Yarıİletken Güç Anahtarları

Transkript

1 Yarıİletken Güç Anahtarları Yarı iletken güç anahtarları güç elektroniği uygulamalarında asıl yükü taşıyan elemanlardır. Güç elektroniği uygulamalarında anahtarlar iletim ve kesim olmak üzere iki konumda çalışmaktadır. Yarı iletken güç anahtarlarını kontrol özelliklerine göre 3 e ayırabiliriz 1- Kontrolsüz (hat kontrollü-hat komütasyonlu) anahtarlar (Ör:Diyot) 2- Yarı kontrollü anahtarlar iletimi kontrol edilebilen ancak hat kontrollü kesime giden (hat komütasyonlu) anahtarlar (Ör:Tristör) 3- Kontrollü yarı iletken anahtarlar Hem iletime hemde kesime kontrollü biçimde geçen yarı iletken anahtarlar (Ör: GTO, BJT, IGBT, MOSFET, MCT vb.)

2 Diyotlar Genel Amaçlı Diyotlar Pasif bir anahtardır. Pozitif yönde akım iletebilir, negatif gerilimi bloke edebilir. İletimde iken üzerinde düşük bir gerilim düşümü olur (0,2-3V) Genellikle şebeke frekansında kullanılırlar. Düşük frekans için üretilen diyotlar yüksek frekansta iletken gibi davranır.

3 Genel Amaçlı Diyotlar Yüksek akım kapasiteli olanlar güç diyotu olarakta anılır. Doğru polarmalandırıldığında 1V gibi düşük bir değerde iletime geçer. Toparlama zamanları büyüktür (25 µs) Çok yüksek akım gerilim değerlerinde yapılabilirler (kv, ka) Şebeke frekanslı uygulamalarda doğrultucu olarak kullanılmaktadır. Akım ve gerilim kapasitelerinin arttırılması için seri ve paralel bağlanabilir.

4 Ters Toparlama: Diyot ters yönde polarmalandırıldığında elektron ve oyukların toparlanmalarından akımın hemen sıfıra düşemez ve dalgalanır. Buna ters toparlama, bu süreyede ters toparlama zamanı denir. Bu anda akan akım ters toparlama akımıdır. Düşük frekansta bu önemsiz iken yüksek frekansta bu oldukça önemlidir. Anahtarlama kayıplarını arttırır, daha yüksek gerilimli diyotlar kullanımamızı gerektirir ve endüktif yüklerde gerilim sıçramalarına neden olur

5 Hızlı Diyotlar trr değerleri 0,5µs civarındadır. Çok osilasyonlu çalışırlar. Bu osilasyon çıkış gerilimine yükseltilerek aktarılır.

6 Yumuşak Toparlamalı (Fast Recovery) Diyotlar Birkaç yüz volt birkaç yüz amper değerlerinde üretilebilirler Ters toparlama zamanıµs den düşük diyotlardır. Osilasyonu azaltılmış hızlı diyotlardır. Yüksek frekans devrelerinde kullanılır. İletim durumundaki gerilim düşümü yüksektir (2-3V). Schottky Diyotlar İleri yön kutuplama gerilimi (gerilim düşümü) düşüktür (0,3V gibi) 150V değerlerine kadar üretilebilmektedir. Yumuşak toparlamalı ve güç diyotlarından daha düşük verimlidir. Düşük gerilimli, yüksek akımlı yüksek frekans uygulamalarında (SMPS gibi) kullanılır.

7 Bazı hızlı diyotlarının karakterisitikleri:

8 Avalanche Diyotlar Belli bir değerden sonra iletime geçen diyotlardır. Radyo haberleşme devrelerinde kullanılırlar. Zener Diyotlar Üzerinde istenilen gerilimi tutabilen diyotlardır.

