High frequency power supply design

Abstract

Taşınabilirlik, güç yoğunluğu ve enerji verimliliği bugünlerde en önemli konular arasında yer almaktadır. Dolayısıyla, yüksek güç yoğunluğuna, küçük boyuta ve yüksek verimliliğe sahip güç kaynaklarına ihtiyaç günden güne artmaktadır. Bu noktada, yüksek anahtarlama frekansı en önemli etkiye sahiptir. Yüksek anahtarlama frekansı yardımıyla dönüştürücü boyutu ve ağırlığı düşürülebilir, başka bir deyişle güç yoğunluğu arttırılabilir. Ek olarak, yüksek anahtarlama frekansının kapasitör boyutunu azaltmasıyla elektrolitik kapasitörler elimine edilebilir. Bunun sonucunda ise güvenirliği ve ömrü yüksek seramik tipi kapasitörler kullanılabilir hale gelmektedir.Anahtarlamalı Güç Kaynakları (AGK), anahtarlama frekansını devrenin temel özelliği olarak kullanır ve bu dönüştürücüler düşük ağırlık, hacim ve maliyet avantajından dolayı önemli bir ilgi kazanmıştır. Literatürde; buck, boost, buck-boost, flyback gibi sert anahtarlama yapan ve anahtarlama frekansı sadece 100 kHz seviyelerine kadar çıkabilen geleneksel topolojiler bulunmaktadır. Bu topolojilerde anahtarlama frekansını arttırmak istenmeyen bir şekilde kayıpları arttırmaktadır. Dolayısı ile kayıpları limitlemek amacıyla anahtarlama frekansının küçük seçilmesi gerekmektedir. Anahtarlama frekansının küçük seçilmesinden dolayı bu dönüştürücüler yüksek kapasitör ve endüktans değerlerine ihtiyaç duyar. Bu problemi çözmek için literatürde yumuşak anahtarlama yapabilen ve anahtarlama frekansı MHz seviyelerine çıkabilen rezonant dönüştürücü topolojileri önerilmiştir. Bu dönüştürücüler içerisinde, E sınıfı topoloji tek bir anahtarlama elemanı kullanması ve bu anahtarlama elemanının sörs terminalinin toprağa bağlanmasından dolayı sürme avantajı sunar. Ayrıca, E sınıfı dönüştürücü kolay tasarıma ve düşük sayıda komponente sahiptir. Bundan dolayı bu tezde E sınıfı DC/DC dönüştürücünün 48 V giriş kaynağından 24 V/60 W çıkış oluşturduğu durum için analiz, simülasyon ve deneysel çalışmaları yapılmıştır. Ek olarak anahtarlama frekansı için 1.2 MHz ve 0.5 MHz seçilmiş olup çalışmalar bu anahtarlama frekanslarında gerçekleştirilmiştir. Diğer taraftan, analizler PSIM simülasyonları ve deneysel çalışmalarla ispatlanmıştır. Deneysel çalışmalarda, yüksek anahtarlama frekansında çalışmanın bir sonucu olarak elektrolitik kapasitör yerine seramik kapasitörlerin kullanılabileceği ve elektrolitik kapasitörlerin elimine edilebileceği görülmüştür.

Portability, power density, and energy efficiency are among the hottest topics of today. Therefore, the need for higher power-capacity, smaller size, and higher efficiency power supply is increasing day by day. At this point, the switching frequency has the most noticeable effect on the size of switching power converters. Utilizing high switching frequency, the converter size and weight can be reduced significantly; in other words, the power density can be increased. In addition, the high switching frequency decreases capacitor value and therefore electrolytic capacitors can be eliminated. As a result, reliable ceramic type capacitor can be employed.The Switch Mode Power Supply (SMPS) converters utilize switching frequency as a basic feature of these converters and they have gained significant attraction recently due to their low weight, volume, and cost advantages. There are conventional SMPS topologies in the literature such as buck, boost, buck-boost, flyback, etc., which are hard switched topologies and their switching frequency can reach only 100 kHz levels. Increasing the switching frequency of these type of converters raises the losses inevitably. Hence, the switching frequency has to be chosen low for limiting the loss. As a result, these conventional topologies require a large capacitor and inductor values. In order to solve this problem, resonant converters which have soft switching behavior are proposed in the literature, and the switching frequency can reach up to MHz level. Among these converters, class E type resonant converter has a single switch which source (for MOSFET) has a ground connection hence it is easy to drive. Additionally, this converter has an easy design advantage because it uses a low number of components. Hence, in this thesis, class E resonant converter is chosen for these advantages. In this study, a class E DC/DC converter is analyzed, simulated and implemented for in order to obtain 24 V/60 W output power from a 48 V input voltage. Additionally, 0.5 MHz and 1.2 MHz switching frequencies were selected for this particular research. On the other hand, the analyses were proven by PSIM simulations and experiments. From the experimental studies, it was seen that electrolytic capacitors can be eliminated by high switching frequency and ceramic type capacitors can be used instead of electrolytic counterparts.