu kontrol edilmektedir ve ardından diğer parametre hesapları yapılmaktadır. Hesaplama ve tasarımı yapılan düzlemsel transformatör üretilerek ileri yönlü dönüştürücü devresine entegre edilip test edilmiştir. Tasarlanan transformatörlere ait histerisis eğrisi ve tasarımı yapılan devreye ait anahtarlama sinyalleri, mıknatıslanma akım dalgasının osiloskop görüntüleri paylaşılmıştır.
Sonuç olarak nüve geometrisi parametresi ile tasarlanan düzlemsel transformatör ile nüve üzerindeki güç miktarını kontrol ederek tasarlanan düzlemsel transformatörler manyetik alan, kaçak endüktans, verim, sıcaklık ve hesaplama  ile uyumluluk açısından karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Technological advances have significantly increased the use of electronic devices in daily life. Nowadays, wherever we look, it's possible to see electronic devices. The fact that electronic devices have become so widespread is also due to their smaller size. As the size of the products decreased, the amount of energy they required also decreased. Therefore, converters have been utilized to perform energy transformations.
The primary function of converters is to adjust voltage levels and convert between alternating current (AC) and direct current (DC). The most fundamental types of converters include step-down, step-up, and buck-boost converters. Since these converters have no isolation between the input and output, any changes on the output side can affect the input. Moreover, if these converters are used in case of high power demand, the components in the circuit will heat up too much or be exposed to very high current or voltage. For this reason, different converter topologies were needed.
From a topological perspective, converters are divided into isolated and non-isolated groups. Non-isolated converters are generally used in structures requiring low power. In isolated converters, the input and output sides are physically separated, preventing changes on the output side from affecting the input. To ensure isolation in isolated converters, transformers are used. The structure of a transformer consists of two windings and a core. When current flows through any winding, it creates a magnetic flux on the core. This magnetic flux induces a voltage on the other winding, thus providing isolation. While energy is transferred between the windings, losses occur due to both the core and the internal resistance of the windings. To reduce losses, processes such as reducing the switching frequency or using litz wires instead of normal wires have been implemented. However, due to these methods, some undesirable situations such as increasing the transformer size have arisen.
Transformers have the largest volume in converter designs. To reduce the size of transformers, minimize transformer losses, and facilitate manufacturability and winding repeatability, planar transformers have been introduced. Planar transformers operate on the same principle as conventional transformers, but their structure consists of a ferrite core and traces on printed circuit boards (PCBs) as windings.

The high permeability, suitability for high-frequency operation, and compact size of ferrite material are the primary reasons for using ferrite cores in flat transformers. Utilizing PCB traces as windings provides significant convenience in terms of production and winding repeatability. The thickness of PCB traces affects the skin effect loss of the transformer, which varies depending on the switching frequency. Therefore the allowed path thickness varies according to the switching frequency. Since PCB traces are used as windings, parallel connection of windings is facilitated by the layered structure of the PCB, reducing copper losses significantly. One of the basic rules of electromagnetics is that wires with current flowing through them create a magnetic force on each other. This principle affects the proximity effect loss of the transformer due to the closeness of the PCB paths to each other in the planar transformer. 

Two parallel paths with current flowing through them create variable magnetic fields on each other, and due to these variable magnetic fields, electrons cannot be distributed homogeneously on the surface of the PCB paths. There are various winding methods to minimize losses due to skin effect and proximity effect when using planar transformers. These winding methods can be realized by spreading the windings on the PCB into different layers. When the method of placing the primary side windings on the first half of the PCB layers and the secondary side windings on the other half is compared with the method of interleaving the windings of the primary and secondary windings between the layers, it has been observed that the losses due to the skin effect and proximity effect are reduced in the interleaved method and the hysteresis of the transformer is used more efficiently. The wide area and low height of the core structure in flat transformers facilitate the dissipation of heat generated by losses.
Despite their advantages, planar transformers have some difficulties. One of the most fundamental difficulties is that parasitic capacitances formed between windings and layers can cause unexpected problems. Another disadvantage is that, due to the small core size, a small window area provided for the windings can be used. Another difficulty is that the processes involved in the design and calculations of the planar transformer are complex. Additionally, it is very difficult to make any improvements to the transformer once design. It would be beneficial to reduce this process complexity and design costs and to make a simulation before the converter design process.
Simulation methods have been developed for planar transformers. Some of these are finite element analysis (FEA), modular layers method (MLM) and Jiles-Atherton hysteresis model. In this study, the modular layers method (MLM) was used. The modular layers method generally evaluates each layer of the PCB separately and creates an equivalent electrical model specific to each layer. Since the calculation of parasitic inductance, resistance and capacitance values in the equivalent model is complicated, a model for the planar transformer was obtained with the help of the M2Spice tool. The resulting model was implemented in the LTspice tool and the simulation of the planar transformer was carried out discretely.
Since this study aims to design an active clamp forward converter, a discrete circuit for the forward converter was established and electrically simulated with the help of the LTspice tool. It was observed that when the planar transformer model output created by the M2Spice tool was integrated into the entire circuit, the simulation time took more than 5 hours. For this reason, a basic equivalent model was created with discrete circuit elements in accordance with the MLM method, using the parameter values of the model obtained thanks to the M2Spice tool, thus accelerating the simulation time.
In this study, calculations were made with two different methods while designing a planar transformer. First, a calculation was made using the core geometry parameter. Since the core geometry parameter is a newly method, this parameter is not shared by manufacturers. The other method is to check the suitability of the core by calculating the amount of power to be carried on the core, and then other parameter calculations are made. The planar transformer, calculated and designed, was produced, integrated into the forward converter circuit and tested. Switching signals of the designed circuit and oscilloscope images of the magnetization current wave and hysterisis of transformers were shared.
As a result, the planar transformer designed with the core geometry parameter and the planar transformers designed by calculating the power carried on the core were compared in terms of magnetic field intensity, leakage inductance, efficiency, temperature and compatibility with the calculation.