9 Tristör (SCR) Tristör gate sinyali ile kesime götürülemez.

10 Tristör (SCR) 1956 da tristörün keşfi ile güç elektroniğinin gelişimi başlamıştır. Dört bileşimli üç uçlu bir elemandır. İleri yönde polarmalandırılmış iken gate inden bir akım darbesi geçirilmesi ile iletime geçer. İletimdeki gerilim düşümü 1-3V dur. İletime geçtikten sonra gate akımı kesilse bile iletime devam eder. Bu nedenle iletimdeki güç kaybı daha azdır. Negatif gerilimi bloke edebilir. Tristör gate sinyali ile kesime götürülemez. Ters polarmalı iken diyot gibi çalışır, negatif gerilimi bloke eder ve sadece sızıntı akımının akmasına izin verir (sızıntı akımı sıcaklıkla artar). Ters yönde sınır değer aşılırsa delinir ve akımı bloke edemez. İleri yönde polarmalandırılmış iken gate akımı uygulanmışsa yine sadece sızıntı akımı akar. Ancak ileri yön anma gerilimi aşılırsa tristör gate akımı olmasa da iletime geçer.

11 Tristör (SCR) Tristörün iletim şartları: Doğru polarmalandırılacak Tutma akımı geçecek Yukarıdaki şartlar gerçekleştiği sürece tristör iiletimdedir. Bu nedenle DA da kullanımı zordur. Komütasyon devreleri gerektirir. AA da negatif alternans tristörü ters polarmalandırır ve tristör kesime gider buna hat komütasyonu denir. En yaygın kullanım alanı kontrollü doğrultucular (Line Commutated Rectifiers) dır. 6kV-4kA değerelerine kadar üretilebilmektedir. 1kHz e kadar kullanılabilmektedir. Gate akımı yerine ışık darbeleri ile sürülen tiplari da vardır İki yönlü çalışabilen tristöre (ters paralel bağlı iki adet tristör) Triyak denir.

12 Tristör (SCR) Bir fazlı yarım dalga kontrollü doğrultucu uygulaması Tristörü kesime götürmek için Ia akımının ters çevrilmesi gereklidir. Bu alternatif akımda negatif alternansta kendiliğinden gerçekleşir (doğal vaya hat komütasyonu). Yada ek devreler ile Ia akımı ters çevrilir (Zorlamalı komütasyon)

13 GTO (Kapıdan Tıkanabilen Tristör) Tristör ile aynı özelliklere sahiptir. Farklı olarak gate den geçirilecek negatif yönlü bir akım ile kesime götürülebilir.

14 GTO (Kapıdan Tıkanabilen Tristör) Tristör ile aynı özelliklere sahiptir. Negatif gerilimi bloke edebilir. Farklı olarak gate den geçirilecek negatif yönlü bir akım ile kesime götürülebilir. Ancak kesime götürmek yinede zordur. Negatif gate akımı kataloglarda belirtilen kesme zamanı boyunca akmalı ve büyük bir genliği olmaldır (GTO akımının üçte biri kadar). İletim durumu gerilimi tristörden yüksektir. 4,5kV, 1-2kA değerlerinde üretilebilir. En yüksek akım gerilim değerlerine sahip kontrol edilebilen yarı iletken anahtardır. 10kHZ ye kadar kullanılabilmektedir. Endüktif devrelerde snubbersız kullanılamazlar.

15 Transistör (BJT) I C İletim Kesim V CE Base akımı ile iletim ve kesim durumu kontrol edilebilir. Ters gerilimi bloke edemez. İletim durumunda VCE gerilimi 1-2V civarındadır. 1000A-1400V değerlerine kadar bulunmaktadır. Base ucuna bir direnç bağlanır. Base akımı olduğu sürece iletimdedir ve bu durum özellikle çok sayıda transistör varsa güç kaybına neden olur.

16 Transistör (BJT) Base akımının değeri ile I C kontrol edilir. Üç konumu vardır: 1- Ib=0, Ic=0 Kesim 2- Ib=,değişken Ic=değişken Yükseltme 3- Ib=,değişken Ic=sabit Doyum (veya iletim) Güç elektroniği uygulamalarında 1 ve 3 nolu konumlarında kullanılmaktadır. (Base akımının yeterince büyük bir değerinde IC I B > β kollektör akımının tamamını iletir β=da akım kazancı)

17 Transistör (BJT) Base sürme devreleri pahalı ve karmaşıktır. Daha yüksek akım değerleri için transistörler Darlington bağlanmaktadırlar.

18 MOSFET Yüksek frekanslarda (1MHz e kadar) çalışabilir V-100A, 1000V-10A değerlerinde üretilebilir. Transistör gibi 1 ve 3 konumlarında kullanılır.

