Güç Elektroniği (B.K. Bose P.E. and M.D.)

Transkript

1 Güç Elektroniği (B.K. Bose P.E. and M.D.)

2 Güç Elektroniği

3 Güç Diyotları I-V Karakteristiği (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği)

4 Güç Diyotları Anahtarlama Karakteristiği (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği) x f Toparlanma Şarjı Q RR bu noktada bitmektedir.

5 Güç Diyotları t t t rr a b S t / t t a : Birikme zamanı (s) b a t b : Düşme zamanı (s) I RRM S=t b /t a : Yumuşaklık katsayısı ta t rr =t a +t b =t off : Ters toparlanma zamanı (s) di f t rf =t on : İletime geçme zamanı (s) dt Q rr : Ters toparlanma elektrik yükü (C) trr 2 Qrr / I RRM I RRM : Maksimum ters toparlanma akımı (A) 2 P FAV : Ortalama iletim güç kaybı (W) P V I r I V AKM : İleri yönde maksimum tepe gerilimi (V) VF VFT rf I f V FT : İletime geçme eşik gerilimi (V) V F =V FT +r f I f : İletimdeki diyotun uçlarında görülen sürekli gerilim (V) V RM : Maksimum ters toparlanma gerilimi (V) I FAV : Ortalama iletim akımı (A) I frms : rms iletim akımı (A) V RB : Delinme gerilimi (V) x f : Kesimin başladığı -V AKM : Tersyönde maksimum tepe gerilimi (V) nokta (s) di f /dt: Diyottan geçen akımın değişim hızı (A/s) Diyotlar, kontrolsüz ters yönde gerilim tutabilen yarı iletken güç anahtarlarıdır. FAV FT FAV f Frms

6 Güç Diyotları Yumuşaklık Katsayısı (S)

7 Güç Diyotları Örnek: Yumuşaklık Katsayısı S=1.9, dif/dt=200a/us, trr=110ns, V FT =2.2V ve r f =150mΩ olan bir diyottan, sürekli durumda If=30A DC akım geçmektedir. Buna göre; - tb=? - ta=? - I RRM =? - Qrr=? - P FAV =?

8 Tristör I-V Karakteristiği (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği)

9 Tristör Anahtarlama Karakteristiği (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği) x f

10 Tristör V AK : Tristörün Anot ve Katot uçları arasındaki gerilim (V) t d : Gecikme zamanı (s) V FB0 : Devrilme gerilimi (V) t r : Yükselme zamanı (s) V TT : İletime geçme eşik gerilimi (V) t s : Yerleşme zamanı (s) V RB : Delinme gerilimi (V) t rr : Ters toparlanma zamanı (s) I B0 : Devrilme akımı (A) t rc : Kesime kilitlenme zamanı (s) I H : Tutma akımı (A) V T : İletimdeki tristörün Anot ve Katot uçları arasında görülen sürekli gerilim (V) I L : İletime kilitlenme akımı (A) V TT : İletime geçme eşik gerilimi (V) dv AK /dt: Tristörün Anot-Katot uçları arasına uygulanan gerilimin değişim hızı (V/s). t N : Ters gerilim uygulama zamanı (s) di T /dt: Tristörün Anot-Katot hattından geçen akımın değişim hızı (A/s) t q =t off : Kesime gitme süresi (s) P V I r I 2 FAV TT TAV T Trms V V r I T TT T Trms

11 Tristör Tristörün çalışması üzerine önemli noktalar. 1. di T Tkritik di dt dt olmalıdır. Aksi takdirde tristör aşırı ısınır ve yarı iletken özelliğini kaybeder. Buna sicim olayı denir. AKkritik olmalıdır. Aksi takdirde tristör kontrolsüz bir şekilde 2. dv dv AK dt dt iletime girer. Eğer Anot + ve Katot değerli ise. 3. VAKM VFB0 olmalıdır. Aksi takdirde tristör kontrolsüz bir şekilde iletime girer. 4. t N t q olmalıdır. Aksi takdirde tristör kesime kilitlenmeden tekrar ile time girebilir. (Sadece bir olasılık, fakat önemli bir olasılık.)

12 Tristör Tristörün önemli özellikleri: 1. Tristör yarı kontrollü, akım kontrollü ters ve ileri yönde gerilim tutabilen yarı iletken bir güç anahtarıdır. 2. Tristörler en yüksek akımda üretilen iki yarı iletkenden biridir. Diğeri de diyottur. 3. Diyot sadece ters yönde gerilim tutabilirken, tristör hem ters hem de ileri yönde gerilim tuttabilir. (Tetiklenmemek ve V AKM <V FB0 olması şartı ile.) 4. Tristörler en çok doğal komütasyonlu (kendiliğinden kesime girme durumu) güç elektroniği devrelerinde kullanılır.

