Switched Mode Güç Kaynakları Topolojileri (FORWARD)

FORWARD TOPOLOJİSİ

Tek anahtarlama elemanlı (Çoğunlukla MOSFET) topolojilerden birisi olan Forward Topolojisi 150 ve 300 Watt arası güçlerde tasarlanabilen ve buck converter temelli bir SMPS Topolojisidir. Tek anahtarlı yapısı sebebiyle sık sık Flyback Topolojisi ile karşılaştırılmaktadır ve 300 Watta kadar trafo sarımına bağlı çoklu çıkış verebilmesi sebebiyle Flyback devrelerinden sonra sıklıkla tercih edilen bir topoloji modelidir.

Forward Converter Temel Topolojisi 

Forward devreleri trafonun primer sargısına seri bağlı bir MOSFET' ten, PWM Controller entegresinden, clamp devresinden, trafonun sekonder sargısında çıkış diyot grubunda, çıkış LC filtresinden oluşan ve maksimum %50 duty cycle kullanabilen tasarımlardır. Trafo diğer SMPS topolojilerinde de olduğu gibi giriş gerilimini düşürmek ve giriş ile çıkış arasındaki izolasyonu sağlamak için kullanılır.  Trafoları Flyback trafolarına göre daha yüksek mıknatıslama endüktansına sahiptir ve hava aralığının (air gap) bulunmaması tasarımlarını kolaylaştırmakla beraber kaçak endüktans değerleri de daha düşük seviyelerdedir. Trafo sarım yönleri primer ve sekonder için aynı yönlü olmakla birlikte Flyback Topolojisinin aksine Forward Topolojisinde enerji MOSFET' in ON durumunda trafonun primerinden sekonderine direkt aktarılır. OFF durumda ise trafonun negatif potansiyelinden dolayı D1 diyotu kesime girer ve çıkışa enerji aktarımı durdurulur.

 MOSFET ON durumdan OFF duruma geçtiğinde trafonun üzerinde kaçak endüktansa bağlı oluşan kaçak enerji trafonun primer bölümünde yüksek bir gerilim oluşturur. Oluşan bu enerjiye karşı önlem alınmaması durumunda Flyback devrelerinde de bahsettiğimiz gibi anahtarlama elemanları zarar görebilir. Bunun yanı sıra kaçak endüktansın değeri EMC için de kritik bir parametredir. Kaçak endüktansa bağlı oluşan bu enerjiyi kontrol etmek için Flyback devrelerinde olduğu gibi Forward devrelerinde de Snubber veya Clamp tasarımları yapılabilmektedir. Ancak Snubber devreleri oluşan kaçak enerjiyi ısıya dönüştürürek minimize ettikleri için güç kaynağının verimini olumsuz etkileyen modellerdir. Bu nedenle Forward devrelerinde bu enerjinin geri kazanımını sağlayan ve daha çok tercih edilen başka bir yöntemle sıklıkla karşılaşırız.

Forward Clamp Devresi

Bu yöntem ekstra olarak sarılan üçüncü bir sargıya seri bağlı bir diyottan oluşmaktadır. MOSFET OFF konuma geldiği anda trafonun primer sargısında bulunan enerji bu üçüncü sargı ve diyot üzerinden bir akım akışına neden olur. Burada dikkat edilmesi gereken şey bu üçüncü sargının sarım yönüdür. Üçüncül sargının sarım yönünün ters olması, MOSFET' in OFF duruma geçtiği andan itibaren akımın sadece üçüncü sargı üzerinden akabileceği anlamına gelmektedir. Bu da yükselen negatif potansiyele bağlı oluşan akımın bu sargı ve ona seri bağlı diyot üzerinden kontrol edileceği anlamına gelmektedir. Trafo üzerinde kalan bu enerji giderildiğinde bu sargıya seri bağlı diyot iletimden çıkar ve trafonun primer/sekonder sargılarındaki gerilim sıfıra düşer. Trafo kaçak enerji giderildikten sonra OFF süresi boyunca manyetik olarak etkilenmez. Buradan, MOSFET' in OFF duruma geçtiği an ile Clamp diyotunun iletime geçtiği anın aynı olması gerektiği gibi trafonun primer sargısındaki mıknatıslama akımının düşüşü ile üçüncü sargıdaki mıknatıslama akımının yükselmesi gerektiği anlamını çıkarabiliriz. Bu yöntem uygulanırken, primer sargısındaki manyetik akının tamamen üçüncü sargıya aktarılması için bu sargıların arasındaki manyetik bağlantıların çok iyi olmasına dikkat edilmelidir.. Trafonun sargılarının sıralı ve aralarında boşluk kalmayacak şekilde bifilar şeklinde sarılması oldukça önemlidir. Aşağıdaki görselde birincil ve üçüncül sargıların sarım sayısını belirten formül paylaşılmıştır. Primer sargısı N1 ve üçüncül sargı N3 arasındaki sarım oranı, gerekli çıkış voltajının maksimum duty cycle ve minimum giriş voltajında elde edilebilmesini sağlayacak kadar küçük ancak tüm duty aralığını kullanacak kadar büyük olmalıdır. Bu ifadede belirtilen "D" değeri PWM Controller entegresinin çıkışındaki duty cycle' ı ifade etmektedir.