19 MOSFET Gerilim kontrollü bir elemandır. Yeterli bir VGS gerilimi (+12, +15V) ile tümüyle iletimde ve VGS eşik değerin altında iken açık bir anahtar gibi kesimdedir. Gate sürücü devreleri basittir. Küçük transistör veya sürücü entegreleri ile sürülebilir.

20 MOSFET İletim anında R DS direnci büyüktür ve tutma gerilim değeri ile artar. Bu özelliği kayıplarını artırarak ve güç değerlerini sınırlandırmaktadır. Büyük R DS direnci nedeniyle güç kayıpları fazladır. Oluşan yüksek ısı nedeniyle küçük yapılamamaktadırlar. Gate ucuna direnç bağlamaya gerek yoktur. Yüksek frekanslı sürme sinyalinden dolayı giriş kapasitansı oluşu ve bu kapasitans anahtarlamayı zorlaştırır, anahtarlama frekansını düşürür. Boyutları ile giriş kapasitansı doğru orantılıdır. Akım değerlerinin arttırılması için paralel bağlanabilirler.

21 MOSFET Bazı ticari güç MOSFET lerinin karakteristikleri

22 IGBT Transistör ve MOSFET in iyi özelliklerinin toplamıdır: -Gate devresi MOSFET e benzer, gerilim kontrollüdür ve sürmesi kolaydır. Transistörün base direnci nedeniyle oluşan güç kaybıortadan kaldırılmıştır. -İletim anındaki kollektör-emiter gerilimi (gerilim düşümü) transistörler gibi 2-3V gibi düşük değerdedir, MOSFET lerde büyük RDS direncinden dolayı oluşan yüksek iletim kayıpları ortadan kaldırılmıştır.

23 IGBT Ters gerilimi bloke edebilirler. Gerilim kontrollüdür. Gate ucu yüksek empedanslıdır ve düşük bir sinyal gerektirir. Yüksek frekanslarda IGBT nin resetlenebilmesi için yukarıdaki gibi gate sinyalleri ile sürülmesi daha uygundur.

24 IGBT sürücü entegreleri vardır. IGBT Maksimum anahtarlama frekansları 20-30kHz civarındadır. 1700V-1200A, 3300V-1200A değerlerinde yapılabilir. 1000V luk bir elemanda iletimdeki gerilim düşümü 2-3V gibi düşük bir değerdedir. MOSFET lerden yavaş olmalarına rağmen transistör, GTO ve tristör den hızlıdır. Günümüzde güç elektroniği uygulamalarında en popüler anahtarlama elemanıdır.

25 IGBT (a) (b) (a) Modül IGBT (b) M57962L IGBT sürücü (hybrid) (c) Sürücüleri üzerine monte edilmiş IGBT modüller (c)

26 MCT (Mos Kontrollü Tristör) MCT nin a) devre sembolleri, b) i-v karakterisitiği c) idealleştirilmiş karakteristik

27 MCT (Mos Kontrollü Tristör) Yaklaşık 10 yıldır piyasadadır. GTO ya benzer ancak gate i gerilim kontrollüdür. Sürülmesi kolaydır. Kesime gitmek için yüksek negatif akımlara ihtiyaç duymaması ve yüksek frekanslarda çalışabilmesi GTO ya göre başlıca iki üstünlüğüdür. Ancak güç değerleri daha düşüktür. Akım gerilim değerleri ve maksimum anahtarlama frekansı IGBT den küçüktür.

28 Kontrol Edilebilen Yarıİletken Anahtarların Özellikleri Eleman BJT MOSFET GTO IGBT MCT Güç orta düşük yüksek orta orta Frekans orta yüksek orta orta orta

29 Base/Gate Sürücü Devreleri Kontrol devresi (düşük güçlü elektronik devreler)ile anahtarlar (yüksek güçlü) arasındaki arabirimdir. Görevleri: Kontrol sinyalini güç anahtarını sürebilecek seviyeye yükseltmek Lojik devre (kontrol devresi) ile güç anahtarı arasında izolasyon sağlamaktır. Sürücülerin karmaşıklığı ve fiyatları anahtarlara göre farklıdır. Örneğin MOSFET/IGBT sürücüleri basit ve ucuz olmalarına rağmen GTO sürücüsü karmaşık ve pahalıdır.

