Elektroporasyon 0-1200 V Ayarlı Flyback SMPS Devresi

0-1200 V ayarlı flyback SMPS devresi, şebekeden izole yüksek gerilim elde etmek için tasarlanmış 120 W sınıfı bir güç kaynağıdır. Çıkışı PWM sinyaliyle kontrol edilebilir, kapasitif yükleri şarj edebilir ve yüksek gerilim deneyleriyle uğraşan deneyimli elektronikçiler için incelenmeye değer bir tasarım örneğidir.

Devrenin Temel Amacı

Bu tasarımın amacı, 230 V AC şebekeden beslenen, çıkışı yaklaşık 0-1200 V aralığında ayarlanabilen ve 120 W seviyesinde güç verebilen izole bir yüksek gerilim güç kaynağı oluşturmaktır.

Devre, irreversibl elektroporasyon cihazının ara devre kondansatörlerini beslemek için geliştirilmiş bir yüksek gerilim kaynağı olarak geçiyor.

Yüksek gerilim kaynaklarında yalnızca gerilimi yükseltmek yeterli değildir.

Çıkışın galvanik olarak şebekeden ayrılması, kısa devre veya boş kondansatör şarjı sırasında akımın sınırlanması, anahtarlama elemanının gerilim darbelerine karşı korunması ve geri besleme kararlılığının sağlanması gerekir.

Bu nedenle devre basit bir yükseltici dönüştürücüden çok daha dikkatli ele alınmalıdır.

Neden Flyback Topolojisi Seçilmiş?

Tasarımda bloklayıcı dönüştürücü, yani flyback topolojisi kullanılmıştır. Bu tercih özellikle yüksek gerilim ve nispeten düşük çıkış akımı gereken uygulamalarda mantıklıdır.

Flyback yapıda enerji, anahtar iletimdeyken trafonun manyetik alanında depolanır; anahtar kesime geçtiğinde bu enerji sekonder taraftaki diyotlar üzerinden çıkış kondansatörlerine aktarılır.

Flyback yapının bu proje için avantajları şunlardır:

• Tek anahtarlama elemanı ile çalışabilir.
• Şebeke ile çıkış arasında izolasyon sağlar.
• Yüksek çıkış gerilimi üretmek için sekonder sarım oranı kolayca ayarlanabilir.
• Çıkışta ayrı bir filtre bobini gerektirmez.
• Kapasitif yük şarjı gibi darbeli enerji aktarımı gereken uygulamalara uygundur.

Dezavantaj tarafında ise kaçak endüktans, primer anahtar üzerinde yüksek gerilim darbeleri oluşturabilir. Bu yüzden baskı devre yerleşimi, snubber yapısı, IGBT seçimi ve trafo sarım düzeni doğrudan güvenilirliği etkiler.

Flyback ve SMPS yapıları hakkında temel bilgi için anahtarlamalı güç kaynakları konusu ayrıca incelenebilir.

Teknik Özellik Özeti

Giriş Katı ve Şebeke Doğrultması

Devrenin girişinde 230 V AC şebeke gerilimi doğrultularak yüksek gerilimli DC ara hat elde edilir.

Bu bölümde köprü doğrultucu, filtre kondansatörleri, giriş koruma elemanları ve EMI açısından önemli bağlantılar bulunur.

Şebeke doğrultulduğunda kondansatörler üzerinde tehlikeli seviyede DC gerilim oluşur; bu nedenle ölçüm sırasında yalnızca uygun prob, izolasyon trafosu ve güvenli deşarj yöntemi kullanılmalıdır.

Giriş filtresindeki X2 ve Y2 sınıfı kondansatörler rastgele seçilmemelidir.

Şebekeye doğrudan bağlı kondansatörlerde uygun güvenlik sınıfı kullanılmazsa arıza anında kaçak, ısınma veya patlama riski doğabilir.

NTC veya seri direnç benzeri sınırlama elemanları da ilk enerji verme anındaki ani kondansatör şarj akımını azaltmak için kullanılır.

