Kısmi rezonanslı geri dönüşlü çevirici tasarımı ve uygulaması
Design and application of quasi-resonant flyback converter
Yazar: SEVİM SELİN HAZNEDAROĞLU ÖZEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM AKBOY
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

Özet:
Endüstride, verimliliğinin yüksek olması ve yüksek güç yoğunluğu sebebiyle anahtarlamalı güç kaynakları yaygın olarak kullanılmaktadır. Düşük güçlü uygulamalarda tasarım kolaylığı, kullanılan eleman sayısının az olması ve maliyet avantajı sebebiyle, geri dönüşlü dönüştürücüler en çok tercih edilen anahtarlamalı güç kaynaklarından biridir. Dönüştürücüde kullanılan transformatör sayesinde primer ile kullanıcı arasında izolasyon sağlanırken, sistemi besleyecek birden fazla farklı çıkış gerilimi de elde edilebilmektedir. Endüstride çokça tercih edilen bu dönüştürücünün güç yoğunluğu ve verimini artırmaya yönelik birçok çalışma yapılmıştır. Literatürdeki çalışmalarda anahtarlama elemanında kullanılan yarı iletken teknolojisini değiştirme, kayıplı bir hücre olan pasif bastırma hücresi yerine aktif bastırma hücresi kullanma ve yenilikçi dönüştürücü kontrol yöntemleri değerlendirilmiştir.
Bu tez çalışması kapsamında 90 W çıkış gücünde, verim seviyesi %85'in üstünde olan, iki çıkışlı kısmi rezonanslı geri dönüşlü dönüştürücü tasarımı hedeflenmiştir. Önerilen tasarım, televizyonda bulunan çevre birimleri beslemek için kullanılmıştır. Televizyonun ana kartı 12.5 V çıkış geriliminden beslenmektedir. LED arka ışık sistemi için de geri dönüşlü dönüştürücünün 58 V çıkış gerilimi, yükseltici dönüştürücü tabanlı bir LED sürücü devreye uygulanarak bu devreden 86 V ve 0.55A çıkışı elde edilmiştir.
Geri dönüşlü dönüştürücülerde sabit frekanslı kontrol yerine kısmi rezonanslı kontrol yöntemi kullanılarak verim arttırma hedeflenmiştir. Yeni kontrol yöntemi ile %4.18 seviyesinde verim artışı elde edilmiştir, farklı giriş gerilimleri ve tüm yük koşullarında ortalama verim %86.7 olarak elde edilmiştir. Kontrol yöntemine ek olarak bastırma hücresinin iptal edilmesi ve sekonderde senkron doğrultucu kullanılması yöntemleri de verim arttırıcı yöntemler olarak incelenmiş ve uygulaması yapılmıştır. Bastırma hücresinin iptal edilmesi ile ortalama verim %88.4 ve senkron doğrultucu kullanımıyla %88.9 seviyesine yükseltilmiştir. Ayrıca senkron doğrultucu ile, devrenin en çok ısınan elemanı olan birinci çıkıştaki diyotların ısınma problemini ortadan kaldırmış ve birinci çıkış doğrultucusunda 28.2 °C iyileşme elde edilmiştir. Ek olarak PCB alanında da küçülme sağlanarak güç yoğunluğu artırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Anahtarlamalı güç kaynakları, geri dönüşlü dönüştürücü, kısmi rezonans, senkron doğrultucu, verim.

Abstract:
Switching power supplies have been highly adopted in industry, since they provide high efficiency and high power density. Flyback converter is one of the most preferred topology among switching power supply topologies for low power applications because of its low component count, ease of design and cost advantage. Flyback transformer brings out the superiority of isolation between primary and secondary and enabling of multiple different output for supplying the system. Various research have been carried out in academic and industrial areas to improve power density and efficiency. In literature, changing switching component semiconductor material, using active clamp circuit instead of the lossy passive clamping circuit and novel control methods are evaluated.
In the scope of this study, a 90 W quasi-resonant (QR) flyback converter with efficiency above 85% design is targeted. Proposed design is used to supply peripherals of the television system. Television motherboard is supplied from 12.5 V output. 58 V output is supplied to a boost converter-based LED driver circuit to obtain 86 V and 0.55 A output for the LED backlight system.
Quasi-resonant control is adopted instead of fixed frequency control in flyback converter with the aim of improving efficiency. Owing to the quasi-resonant control method, 4.18% efficiency improvement has been achieved. Average efficiency of the quasi-resonant flyback converter is 86.7% for different input voltages and different loading conditions. In addition to this method, eliminating the clamp circuit and adopting synchronous rectification on the secondary side is evaluated and applied. Eliminating the clamp circuit increases the average efficiency up to 88.4% and adopting synchronous rectification raised the average efficiency up to %88.9. Moreover, synchronous rectifier eliminates the thermal problem of the first output rectifier diodes, which are the most heated component of the board and thermal performance of the first output is improved by 28.2 °C. This application also provides higher power density by usage of smaller PCB area.
Keywords: Efficiency, flyback converter, quasi-resonant, switching power supplies, synchronous rectifier.