30 Base/Gate Sürücü Devreleri Basit Bir MOSFET Sürücüsü: MOSFET in iletime geçmesi için V GS =+15V, kesime gitmesi için ise V GS = 0V olmalıdır. LM311 open collector çıkışlı (Q 1 ) basit bir Giriş 1 iken Q 1 iletimdedir ve V GS ground a çekilir ve MOSFET kesime gider. Giriş 0 iken Q 1 kesimdedir ve V GS a V GG ye çekilir ve MOSFET iletime geçer.

31 Base/Gate Sürücü Devreleri Tristörler için Gate Sürücüsü Pals transformatörü izolasyon için kullanılır. R 1 gate akımını sınırlandırır. Normalde 10µs süresince uygulanan 50mA lik bir darbe tristörü iletime sokmak için yeterlidir. Ancak uygulamada tam iletimin sağlanabilmesi için genellikle arda arda gelen palsler kullanılmaktadır Yukarıdaki devre ile tristörü kesime götürmek mümkün değildir.

32 Base/Gate Sürücü Devreleri Tristörler için Gate Sürücüsü Pals transformatörü izolasyon için kullanılır. R 1 gate akımını sınırlandırır. Normalde 10µs süresince uygulanan 50mA lik bir darbe tristörü iletime sokmak için yeterlidir. Ancak uygulamada tam iletimin sağlanabilmesi için genellikle arda arda gelen palsler kullanılmaktadır Yukarıdaki devre ile tristörü kesime götürmek mümkün değildir.

33 Base/Gate Sürücü Devreleri Güç anahtarlarında oluşan hasarların kontrol devresine de zarar vermesini önlemek için iki devrenin birbirinden izolaleli olması gereklidir. Genellikle aşağıda gösterilen opto-coupler lar veya yüksek frekanslı manyetik devreler (tristör sürücülerindeki pals transformatörleri gibi) kullanılır. Pekçok sürücü entegresi izoleli olarak üretilmektedir (yani bünyesinde opto-coupler bulundurmaktadır. Örneğin Toshiba TLP250 ve TLP350, Hewlett-Packard HP 3150 ve POWEREX M57962L (IGBT driver) gibi...

34 Aşağıdaki uygulama örnekleri için en uygun güç anahtarını seçiniz. Seçiminizi etkileyen faktörleri belirtiniz Evirici uygulaması, hafif raylı sistem lokomotifinde kullanılmakta ve 750 V DA ile beslenmektedir. Lokomotif gücü 150kW dır. İndüksiyon motoru 0-200Hz arasında çalışmaktadır. Anahtarlama frekansıda 10kHz e kadardır. Telekomünikasyon sistemi için anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS) geliştirilecektir. Giriş gerilimi maksimum 100V, minumun 200A üretebilen güneş panellerinden sağlanacaktır. Anahtarlama frekansı 100kHz den yüksek olmalıdır. Bir AA sistemden başka bir AA sisteme 300 MW güç taşıyacak bir yüksek gerilimli DA (HVDC) iletimi sistemi tasarlanacaktır. Her iki AA sistem 50Hz, 230kV rms hat gerilimi değerlerine sahiptir ve DA gerilim 200kV olacaktır.

35 Anahtarlarda Meydana Gelen Kayıplar Yarıiletken anahtarlarda meydana gelen kayıplar iletim kayıpları ve anahtralama kayıpları olarak ikiye ayrılır. İletim kayıpları yarı iletkenin iç direncinden ve iletim anında üzerinde düşen gerilimden kaynaklanır ve buna müdahale şansımız yoktur. Anahtarlama kayıpları kesimden iletime ve iletimden kesime geçerken gerçekleşir. Sıfır akım yada sıfır gerilimde anahtarlama yaparak anahtarlama kayıpları minumuma indirilebilir. Bunun için konvertör devresine bir (seri veya paralel) rezonans devresi eklenerek rezonans anında akım veya gerilimin sıfır anı yakalanarak bu anda anahtarlama yapılmalıdır. Anahtarlama frekansı arttıkça açma-kapama (iletim-kesim) sayısı dolayısıyla anahtarlama kayıpları artar. Anahtarlama kayıpları sistemin verimini düşürür. Bu kayıplar yarı iletken anahtarlar üzerinde ısı olarak ortaya çıkarlar. Bu ısı anahtar üzerinden uzaklaştırılmaz (jonksiyon sıcaklığı ketaloglarda belirtilen seviyeye indirilmez) ise anahtarın güç kapasitesi düşür ve zarar görebilir.