13 Tristör t=0 anında iletimden henüz çıkmış bir tristöre uygulanan gerilim aşağıdaki şekilde verilmektedir. Buna göre, tristörün kontrolsüz bir şekilde tekrar iletime girmemesi için, t q (veya t off ), V FB0 ve (dv/dt) krt ne olmalıdır. V AK (V) t(us)

14 Güç Transistörü (BJT) I-V Karakteristiği (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği)

15 Güç Transistörü (BJT) Anahtarlama Karakteristiği (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği)

16 Güç Transistörü (BJT) Önemli Noktalar: 1. Güç BJT lerinin akım kazançları (hfe veya β) yüksek değildir (20 civarındadır). Bu yüzden, anahtar olarak çalışabilmek için yüksek kapı akımına ihtiyaç duyarlar. Bu durum çok sakıncalıdır, çözüm olarak darlington yapı kullanılır fakat bu durum da kayıpları ve karmaşıklığı artırmaktadır. 2. BJT lerin iletim karakteristiği yüksek performanslıdır, yani iletim kayıpları düşüktür. Fakat anahtarlama kayıpları ise yüksektir. 3. BJT ler ters yönde küçük bir gerilim tutabilirler fakat ileri yönde daha büyük gerilimleri tutabilirler. (Tetiklenmemek şartı ile.) 4. BJT lerde kuyruk akımı vardır. 5. BJT ler tam kontrollü akım kontrollü ileri ve ters yönde gerilim tutma özelliğine sahip yarı iletken güç anahtarlarıdır. 6. BJT ler yerini gün geçtikçe IGBT ve MOSFET e bırakmaktadır.

17 Güç Transistörü (BJT) Örnek (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği)

18 MOSFET I-V Karakteristiği (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği)

19 MOSFET Anahtarlama Karakteristiği (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği)

20 r DSon (mω) MOSFET Junction Temperature (C o ) V DSsat =V GS -V GST I DS =K(V GS -V T ) 2 V GST İletim Karakteristiği I-V Karakteristiği V GST

21 MOSFET Önemli Noktalar: 1. Güç MOSFET leri tam kontrollü gerilim kontrollü ve sadece ileri yönde gerilim tutabilen yarı iletken güç anahtarlarıdır. 2. MOSFET lerin iletim karakteristiği düşük performanslıdır, yani iletim kayıpları yüksektir. Fakat anahtarlama kayıpları ise düşüktür. 3. MOSFET ler ters yönde neredeyse hiç gerilim tutamazlar. Fakat ileri yönde daha büyük gerilimleri tutabilirler. (Tetiklenmemek şartı ile.) 4. Bu bakış açısı altından, BJT ile bir bütünün iki parçası gibi, birbirlerini tamamlamaktadırlar. 5. Güç elektroniği devrelerinde genellikle N kanal çoğaltan tür MOSFET kullanılmaktadır. 6. V DSsat =r DSon *i D. Doyumda çalışan MOSFET bir dirence eşdeğerdir. 7. r DSon iletimde MOSFET in iç direncidir, yani MOSFET iletimde bir dirence eşdeğerdir. Bu direnç değeri sıcaklıkla ve V DSS nin küpü ile doğru orantılı artar. Bu durum yüksek gerilimler için üretilen MOSFET lerin iletim kayıplarının yüksek olduğunu ifade etmektedir. Bu yüzden MOSFET ler düşük gerilim yüksek akımlı olacak şekilde üretildiklerinde verimlidir (İletim kayıpları düşüktür).

22 MOSFET Örnek: V DD =500V a.) İletim Karakteristiğini çiziniz. (5 noktada, 1 er V ara ile) b.) I-V karakteristiğini çiziniz (5 noktada, 1 er V ara ile). c.) Doyum (V GSon ) noktasını bulunuz ve bu durumunda MOSFET in iletim kaybını hesaplayınız. d.) Sonra, V DD =700V kabul edip, iletim kaybını tekrar hesaplayınız. e.) VGS yi doyum noktasının (V GSon ) 1V altına alıp iletim kaybını tekrar hesaplayınız. f.) d ve e şıkkındaki verileri I-V karakteristiğinde gösteriniz. g.) Aradaki farkı yorumlayınız. V GS r DSon =50mΩ K=0.5 V GST =5V R G =5MΩ R D =50Ω + - I D + V DS -

23 TRİYAK I-V Karakteristiği (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği)

24 TRİYAK Tristörler ile tamamen aynı karakteristiklere sahiptir. Fakat yerleşim problemlerinden ötürü çok büyük akımlarda imal edilemez. Böyle durumlarda ters paralel bağlı tristör çifti kullanılmaktadır. Klasik tristöre SCR (Slicon Controlled Rectifier), klasik triyaka SSR (Solid State Relay) denilmektedir. Triyaklar, yarı kontrollü akım kontrollü, ileri ve ters yönde gerilim tutma özelliğine sahip, ileri ve ters yönde akım geçirme özelliğine sahip yarı iletken güç anahtarlarıdır.

