PLANAR TRANSFORMATÖR TEKNOLOJİSİ

Güç elektroniği dönüştürücülerinde, güç yoğunluğunun ve verimliliğinin iyileştirilmesi, yıllarca araştırmaların odağı olmuştur. Manyetik bileşenlerin boyutu ve termal yönetimi güç elektroniği devrelerinin güç yoğunluğunu sınırlar. Anahtarlama frekansının artmasıyla manyetik bileşenlerin boyutları küçüldüğü için güç yoğunluğu da artar. Yarı iletken teknolojisindeki gelişmeler sayesinde yüksek frekanslarda ortaya çıkan anahtarlama kayıpları oldukça azalmıştır. Ama geleneksel standart dairesel iletkenler ile yapılan manyetik bileşenlerin özellikle yüksek çalışma frekanslarında girdap (eddy) ve yakınlık (proximity) akım kayıpları oluşur. Bu kayıpları azaltıp yüksek frekanslara ulaşıp yüksek güç yoğunluklu transformatör tasarlamak amacıyla farlı nüve ve sarım şekilleri üzerine çalışmalar yoğunlaşmıştır.

Planar transformatör teknolojisi, son on yıldan beri güç elektroniği dönüştürücülerinin güç yoğunluğunu artırmada dikkatleri üzerine çekmiştir. Planar transformatör yapısı aşağıdaki görselde görüldüğü üzere düzlemin düşey boyutu, manyetik bileşenin yüksekliği geleneksel bileşenlere göre daha küçüktür ve geleneksel bileşenlerden daha fazla yüzey alanına sahiptir. Planar trafoda sargılar üst üste yerleştirilirken, geleneksel trafoda sargılar düşük frekans gücüne benzer bir şekilde çekirdek etrafına sarılır. Çekirdek geometrisi ve sargısındaki bu farklılıklar geleneksel yöntemlere göre güç yoğunluğu, üretim kolaylığı ve tekrarlanabilirlik gibi birçok yönden avantaj sağlar.

PLANAR TEKNOLOJİNİN AVANTAJLARI

Bu planar teknolojisi, geleneksel teknolojiye göre çok sayıda avantaj sunar.

1. Düşük Profilli Tasarım: Daha az kübik tasarım ve daha fazla yüzey alanı nedeniyle geleneksel yapılara göre düşük hacim kaplar. Bu sayede daha yüksek hacimsel verimlilik sağlar.

2. Üretim Kolaylığı: Sargılar PCB veya damgalı bakır levhalar ile yapıldığından montaj işlemi kolaylaşır.

3. Düşük AC Direnç: Planar teknolojide kullanılan sargı yapısı, eş değerden daha az AC direncine sahip olma eğilimindedir. PCB ve folyo sargıların direnci, yuvarlak sargıdan daha az ancak litz telinden daha yüksektir.

4. Kontrollü Kaçak Endüktans: Transformatörün kaçak endüktansı, primerin ve planar transformatörün çekirdeğinde ikincil sargı göreceli konumuna bağlıdır. Sarım pozisyonu ve arasındaki boşluk kontrol edilerek kaçak endüktansı sıkı bir şekilde kontrol edilir.

5. Yüksek Güç Yoğunluğu: Planar sargı bileşenlerin yüzey alan hacim oranı, önemli ölçüde daha yüksek olduğundan geleneksel yapıya göre ısı iletimi iyileştirilmiştir. Bu da daha iyi soğutma ile sonuçlanır. Aynı sıcaklık artışı için daha yüksek güçlere çıkılabilir ve dolayısıyla güç yoğunluğu artırılmış olur.

PLANAR TRANSFORMATÖR NÜVE YAPISI

Manyetik nüveler yumuşak manyetik malzemelerden yapılmıştır. Bu malzemeler yaygın olarak kullanılan sert manyetik malzemelerin aksine daha az manyetik kuvvetle yüksek akı elde edebilir.