Primer Anahtarlama Katı

Primer tarafta ana anahtarlama elemanı olarak 1200 V sınıfı SGP07N120 IGBT kullanılmıştır. MOSFET seçeneği yüksek frekanslı SMPS devrelerinde yaygın olsa da 600 V üzerindeki MOSFET’lerde iletim direnci ve anahtarlama davranışı çoğu zaman dezavantajlı hale gelir. Bu nedenle 1200 V gerilim dayanımı gereken bu tasarımda IGBT daha uygun bir tercih olmuştur.

Flyback dönüştürücüde anahtar iletimdeyken primer sargıdan akım yükselerek akar ve enerji nüvede depolanır. Anahtar kesime geçtiğinde primer akımı sıfırlanır, sekonder tarafta diyotlar iletime geçer ve depolanan enerji çıkış kondansatörlerine aktarılır. Bu sırada primer anahtar üzerinde yalnızca doğrultulmuş şebeke gerilimi değil, sekonderden yansıyan gerilim ve kaçak endüktans kaynaklı darbeler de görülür.

Bu yüzden IGBT çevresindeki akım döngüsü kısa tutulmalıdır. Primer kondansatör, anahtar, trafo primeri ve koruma elemanları arasındaki iletken yollar uzarsa kaçak endüktans artar. Sonuçta IGBT üzerinde daha yüksek gerilim piki, daha fazla ısınma ve kararsız çalışma görülebilir.

Trafo Tasarımı Neden Kritik?

Yüksek gerilimli flyback SMPS devresinde trafonun görevi yalnızca gerilim oranı sağlamak değildir.

Trafo aynı zamanda enerji depolama elemanıdır. Primer endüktans, hava aralığı, nüve kesiti, maksimum akı yoğunluğu ve sarım düzeni doğrudan çıkış gücünü belirler.

SMPS tasarımında ana impuls trafosu için ETD59 sınıfı ferrit nüve kullanılmıştır.

Primer sargı 40 tur olarak hesaplanmış, sekonder taraf ise yüksek gerilim dayanımı ve diyot gerilim zorlanmasını azaltmak için 6 ayrı bölüme ayrılmıştır.

Bölümlü sekonder sarım, tek parça yüksek gerilim sargısına göre izolasyon ve doğrultma açısından daha kontrollü bir yapı sağlar.

Sarım Düzeni ve Kaçak Kapasite

Sekonder sargının çok yüksek gerilim üretmesi, sarımlar arası kapasiteyi önemli hale getirir. Primer ve sekonder arasındaki parazitik kapasite büyürse anahtarlama darbeleri kontrol devresine ve ölçüm hatlarına taşınabilir. Projede oživování yani devreyi ayağa kaldırma sürecinde parazitik trafo kapasitesinin ciddi sorun oluşturduğu belirtilmiştir.

Bu tip kaynaklarda trafoyu yalnızca tur sayısı hesabıyla sarmak yeterli değildir. Sarımların katman sırası, izolasyon bandı, sargı başlangıç ve bitiş yönleri, primer-sekonder mesafesi ve ekranlama kararı birlikte değerlendirilmelidir. Özellikle 1000 V üzeri çıkışlarda standart düşük gerilimli SMPS tecrübeleri tek başına yeterli olmaz.

Trafo hesabı ve nüve seçimiyle uğraşanlar için güç elektroniği hesaplamaları sayfasındaki temel formüller de yararlı olabilir.

Sekonder Doğrultma ve 6 Bölümlü Çıkış Yapısı

Sekonder tarafta çıkış tek bir diyot ve tek bir kondansatör üzerinden alınmamıştır. Bunun yerine sekonder sargı 6 bölüme ayrılmış, her bölüm kendi doğrultma diyodu ve kondansatörüyle çalışacak şekilde düzenlenmiştir. Bu yöntem diyotların maruz kaldığı ters gerilimi azaltır ve yüksek gerilim izolasyonunu daha yönetilebilir hale getirir.

