anahtarlama elemanları özet

GÜÇ ELEKTRONİĞİ Öğretim Gör Fatih AKOĞLU

1/13

GÜÇ ELEKTRONİĞİ ANAHTARLAMA ELEMANLARI Elektronik direnç kondansatör bobin vakum tüpleri ve yarı iletken gibi malzemelerle oluşturulan sitemleri inceleyen mühendislik dalıdır. Güç elektroniği ise temel olarak elektrik enerjisinin dönüşümünü ve kontrolünü inceleyen bilim dalıdır.

1950 li yıllarda germanyum ve silisyum yarı iletkenlerin bulunması elektronik adına yeni bir devrin açılmasını sağlamıştır. 1957 yılında ilk kontrollü yarı iletken güç doğrultucu elemanı olan tristör üretilerek güç elektroniği kavramı ortaya çıkmıştır. Daha sonra iki yönlü tristöre eş değer olan triyak üretilmiş ve 1960 larda yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır. 1974 te üretilen ilk mikroişlemcilerle güç elektroniği kontrolü hızlı gelişmeler geçirmiştir.1980 li yıllara kadar BJT GTO MOSFET, 1987 yılında ise kullanımı BJT ve MOSET in birleşimi şeklinde olan IGBT ler üretilmeye başlanmıştır


2/13

Yarı iletken elemanlar güç elektroniğinin vazgeçilmez elemanlarıdır. Fakat yarıiletken malzemelerin kullanılabilmesi için katkılama denilen bir olayın gerçekleştirmesi gerekmektedir. Saf yarı iletken malzemelere katkı atomu eklenerek malzeme karakteristikleri değiştirilir. 10 milyonda bir eklenmesine rağmen bu katkı maddeleri ile malzemen tüm elektriksel özellikleri değişebilir. N ve P tipi olmak üzere vazgeçilemez 2 katkılı madde vardır. Bu katkılı maddelerin birbirine farklı şekillerde birleştirilmesi ile bir çok yarıiletken eleman oluşturulur. DİYOT En basit yapılı kontrolsüz yarıiletken elemandır. İletim yönünde, eşik geriliminin üzerinde küçük değerli bir iç dirence sahip olan bir iletken gibidir. Kesim yönünde ise, delinme gerilimine kadar çok küçük sızıntı akımlar geçiren bir yalıtkan gibidir. Ud:Delinme Gerilimi UTO :Eşik Gerilimi Güç diyodu, Ud geriliminde tahrip olur ve iletken hale gelir. Yüksek ve sabit bir gerilim altında akımın sonsuza gittiği bu tür devrilmelere, genel olarak çığ devrilme denilmektedir. Çığ devrilmeye maruz kalan yarıiletken elemanlar, güç kaybından dolayı genellikle tahrip olur yani bozulurlar. Tahrip olan yarıiletken elemanlar ise, genellikle kısa devre olurlar. Güç diyotları, pozitif yönde akımı geçirmeleri ve ters yönde akımı tutmaları için, oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Normal, hızlı ve çok hızlı diyot türleri mevcuttur. Normal diyotlar, genellikle AC şebekeye bağlı doğrultucu ve AC kıyıcı devrelerinde kullanılmaktadır. Hızlı diyotlar ise, genellikle inverter ve DC kıyıcılarda kullanılmaktadır. Günümüzde Ters Toparlanma Süresi veya Sönme Süresi birkaç ns olan diyotlar üretilebilmektedir.


3/13


4/13

TRİSTÖR


5/13

Kapısına kısa süreli ve yeterli bir akım sinyali uygulanan tristör tetiklenir ve iletime girer. Kısa süreli bir sinyal ile iletime girdiği için tristöre Tetiklemeli Elemanda denmektedir. İletimdeki bir tristörün içinden geçen akım kilitleme akımına eriştiğinde, tristör iletimde olarak kilitlenir ve artık kapı akımı kesilse de iletimde kalır. İletimde olan bir tristörün içinden geçen akım herhangi bir şekilde tutma akımının altına düşerse, tristör otomatik olarak kesime girer. Bu andan itibaren en az sönme süresi kadar tristör negatif bir gerilimle tutulur veya tekrar bir pozitif gerilim (≥0,6 V) uygulanmaz ise, tristör kesimde olarak kilitlenir ve artık pozitif gerilim uygulansa da kesimde kalır. Bu nedenle, tristöre Kilitlemeli Elemanda denilmektedir. Tristörde iletime girme işlemi kontrollü olup, kesime girme işlemi kontrolsüzdür. Bu nedenle tristöre Yarı Kontrollü Elemanda denilmektedir. -Bir tristörün uçlarındaki gerilimin değeri bu tristörün sıfır devrilme gerilimi değerine erişirse, yani uT ≥UB0 ise, bu tristör kendiliğinden iletime geçer. -Bir tristörün uçlarındaki gerilimin yükselme hızı değeri bu tristörün kritik gerilim yükselme hızı değerine erişirse, yani

bu tristör kendiliğinden iletime geçer. -Yeni iletimden çıkan bir tristörün negatif gerilimle tutulma süresi bu tristörün sönme süresinden küçükse, yani

ise, bu tristör kendiliğinden iletime geçer.

