SMPS Devresi Tasarlama |
3. Bölüm

SMPS devresi tasarlama serimizin yeni bölümüyle karşınızdayız. Bu bölümümüzde snubber devresi ve TinySwitch'e değinerek SMPS devremizin tasarımına devam edeceğiz.

A- A+

13.03.2022 tarihli yazı 8415 kez okunmuştur.

Yazı serimizin 1. Bölümünde SMPS devrelerine giriş yapıp topoloji kavramından bahsetmiştik. İkinci bölümümüzde ise koruma ve doğrultucu kullanımından, devremiz için önemli bir adım olan PI Filtre kullanımına kadar değinmiştik. Bu yazımızda ise SMPS devremizin tasarımına devam ediyor olacağız.

Şekil 1: Devrenin Son Hali

►İlginizi Çekebilir: SMPS Devresi Tasarlama | 1.Bölüm

Adım 3: Kontrol

PI Filtresinden çıkan gerilim hatırlanacağı üzere biraz daha doğrultulmuş DC’ye yakın bir gerilim grafiğine sahipti. Bu doğrultulmuş gerilimin durumunu kontrol etmek isteyebiliriz. Devrenin kontrolü yani anahtarlamalı güç kaynağımızın anahtarlama olayını bir anahtarlama elemanı tarafından gerçekleşeceğini söylemiştik. Bu anahtar TNY288PG adlı bir anahtardır. İçinde MOSFET devresi bulunmaktadır.

Şekil 2: TNY288PG

►İlginizi Çekebilir: SMPS Devresi Tasarlama | 2.Bölüm

1. Pin (EN / UV) : Enable ve Undervoltage (alçak voltaj) pinidir. Bu pin anahtar için giriş voltajını etkinleştirir ve alçak voltaj algılayıcısını aktif eder.

2. Pin (BP / M) : Bu pin bir harici bypass kapasitörünün bağlantı noktasıdır. Bypass voltajını kontrol eder.

4. Pin (Drain) : Bu pin hem başlatma hem de kararlı durum çalışması için dahili çalışma akımı sağlar.

Diğer Pinler (Source) : Bu pin, yüksek voltajlı güç dönüşü ve ortak kontrol devresi için dahili olarak MOSFET kaynağına bağlanır.

Bu adım için kontrolden kasıt doğrultulmuş voltajda, alçak bir gerilim söz konusu olup olmadığıdır. Bunu sağlayabilmek ve kontrol edebilmek için TNY288PG ve kontrol dirençleri kullanılır. R11, R12 ve R13 dirençleri U1’in EN/UV(Enable / UnderVoltage) pinine bağlıdır. Bu dirençler aracılığıyla doğrutulmuş DC voltaj, EN/UV pini tarafından algılanarak Undervoltage durumu olup olmadığı kontrol edilir. Dirençler eklendikten sonraki durum:

Şekil 3: Düşük Voltaj Koruma Dirençleri

►İlginizi Çekebilir: SMPS (Anahtarmalı Güç Kaynağı) Nedir? | ElektrikPort Akademi

Adım 4: Snubber (Sönümleme) Devresi

Devrelerde kullanılan anahtarlama elemanlarının iki duruma sahip olduğunu biliyoruz. Kesime girme ve iletime girme durumu. Bu durum değişimlerinde anahtarlama elemanlarında anlık akım ve gerilim değişimleri görülebilir. Kesime girme esnasında anahtar uçlarında hızlı bir gerilim yükselmesine ve iletime girme esnasında ise hızlı bir akım yükselmesine maruz kalırlar. Anahtarlama elemanları bu değişimleri bazen tolere edebilir. Her bir anahtarın müsaade ettiği yükselme hızları sınırları vardır. Ama bu değişimler anahtarlama elemanlarının müsaade ettiği yükselme hızlarını geçerse bu devre için büyük bir sorun doğurur. Bundan dolayı bu durumu önlemek için bu yükselmeleri sınırlandırma yeteneğine sahip “Snubber Devreleri (Sönümlendirme)” kullanılır. Snubber devreleri ani akım ve gerilim yükselmelerini önlemek için kullanılırlar. Bu devreler göründüğü üzere koruma amaçlı olarak da kullanılsa da akım ve gerilim dalga şekillerini biçimlendirme ve aşırı akımdan, gerilimden kaynaklanacak anahtarlama kayıplarının azaltılması amacıyla da kullanılırlar.