36 Anahtarlarda Meydana Gelen Kayıplar İletim Kayıpları : Ideal anahtarların iletim anındaki gerilim düşümü (Von) sıfırdır. Bu anda anahtar üzerinden akan akım çok büyük olsa bile güç kaybı sıfır olur. Fakat gerçek anahtarlarda ör:bjt, IGBT, GTO, SCR, MCT iletim anında 1-3V gibi bir gerilim düşümü olur. MOSFET de meydana gelen gerilim düşümü R DS(ON) değerine bağlıdır.

37 Anahtarlarda Meydana Gelen Kayıplar İletim Kayıpları : Kayıplar bir periyot için anahtar üzerinde düşen gerilim (Von) ile anahtardan geçen akımın (Ion) çarpılması ile bulunabilir. İletim kayıpları düşük frekanslarda ve DA çalışmada daha önemlidir (toplam kayıplara oranı artar). Kesim anında da anahtar yüksek gerilimleri bloke etmektedir. İdeal olarak üzerinden hiç akım akmaması gerekirken gerçekte bir miktar sızıntı akımı geçebilir. Bu kesim anında da kayıpların oluşmasına neden olur. Ancak sızıntı akımları çok küçük olduğundan bu kayıplar genellikle ihmal edilmektedir.

38 Anahtarlarda Meydana Gelen Kayıplar Anahtarlama Kayıpları : İdeal anahtar Gerçek anahtar İletime veya kesime geçerken ideal anahtarda geçiş zamanı sıfırdır. Akım ve gerilim eş zamanlı anahtarlanmaktadır. Ancak gerçek anahtarlarda, anahtarların doğrusal olmayan yapıları nedeniyle geçiş zamanı sıfır değildir, akım ve gerilimin yükselmesi ve düşmesi zaman almaktadır. Anahtarlama kaybı anahtarlama periyodu boyunca akım ve gerilimin eşzamanlı değişiminden kaynaklanmaktadır.

39 Anahtarlarda Meydana Gelen Kayıplar Anahtarlama Kayıpları : Anahtar akım ve geriliminin çarpımı anahtar üzerinde harcanan gücün ani değerini vermektedir. Anahtarlama periyodu boyunca üretilen ısı enerjisi zamana göre gücün integrali ile bulunabilir (şekildeki boyalı alan). Ortalama güç kaybı iletime ve kesime geçerken oluşan kayıpların anahtarlama frekansı ile çarpımı kadardır. Bu nedenle anahtarlama frekansı arttıkça anahtarlama kayıpları da artar. Oluşan bu güç kaybı anahtarların kullanılabildikleri güç değerlerini sınırlandırır ve soğutucu devreler kullanılmasını gerektirir.

40 Anahtarlarda Meydana Gelen Kayıplar

41 Anahtarlarda Meydana Gelen Kayıplar İletime geçme zamanı boyunca anahtar üzerinde sıfırdan büyük akım ve gerilim değerleri bulunmaktadır t = t + t c( on) Bu süre boyunca anahtar üzerinde oluşan güç kaybı: c ( on ) ri W = 1 2 fv V d I 0 t c ( on ) Anahtar tamamen iletime geçtiğinde anahtar üzerinde sadece iletim kayıpları oluşur: Won Vd I0 t = t on >>t c(on), t c(off) on Kesim zamanı boyunca : t c( off ) W c( off ) = t = rv t V d fi I 0 t c( off )

42 Anahtarlarda Meydana Gelen Kayıplar Güç kaybının ani değeri p = v t T i T Anahtarlama frekansı f s için 1 P s = Vd I f s ( tc ( on ) + t 2 0 c ( off ) ) Anahtar iletimde iken; Pon = VonI 0 t T on s

43 Anahtarlarda Meydana Gelen Kayıplar Verim ve Anahtarlama Frekansı: Yukarıdaki ifadededen ortalama anahtarlama kaybı: P = W sw tot f sw Toplam konvertör kaybı: P = P + P + W loss cond fixed tot f sw Burada P cond, iletim kayıpları, P fixed ise yükten ve anahtarlama frekansından bağımsız olan sabit kayıplardır. Anahtarlama kayıplarının diğer konvertör kayıplarına eşit olduğu değere kritik frekans denir. f kritik = P cond + W tot P fixed Kritik frekans değerine kabaca anahtarlama frekansının üst değeri olarak kabul edilebilir. Bu değerden büyük anahtarlama frekanslarında (f sw >f kritik ) verim hızlı biçimde düşmektedir.