25 GTO (Gate Turn-off Thyristor) Anahtarlama Karakteristiği (ABB) Kuyruk akımı, anahtarlama kayıplarını ciddi ölçüde artıran bir etkendir.

26 GTO (Gate Turn-off Thyristor) *Kısa süreli küçük bir ileri gate akımı ile iletime girer. *Fakat görece olarak çok daha büyük ters bir akım ile kesime girer. *Karakteristikleri SCR ile aynıdır. Fakat tutma ve kilitleme akımları ile iletim ve anahtarlama kayıpları SCR ye göre daha fazladır. I GTQ : Kontrol edilebilen akım değeri, normal GTO akımının çok üzerindedir. Örneğin: ortalama akım 830A, kontrol edilebilen akım 2000A. G GQ : Kesimde akım kazancı, örneğin 5 olsun, bu takdirde 100A anotkatot akımına sahip bir GTO yu kesime götürmek için Gate den ters yönde 20A uygulanması gereklidir. t tail :t t : Kuyruk akımı süresi (s) t gt : Gerilimin kesilme süresi (s) t gq : Akımın kesilme süresi (s) t gq t off t on : GTO nun iletime girebilmesi için gereken minimum zaman (s) t off : GTO nun kesime girebilmesi için gereken minimum zaman (s) GTO lar tan kontrollü akım kontrollü ileri ve ters yönde gerilim tutma özelliğine sahip yarı iletken güç anahtarlarıdır.

27 IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) I-V Karakteristiği (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği)

28 IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) Anahtarlama Karakteristiği Kuyruk akımı (I t )

29 IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) V GES : IGBT yi doyuma götüren VGE gerilimi (V). V CER : İleri delinme gerilimi (V) V RB : Ters delinme gerilimi (V) t d(off): Kesime gitmede gecikme zamanı (s) t d(on): İletime geçmede gecikme zamanı (s) t r : Yükselme zamanı (s) t f : Düşme zamanı (s) t on : İletime geçme zamanı (s) t off : Kesime gitme zamanı (s)

30 IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) IGBT, BJT ve MOSFET in üstünlüklerine sahiptir. Şöyleki; 1. İletim kayıpları düşüktür, çünkü iletimde (çıkış karak teristiği)bjt nin karakteristiğine sahiptir. 2. Anahtarlama (giriş) karakteristiği MOSFET e eşdeğerdir. 3. GTO larda olduğu gibi bir kuyruk akımına sahiptir ki buda anahtarlama kayıplarını artıran bir unsurdur. 4. İç endüktansı BJT veya MOSFET ile karşılaştırıldığında genelde daha yüksektir. 5. IGBT ler BJT ler gibi ters yönde gerilim tutma özelliğine sahiptir. 6. Bu yüzden IGBT ler gerilim kontrollü, tam kontrollü ileri ve ters yönde gerilim tutma özelliğine sahip yarı iletken güç anahtarlarıdır. 7. IGBT lerde kuyruk akımı vardır. 8. Uygulamada, ters paralel bağlı bir diyot ile imal edilir. Bu diyot IGBT yi ters yönde büyük gerilimlerden korur. Aynı zamanda, evirici gibi bazı güç elektroniği devrelerinde akımın sürekliliğini sağlamakta önemli bir role sahiptir.

31 IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) Uzun zamandan beri Silicon tabanlı IGBT üretimi yapılmaktadır. Günümüzde henüz çok yeni bir teknoloji ile üretilmeye başlanmış bir MOSFET te vardır. Bu son teknoloji ürünü MOSFET, Silicon-Carbide teknolojisi tabanlı üretilmektedir. SiC tabanlı MOFET ler Si tabanlı IGBT lere göre; ***MHz lerde anahtarlanabilmektedir. ***Bu çok yüksek anahtarlama frekanslarında bile güç (anahtarlama ve iletim) kayıpları ihmal edilebilir seviyededir. ***En az üç kat daha yüksek sıcaklıkta (junction temperature) çalışabilmektedir. ***Kırılma gerilimleri çok daha yüksektir. ***Wide Band Gap (semıconductors) yarı iletkenler olarak adlandırılmaktadır. NOT: Şu anda bildiğimiz en büyük sakıncası EMI (Electromagnetics Interference) değerlerinin çok yüksek olmasıdır. NOT: SiC tabanlı IGBT henüz üretilememiştir. IGBT lerde ancak, sadece ters paralel bağlı serbest geçiş diyotları SiC tabanlı üretilmektedir. NOT: SiC tenolojisinin yanı sıra GaN ve GaAs teknolojileri de geliştirilmektedir. Fakat ticari olarak her güç değeri için henüz mevcut (üretimde) değildir.