Şekil 4: Snubber Çıkış

Yukarıda göründüğü üzere snubber devrelerinin varlığı ani akım yükselme sorunlarını ortadan kaldırıyor. Devreye uygun Snubber seçmek çok önemlidir. İki temel sönümleme devresi bulunmaktadır:

► Turn-off Snubber Devresi

► Turn-on Snubber Devresi

Turn-off Snubber:

Bu snubber devresi anahtarın kesim durumundaki ortaya çıkan sorunları kaldırmak için kullanılır. Devrenin çalışma prensibi anahtarın akımının sıfıra ulaşıncaya kadar anahtar uçlarına küçük bir gerilim sağlamasına dayanmaktadır. Böylece anahtar uçlarında ani bir yükselme görülmemesi beklenir. Turn-off devrelerde anahtar uçlarına bir direnç (R), bir kapasitör (C) ve bir diyot (D) bağlanır.

Şekil 5: RCD Snubber (Turn-Off)

Turn-on Snubber:

Bu snubber devresi anahtarın iletim durumundaki aşırı akımları azaltmak için kullanılır. Devrenin çalışma prensibi, transistöre bağlanan seri bağlı bir indüktans ile sağlanmaktadır. İndüktans, anahtar kesime girdiğinde üzerinde biriken enerjiyi bir diyot ve direnç üzerinde harcayarak aşırı akımı düşürmeye çalışır.

Şekil 6: Turn-On Snubber

Snubber Seçimi

En basit bir Sönümlendirme devresi tek bir kondansatörden oluşabilir.

Şekil 7: Basit Snubber Devresi

Devrede görülen 2 adet IGBT anahtarlama elemanlarının ani akım ve gerilim yükselme hızlarının önüne geçilebilmesi için basit bir kondansatör bağlanmıştır. Bu kondansatör sönümleme görevini görerek sorunu ortadan kaldırabilir. Peki SMPS devremizi tasarlarken snubber devresi için tek bir kondansatör yeterli midir?

Devrede kullandığımız anahtarlama elemanı “TNY288PG” MOSFET anahtarıdır. Şekil 2 devresinde örnek verilen IGBT anahtarlarının tepe (peak) akımlarına dayanma kapasiteleri MOSFET ’lerden daha büyüktür. Böylece IGBT anahtarı kullanılan devrelerde snubber kullanımı daha az gereklidir. Bunun sebebi, IGBT’lerin gate (kapı) akımını iletim ve kesim zamanlarını kontrol etme kabiliyetine sahip olmasıdır. Tek bir kapasitör iş görebilir. MOSFET ‘lerde ise RCD Clamp (Turn-off) snubber devresi kullanılabilir. Çünkü MOSFET yüksek anahtarlama hızlarına sahiptir. Bu snubber devresi MOSFET uçlarındaki gerilim dalgalanmalarını ve sıçramalarını önleyebilir.

Şekil 8: Snubber Devresi ve TinySwitch Eklenince

Devremizde gerilim dalgalanmalarını ve sıçramalarını önleyen snubber devremiz D1,C3,R2 ve R1 elemanlarından oluşur. Daha sonra göreceğimiz devrede kullandığımız transformatörün bir bacağı TinySwitch’in “Drain” ucuna bağlanacak. Şimdilik orada bir transformatör bağlantısını düşünelim. Devre enerjilendiğinde MOSFET’e gelen akım threshold limitine ulaştığında MOSFET kesime girer. MOSFET kesimde iken transformatörde gerilimden dolayı oluşacak kaçak indüktansın TinySwitch’in “Drain” pinine bir voltaj artışı indükleyecektir. Bu voltaj artışının genliğini D1,C3,R2 ve R1 ‘den oluşan RCD Clamp Snubber devresi tarafından sınırlandırılır. Sadece voltaj artışını sınırlamakla kalmaz MOSFET iletime geçtiğinde D1’den gelen ani ters akımı da sınırlandırır. Böylece sönümleme olayı gerçekleşmiş olur. Bu durumda verimlilik arttırılmış olur. Snubber kapasitörünün büyüklüğü, oluşan kaçak voltajı emerken sabit bir voltajı tutacak kadar büyük olması gerekir. Bunun dışında değeri kritik değildir. Snubber düzgün çalıştığında tepe voltajını etkilemeyecektir. Direnç ise tepe geriliminin (V_x) belirlenmesinde önemli bir unsurdur. Şu şekilde seçilmelidir:

Direncin yüksek seçilmesi kapasitörün boşalmasını yavaşlatacak ve voltajın daha yüksek bir değer yükselmesine izin verecektir. Düşük değerli bir direnç ise voltajı düşürecektir. Ancak çok küçük seçilmesi durumunda kayıp artacaktır.

Kaynak:

► ridleyengineering.com
► digikey.com
► researchgate.net
► circuitdigest.com
► power.com/ - Power Integrations
► Trilogy of Magnetics Design Guide for EMI FILTER Design, SMPS & RF Circuits (2018)