44 Anahtarlarda Meydana Gelen Kayıplar f kritik = P cond + W tot P fixed Kritik frekans değerinden büyük anahtarlama frekanslarında (f sw >f kritik ) verim hızlı biçimde düşmektedir.

45 Snubber (Söndürme) Devreleri Basit bir anahtarın kesim anı PCB ve iletkenler kaçak endüktanslara (L s ) neden olurlar. Kirchoff un Gerilimler kanununa göre: Kesim anında di/dt negatif olacağından:

46 Snubber (Aşırı Gerilim Bastırma) Devreleri Yukarıdaki eşitlikten kısa bir an için bile olsa anahtar uçlarındaki gerilimin besleme geriliminden büyük olduğu görülmektedir. Eğer bu aşırı gerilim darbesi anahtarın maksimum gerilim değerini aşarsa anahtar aşırı geriliminden zarar görür. Bu durumu engellemek için snubber devreleri kullanılır. Yandaki şekilde gösterilen RCD snubber devresi Snubber devresi geçişi yumuşatır ve anahtar geriliminin yükselmesini yavaşlatır. Gerçekte yüksek gerilim darbesini söndürerek güvenli değerleri aşmasını engeller. Anahtarlar ve diyotlar snubber devrelerine ihtiyaç duyarlar.

47 Snubber Devreleri Aşağıda belirtilen işlemlerle devre elemanlarini korumak için kullanılırlar: Kesim durumuna geçiste devre gerilimlerini sınırlandırmak, İletim durumuna geçiste devre akımlarını sınırlandırmak, Yarı iletken elemanların (di/dt) akımlarının artış oranlarını eleman iletim durumunda iken sınırlandırmak Yarı iletken elemanlarin (dv/dt) gerilimlerinin artış oranlarını eleman kesim durumunda iken sınırlandırmak Elemanin açık/kapalı olma durumuna göre elemanın anahtarlama eğrisinişekillendirmek

48 Snubber Tipleri: Snubber Devreleri 1. Kutupsuz seri R-C koruma devreleri Diyot ve tristörü korumak için kullanılır 2. Kutuplu R-C koruma devreleri Kontrollü anahtarların iletim anahtarlama eğrilerini şekillendiren kesim koruma devreleri gibi kullanılır. Kontrollü anahtarların güvenli değerlerde çalışması için sabit gerilim uygulanmasını sağlayan aşırı gerilim koruma devreleri gibi kullanılır. dv/dt oranını eleman kesim durumunda iken sınırlar. 3. Kutuplu L-R koruma devreleri Kontrollü anahtarların kesim anahtarlama eğrilerini şekillendiren iletim koruma devreleri gibi kullanılır. di/dt oranı eleman iletim durumunda iken sınırlar.

49 Snubber Devreleri Ayrıca Snubber devreleri ayrı ve toplu olmak üzere iki grupta incelenebilir. Toplu snubber DA güç kaynağı uçları arasına merkezi koruma için bağlanırken ayrı snubber devreleri her IGBT ye bağlanır. Ayrı Snubber Devreleri Ayrı snubber devreleri çeşitleri aşağıda sıralanmıştır: RC snubber devresi Şarj ve deşarj RCD snubber devresi Deşarj-bastırma RCD snubber devresi Toplu snubber devreleri Bu tip snubber devrelerinin çeşitleri şunlardır: C snubber devreleri RCD snubber devreleri Toplu snubber devreleri devreyi basitleştirmelerinden dolayı gitgide daha popüler olmaktadır.

50 Snubber Devreleri Ayrı snubber devreleri

51 Snubber Devreleri Toplu snubber devreleri