32 MCT (MOS-Controlled Thyristor) (Prof. Dr. Hacı Bodur Güç Elektroniği)

33 MCT (MOS-Controlled Thyristor) *MOSFET in giriş (anahtarlama), tristörün çıkış (iletim) karakteristiğine sahiptir. *İlk tetiklemede (kısa süreli) iletime girer, tetikleme kesilse bile iletime kilitlenir. *Sonraki tetiklemede (kısa süreli) iletimden çıkar. Tetikleme kesilse bile kesime kilitlenir. Buradaki önemli nokta, GTO daki gibi bir G GQ kazancının bulunmamasıdır. *Bu bakış açısı altından, MCT ler gerilim kontrollü tam kontrollü bir yarı iletken güç anahtarıdır. *Anahtarlama frekansları IGBT lere yakındır. *MCT ler de GTO lar gibi kontrol edilen akım değerine (I GTQ ) sahiptir. Yalnız, bu değer normal anot-katot akımının çok altındadır. *I GTQ akımın üstünde bir anot-katot akımı değerinde, MCT ler SCR ler gibi ancak zorlamalı komütasyon ile kesime götürülebilir.

34 LASCR (Light Activated Thyristor) *1500A ve 4000V lara kadar üretilmektedir. *Üzerine yeterince ışık düştüğünde iletime geçer, ışık kesilse dahi SCR nin sahip olduğu iletim şartları devam ettiği müddetçe iletim devam eder. *Gate ucundan klasik SCR gibi kontrol edilebilir. *Işık ile ilgili özellikler hariç, diğer özellikleri klasik SCR ile hemen hemen aynıdır.

35 Güç Anahtarlarının Karşılaştırılması (Prof. Dr. Hacı BODUR Güç E.)

36 V x I Güç Anahtarlarının Karşılaştırılması (B.K. Bose P.E. and M.D.) IGBT IPM: IGBT Intelligent Power Module Akıllı IGBT Güç Modülü: Birçok IGBT nin belirli bir devre amacı (2 seviyeli veya 3 seviyeli evirici gibi) ile bir araya getirilmesi ve IGBT sürme devrelerinin de entegre edilmesi ile oluşam müdüle denir. IGBT Discrete: Tekli IGBT Anahtarlama Frekansı

37 Güç Anahtarlarının Karşılaştırılması (B.K. Bose P.E. and M.D.)

38 Güç Anahtarlarının Karşılaştırılması (B.K. Bose P.E. and M.D.)

39 Güç Anahtarlarının Karşılaştırılması (U. ARİFOĞLU Ders Notları)

40 Güç Anahtarlarının Karşılaştırılması Güç Anahtarı Kontrol Edilebil me Kontrol İşareti İletim Yönü Gerilim Tutma Özelliği Güç Botutu Gerilim Boyutu Akım Boyutu Frekans Boyutu Diyot - - tek Ters yönde ***** ***** ***** - Tristör yarı akım tek İleri ve ters yönde GTO tam akım tek İleri ve ters yönde MCT tam gerilim tek İleri ve ters yönde BJT tam akım tek İleri ve ters yönde ***** ***** ***** * **** **** **** ** *** *** *** **** ** ** ** *** MOSFET tam gerilim tek İleri yönde * * ** ***** IGBT tam gerilim tek İleri ve ters yönde *** *** *** **** Unutulmamalıdırki, Güç, Gerilim ve Akım oranları bugüne kadar sürekli gelişmiştir. Fakat frekans oranlarında, özellikle yüksek güç miktarları altında, ilerleme sağlamak oldukça zor olmuştur.