Her bölümde kondansatör, toplam çıkış geriliminin yaklaşık altıda birine şarj olur. 1200 V çıkışta bu değer bölüm başına yaklaşık 200 V civarındadır. Sekonder sargı gerilimi ve kondansatör gerilimi birlikte düşünüldüğünde diyot seçimi yine de yüksek hızlı ve yeterli ters gerilim dayanımına sahip olmalıdır.

Yavaş toparlanan diyotlar flyback devrelerinde ciddi kayıplara ve gerilim darbelerine yol açabilir. Diyotun yalnızca akım ve ters gerilim değeri değil, ters toparlanma süresi de kontrol edilmelidir. Genel diyot davranışı için diyotların çalışma mantığı temel bir referans olabilir.

Kontrol Devresi ve UCC38C45 Kullanımı

Kontrol tarafında UCC38C45 / UC3845 ailesi akım modlu PWM kontrol yapısı kullanılmıştır. Akım modlu kontrolde her anahtarlama çevriminde primer akım izlenir.

Akım belirlenen sınıra ulaştığında PWM darbesi kesilir. Bu yöntem, özellikle flyback dönüştürücülerde kısa devre ve kapasitif yük şarjı gibi zorlayıcı durumlarda daha kontrollü davranış sağlar.

Gerilim regülasyonu için çıkış gerilimi bölünerek ölçülür ve kontrol devresine geri besleme olarak aktarılır.

Yüksek gerilim ölçüm bölücüsünde dirençlerin toplam gerilim dayanımı, güç kaybı ve izolasyon mesafesi önemlidir.

Tek bir direnç yerine seri bağlı uygun gerilim dayanımlı dirençler kullanmak daha güvenlidir.

PWM kontrol entegresi ailesi hakkında daha genel bilgi için UC3843 SMPS PWM kontrol entegresi yazısı da incelenebilir.

UC3843 ve UC3845 birebir aynı çalışma sınırlarına sahip değildir; ancak akım modlu PWM kontrol mantığı açısından aynı aile içinde değerlendirilebilir.

Akım Sınırlama ve Kısa Devre Davranışı

Yüksek gerilim güç kaynağının çıkışı büyük kapasitörleri şarj edeceği için ilk anda kısa devreye benzer davranış oluşabilir.

Boş bir kondansatör, kaynağa bağlandığı ilk anda düşük empedanslı yük gibi görünür. Bu nedenle tasarımda akım sınırlama yalnızca arıza koruması değil, normal çalışma davranışının da parçasıdır.

Primer akım algılama için düşük değerli şönt direnç kullanılır. Şönt üzerindeki gerilim PWM kontrol entegresinin akım algılama girişine uygulanır.

Parazitik darbeler yanlış tetiklemeye yol açmaması için bu sinyalin filtrelenmesi gerekir; ancak filtre fazla yavaş olursa gerçek aşırı akım geç algılanır.

Buradaki denge, flyback SMPS tasarımının en hassas noktalarından biridir.

Gerilim Regülasyonu ve Kararlılık

Devrenin ilk denemelerinde çıkış gerilimi ve regülatör çıkışında salınım görüldüğü belirtilmiştir. Bu durum yüksek gerilim kaynaklarında sık rastlanan bir problemdir.

Çıkış kondansatörü, geri besleme bölücüsü, optokuplör veya izolasyon devresi ve PWM kontrol entegresi birlikte kapalı çevrim oluşturur.

Bu çevrim iyi kompanze edilmezse kaynak naprázdno yani yüksüz durumda bile kararsız çalışabilir.

Kapasitif yük bağlıyken çıkış gerilim dalgalanmasının azaldığı görülür. Bunun nedeni büyük kondansatörün düşük frekanslı gerilim değişimlerini bastırmasıdır. Fakat yalnızca çıkışa büyük kondansatör eklemek kalıcı çözüm değildir; regülatör kompanzasyonu, akım sınırı ve deşarj devresi birlikte ayarlanmalıdır.

Deşarj Devresi Neden Gerekli?

1200 V seviyesine kadar şarj edilen kondansatörler, enerji kesildikten sonra da tehlikeli enerji tutabilir.

Bu nedenle devrede çıkış kondansatörlerini kontrollü şekilde boşaltan bir deşarj yapısı bulunur.