Ayrıca yumuşak nüveler toz halindeki demir, amorf alaşımlar, nanokristal malzemeler vb. malzemelerin karışımından yapıldığından daha az histerezis döngü alanına sahiptirler. Benzer şekilde yumuşak ferritlerde de çekirdek kayıpları daha azdır.

Ferritler demir oksitten yapılır ve kobalt, magnezyum, nikel, silikon, manganez veya çinko gibi metallerle alaşımlanır. En yaygın kullanılan ferritler manganez-çinko (Mn-Zn) ve nikel-çinkodur (Ni-Zn). Ni-Zn ferritleri yüksek elektrik direncine ve daha az geçirgenliğe sahiptir. Bu sayede çalışma alanı birkaç yüz kHz mertebesindedir. Mn-Zn ferritleri, Ni-Zn ferritlerinden daha yüksek direnç ve daha yüksek geçirgenliğe sahip olduğundan genellikle MHz seviyesindeki frekansların gerekli olduğu uygulamalarda kullanılır. Ferritlerle ilgili tasarım sırasında uygun şekilde dikkate alınması gereken diğer parametreler ise kırılganlık ve düşük Curie sıcaklığıdır.

PLANAR SARGI

Planar transformatörler için kullanılan sargının tipi, çekirdeğin pencere alanına göre; operasyon sıklığı, üretim maliyeti, uygulama iletkenin boyutu, akım yoğunluğu ve anahtarlama frekansıyla belirlenir. PCB sargısı, baskılı devre kartı sargıları, PCB üzerinde sargı hatları ile oluşturulur. PCB hatları arasında izolasyon katmanlar arası FR4 malzeme ile yapılır. Normalde bakır kalınlığı 1 oz, 2 oz, 4 oz – 8 oz kalınlığında yollar çizilerek sargı oluşturulur.

PLANAR TRANSFORMATÖR MODELLEME

Model tabanlı sonlu elemanlar yöntemi analiz programları kullanılarak transformatör nüve, bobin, sargı yapısı, bakır-izolasyon ve nüve malzemesine göre modellenebilir. Global nüve tedarikçilerinin çeşitli malzeme ve farklı tipte pencerelere sahip ürünleri bulunmaktadır. Mevcut üreticilerin nüve ve sargı yapıları kullanılarak model oluşturulabileceği gibi aynı zamanda özgün modeller de oluşturulabilir.

SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ İLE PLANAR TRANSFORMATÖR ANALİZİ

Sonlu elemanlar analiz yöntemi kullanılarak planar transformatörün 3d modellemesi ve elektromanyetik analizi yapılır. Bu analiz sayesinde malzemenin, manyetik doyum karakteristik eğrisi, endüktans faktörü, akı yoğunluğuna bağlı kayıp faktörü vb. özelliklerinin çalışma frekansına bağlı olarak tanımlanabilir. Aynı şekilde transformatör sargıları; PCB sargı yapılacağı ön görülerek PCB üzerinde çizilen sargı şekilleri, analiz ortamında aktarılarak 3d geometri modellenir ve analiz koşulları sağlanmış olur. Trafo modeli birlikte çalışma (co-simulation) yöntemi ile devre üzerine bağlanarak devre analiziyle 3d elektromanyetik analiz yapılabilir. Bu sayede model analizi gerçeğe en yakın şekilde yapılmış olur.

PLANAR SARGI PCB TASARIMI VE ÜRETİMİ

PCB tasarım programları kullanılarak planar sargılar, PCB katmanları boyunca çizilerek tasarım yapılabilir. Özellikle yüksek çalışma frekanslarında, girdap (eddy) ve yakınlık (proximity) akım kayıplarını azaltmak için PCB sargı hatları, litz teli damar sayısı ve kalınlığı etkisi oluşturacak şekilde modellenebilir. Ayrıca kaçak akı indüktansını (leakage inductance) hassas tolerans aralığında tutacak şekilde üretim kolaylığı sağlanmış olur.