41 Üretimde Önemli Noktalar(SEMIKRON)

48 Üretimde Önemli Noktalar(SEMIKRON) *Düşük ısıl dirençli tasarım. *Düşük endüktanslı tasarım. *Ters ve ileri yönde daha yüksek gerilim dayanımı sağlama. *İletim kayıplarının azaltılması amacıyla, düşük iletim dirençli (r DSon ) veya diğer bir deyişle düşük V CSsat, V DSsat değerlerine ulaşma. *Anahtarlama kayıplarını azaltmak ve anahtarlama frekansını artırmak. *Anahtarlama şarjı düşük tasarımlar. *Ve daha birçok önemli nokta

49 Uygulamada Önemli Noktalar(SEMIKRON) *Düşük endüktanslı DC bara tasarımı. 1.Bakır plaka kullanılır (Kablu kullanılmaz). 2.Kondansatörler paralel bağlanarak kullanılır. 3.DC bara yolunda akımın izleyeceği yol olabildiğince kısa olmalıdır. 4.Düşük endüktanslı DC bara kondansatörü kullanılır.

50 Uygulamada Önemli Noktalar(SEMIKRON)

55 Uygulamada Önemli Noktalar(SEMIKRON) *Doğru Snubber konsatörü seçimi 1.Kodansatör bağlantısında kablo kullanılmaz. Kondansatörler doğrudan plakalı bir şekilde bağlanır. 2.Düşük endüktanslı kondansatör kullanılır.

58 Uygulamada Önemli Noktalar(SEMIKRON) V overshoot L toplam V V V di bus dt toplam bus overshoot

64 Uygulamada Önemli Noktalar(SEMIKRON) *Aksi takdirde, aşma (overshoot) gerilimi yükselir ve IGBT yi tahrip edebilir. *Yüksek endüktans, L-C rezonans devresi gibi davranışlar ın sergilenmesine yol açar. Bu durumda güç elektroniği devrelerinde çok önemli olan geçici durum davranışlarının kötüleşmesine yol açar.

65 Uygulamada Önemli Noktalar(SEMIKRON) Aşırı gerilimden korumak için Gate Sabitleme

66 Uygulamada Önemli Noktalar(SEMIKRON) Isı Yönetimi: Mesafeyi artırmak ısıl direnci önemli ölçüde düşürür. Fakat, bu durumda endüktansın artacağı unutulmamalıdır. ***Isıl direnç azalırsa, ısı dağılımı artar***

67 Uygulamada Önemli Noktalar(SEMIKRON) 1. Tristör çeşitlerini birbirleri ile karşılaştırınız. 2. Transitör çeşitlerini birbirleri ile karşılaştırınız. 3. Yarı iletken teknolojisinde yaşanan gelişmeleri araştırınız. 4. Tristörün ısıl özelliklerini araştırınız. Isıl problemlerle ilgili (en az biri soğutucu tasarımı olacak) en az 3 adet örnek problemi çözünüz. 5. Elektrikli arabalarda bulunan Güç Elektroniği Sistemleri ni araştırınız. Blok şemalar çizerek her bir elemanın çalışma şeklini açıklayınız. 6. Rüzgar santrallerinde kullanılan Güç Elektroniği Sistemleri ni araştırınız. Blok şemalar çizerek her bir elemanın çalışma şeklini açıklayınız. 7. Ev aletlerinde (Çamaşır-bulaşık makinesi, elektrikli süpürge, buzdolabı, klima ve cep tel. şarj cihazı) kullanılan Güç Elektroniği Sistemleri ni araştırınız. Blok şemalar çizerek her bir elemanın çalışma şeklini açıklayınız. Not: Ödevler iki hafta sonra teslim edilecektir. İstisnai durumlar hariç olmak üzere ödev sayfa sayısının 5 ile 10 arasında olmasına dikkat ediniz.

68 Son Ürün (SEMIKRON)

69 Son Ürün

70 Son Ürün

71 Son Ürün

72 Son Ürün

73 Son Ürün

74 Uygulamada Önemli Noktalar(SEMIKRON) Daha fazla detay bilgi için kaynaklar:

75 Uygulama sonuçları (Skaler Denetimli ASM Sürücü, Boşta Akım Grafikleri) Mikrodenetleyici (dspic30f4011) Denetimsiz Doğrultucu (skd2512) IGBT Modüller (SEMIX302 GB128Ds) Filtre Kondan satörleri 450V, 6800µF Üç Fazlı Asenkron Motor IGBT Sürücüler (SKYPER 32 PRO) f=25hz ve m=0,5 durumunda R fazı hat akımı, harmonik dağılımı ve THB (Boşta Çalışma Durumu) Şekil 3.2: Asenkron motor sürücü devresi

76 Uygulama sonuçları (Skaler Denetimli ASM Sürücü, Boşta Akım Grafikleri) Şekil 3.6: f=25hz ve m=0,5 durumunda R fazı hat akımı, harmonik dağılımı ve THB (Boşta Çalışma Durumu)