Üçüncü Sargı Sarım Sayısı Formülü

Forward Topolojisinin Flyback topolojisine göre farklarından biri de çıkışında bir filtre indüktörü kullanılmasıdır. Çıkış kondansatörünün kullanımı ve görevi bütün SMPS topolojilerinde kullanımıyla aynıdır. Bu bobin ve kondansatörün kullanılmasının nedeni devrenin çıkışında elde edilmek istenen gerilim değerinin ve dalga formunun düzenlenmesidir. 

Çıkış indüktör akımının ortalama değeri yük akımına eşittir ve bu akım MOSFET' in ON durumunda doğrusal olarak artarken, MOSFET' in OFF durumunda doğrusal olarak azalmaktadır. Bu doğrusal hareket çıkış gerilimi ve duty oranı ile ilişkilidir. Bu ilişkiyi incelemeden önce giriş ve çıkış gerilimlerinin ilişkisini bilmemiz gerekmektedir. Aşağıdaki görselde bu ilişki belirtilmiştir.

Forward Topolojisi Giriş Çıkış Gerilim İlişkisi

Yukardaki görselde gösterilen denklemin indüktörün üzerinden geçen akımın sürekli olması halinde geçerli olduğu bilinmelidir. İndüktörün tasarımı yapılırken %10' luk yük altında sürekli çalışma sağlayacak kadar bir indüktans değerine sahip olmalıdır. Yanlış tasarlanmış bir çıkış indüktörünğn akımı küçük bir yük altında, OFF durumda sıfıra düşerek süreksiz hale gelebilir. Bu durumda D2 diyotu artık iletmez ve indüktör akımı için gerekli dalga formu sağlanamaz. İndüktör akımının çıkış gerilimiyle olan ilişkisi filtreleme işlemiyle ilişkilidir. İndüktör çıkış geriliminin üzerine binen rippleları filtrelemektedir ve bu filtreleme işleminin yapılmaması ya da yanlış yapılması durumunda çıkıştan istenilen gerilim değeri ve dalga formu sağlanamaz.Süreksiz indüktör akımı altında, çıkış gerilimi ve MOSFET duty oranı arasındaki ilişki doğrusallığını kaybederek yüke bağlı hale gelir. Minimum çıkış yükü belirtilmeyen tasarımlar için ek olarak indüktörlerin çıkışlarına bağlı minimum yük devreleri kullanılmaktadır. Bu devreler indüktörlerin üzerinden devamlı akım çekerek devrenin çıkışını düzenlemektedir. Çıkış gerilimini daha iyi kontrol edebilmek için süreksiz akım modundan kaçınılmalıdır. İndüktör akımı (IL) aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. 

  

Forward Topolojisi Dalga Formları

Forward devrelerinde değinmediğimiz son kısım olarak feedbacklerinden bahsedebiliriz ancak Forward devrelerinin feedbackleri de Flyback devrelerinin feedbackleri ile aynı yöntemle tasarlanmaktadır. Bu nedenle Flyback kısmında anlattığımız bilgilerden yararlanabilirsiniz.

Forward devrelerinin genel kullanımları bu şekildedir. Ancak Flyback devrelerinde olduğu gibi Forward devrelerinde de birden farklı devre tasarımı mevcuttur. Bu tasarımlar, Aktif Clamp ve 2 Switch Forward Dönüştürücülerdir.

Topolojilerle ilgili ilk yazımızın sonuna geldik. Bu yazının ikinci partında yüksek güç yoğunluklu uygulamalarda sıklıkla kullanılan Half Bridge ve Full Bridge Topolojilerinden bahsedeceğim.

Keyifli Okumalar.

• Tweet
• Share
• Share
• Share
• Share

Sign up here with your email