Deşarj direnci doğrudan sürekli bağlı seçilirse gereksiz güç kaybı oluşturur; anahtarlamalı veya kontrollü deşarj yapısı daha verimli olabilir.

Deşarj direncinin gücü dikkatli hesaplanmalıdır. Kısa süreli boşaltma için seçilmiş bir direnç, regülasyon salınımı nedeniyle sürekli devreye girerse aşırı ısınabilir.

Kurulum ve İlk Test İçin Notlar

Bu sınıftaki bir SMPS devresini doğrudan şebekeye bağlayıp denemek doğru yöntem değildir.

İlk testte kontrol beslemesi, PWM çıkışı, gate sürme sinyali, şönt gerilimi ve geri besleme hattı ayrı ayrı kontrol edilmelidir.

Güç katı devreye alınmadan önce PWM sinyalinin maksimum duty sınırı, akım algılama eşiği ve hata durumunda darbenin kesilip kesilmediği doğrulanmalıdır.

İlk enerji verme için seri ampul, izolasyon trafosu, akım sınırlamalı varyak veya uygun laboratuvar test düzeneği kullanılmalıdır.

Osiloskop ölçümlerinde şebekeye bağlı primer taraf ile toprak referanslı prob kullanmak çok tehlikelidir. Diferansiyel prob veya izole ölçüm yöntemi tercih edilmelidir.

Kontrol Edilmesi Gereken Noktalar

• Primer şönt sinyalinde darbe sonrası aşırı parazit olup olmadığı kontrol edilmelidir.
• IGBT kolektör-emiter gerilimi, beklenen sınırların üzerinde pik yapmamalıdır.
• Gate sürme sinyali yeterli genlikte ve temiz kenarlı olmalıdır.
• Sekonder diyotlar ısınma ve ters toparlanma açısından izlenmelidir.
• Çıkış gerilim bölücüsündeki dirençlerin gerilim dayanımı yeterli olmalıdır.
• Trafo izolasyonu yüksek gerilim testine uygun yapılmalıdır.
• Çıkış kondansatörleri enerji kesildikten sonra güvenli şekilde deşarj edilmelidir.

Sık Yapılan Hatalar

Güvenlik Uyarısı

Bu devre şebeke gerilimiyle çalışır ve çıkışında 1000 V üzeri DC gerilim oluşabilir.

Böyle bir kaynak, düşük akımda bile ciddi elektrik çarpması, ark, yangın ve ölçüm cihazı hasarı riski taşır.

Deneysel kurulum yapılacaksa izolasyon, sigorta, topraklama, kaçak mesafeleri, kondansatör deşarjı ve kapalı muhafaza mutlaka tasarımın parçası olmalıdır.

Devreyi breadboard üzerinde kurmak uygun değildir. Yüksek gerilim hatları arasında yeterli creepage ve clearance mesafesi bırakılmalı, PCB üzerinde keskin uçlu bakır alanlar kullanılmamalı ve çıkış terminalleri dokunmaya karşı korunmalıdır.

Ölçüm yapmadan önce kondansatörlerin boşaldığı doğrulanmalıdır.

Değerlendirme

0-1200 V ayarlı flyback SMPS tasarımı, yüksek gerilim güç kaynağı geliştirmek isteyenler için iyi bir uygulama örneği sunar.

Devrede topoloji seçimi, trafo sarımı, IGBT zorlanması, sekonder bölümlendirme, akım modlu kontrol ve regülasyon kararlılığı birlikte düşünülmüştür.

Yine de bu tasarım doğrudan kopyalanacak basit bir hobi devresi gibi görülmemelidir.

En kritik noktalar trafo izolasyonu, primer kaçak endüktansı, sekonder diyot seçimi, geri besleme kararlılığı ve güvenli test yöntemidir.

Bu başlıklar kontrol edilmeden yüksek gerilimli SMPS devresi güvenilir çalışmaz.

Kaynak: dspace.vut.cz/items/d57eaa04-d9e7-4942-9220-4fdb19046682