Bu devrede, tristör, α anında kısa süreli bir sinyalle tetiklenir ve iletimde olarak kilitlenir. Tristör içerisinden akım geçtiği sürece iletimde kalır. Π anında akımın 0 olmasıyla, tristör kendiliğinden doğal olarak söner yani kesime girer. Yeni bir pozitif yarım dalgada yeni bir α Anında tekrar tetikleninceye kadar tristör kesimde kalır. Sonuç olarak, tristör, pozitif yarım dalgalarda ve α-π aralıklarında iletimde kalır ve sinüsoidal bir akım geçirir. α açıları değiştirilerek yükün gücü ayarlanabilir yani güç kontrolü yapılabilir. Bu devre, yarım dalga kontrollü bir doğrultucu olup, doğal komütasyonlu (akım yönünün değişmesi) bir devredir.


6/13

Bu devrede ise, yine kısa süreli bir sinyal ile iletime giren tristör, içerisinden geçen akım hiç kesilmeyeceğine göre, doğal olarak hiç iletimden çıkmaz ve sürekli akım geçirir. Ancak, ilave devre ve düzenlerle istenildiği zaman zorla söndürülebilir. Tristörün iletimde kalma oranı değiştirilerek güç kontrolü yapılabilir. Bu devre ise, bir DC kıyıcı olup, zorlamalı komütasyonlu bir devredir.


7/13

TRİYAK

Triyak ters-paralel bağlı iki tristöre eşdeğerdir. İki yönlü tristör de denir. Tetikleme ve montaj kolaylığı sağlar. Sadece AC uygulamalarda kullanılmak üzere üretilmektedir. Karakteristik eğriden görüldüğü gibi diyot, doğru yönde 0,7V’dan sonra kendiliğinden iletime geçerken, triyak ancak Vmax. gerilimine ulaşıldığında kendiliğinden iletime geçmektedir. Bu şekilde iletime geçme istenmeyen bir durumdur. Triyak’ın her iki yönde de normal olarak iletime geçebilmesi için uyarılması gerekmektedir. Ters yönde ise triyak yine Vmax gerilim değerine kadar güvenle yalıtımda kalacak (blokaj yapacak), bu değer aşılırsa ise iletime geçecektir. Tabii ki bu şekilde iletime geçme asla istenmez. Bu durumda, triyak’ın, doğru yönlü (A2+, A1-) gerilimde uyarılmaz ise blokaj yapan, uyarıldığı taktirde ise tam iletime geçen, doğru yönlü gerilim altında kontrol edilebilen, Ters yönlü (A2-, A1+) gerilimde ise yine uyarılmaz ise blokaj yapan, uyarıldığı taktirde ise tam iletime geçen, hem doğru hem de ters yönlü gerilim altında kontrol edilebilen, bir yarıiletken güç anahtarı olduğu görülmektedir. Triyak, bu özellikleriyle AC’de çalıştırılmak için uygun bir anahtar durumundadır. Fakat, triyak da SCR gibi içinden geçen akım sıfıra düşmedikçe yalıtıma geçememektedir.


8/13

BİPOLAR JUNCTION TRANSİSTÖR (BJT)


9/13

• Yük genellikle C ucuna bağlanır. Taban akımı daima E–B arasında geçer ve akımın yönü p’den n’ye doğrudur. Ana akım ile taban akımı daima aynı yöndedir. BJT’nin kollektör akımının (IC) miktarı, tamamen B-E arasından akıtılan akımın (IB) değerine bağlıdır • Transistörün çığ devrilmeye girmesi elemanı tahrip eder. • Transistorler kesimde iletimde ve doyumda olmak üzere 3 bölgede değerlendirilirler. Güç devrelerinde transistör ya tam iletimde(kalın çizgi üzerinde) ya da tam kesimde çalıştırılmalıdır. Buna Anahtarlama Elemanı olarak çalışma denilir. Tristörler doğal olarak böyle çalışır. • Transistörde giriş olduğu sürece çıkış vardır. Transistör bir Tam Kontrollü Elemandır. • Giriş akım, çıkış akımdır. • İletim gerilim düşümü veya iletim kaybı en düşük olan elemandır. • Anahtarlama güç kaybı en yüksek olan elemandır. • Alt bölgelerde karakteristikler paralel ve eşit aralıklıdır. Bu bölgede sabit kazançla akım yükseltme işlemi yapılabilir. Fakat güç devrelerinde bu yapılamaz.


10/13

• Karakteristik eğriden görüldüğü gibi diyot, doğru yönde 0,7V’dan sonra iletime geçerken, BJT ancak Vmax. gerilimine ulaşıldığında iletime geçer fakat bu şekilde iletime geçme istenmeyen bir durumdur. BJT’nin doğru yönde de normal olarak iletime geçebilmesi için uyarı verilmesi, yalıtıma geçirilebilmesi içinse uyarının çekilmesi gerekmektedir. • Ters yönde ise BJT asla çalışamaz, yani BJT’nin ters gerilim blokaj kabiliyeti yoktur. Bu durumda BJT’nin, doğru yönlü (C+, E) gerilimde, uyarılmaz ise blokaj yapan, tam uyarıldığı taktirde ise tam iletime geçen, doğru yönlü gerilim altında iletimi ve yalıtımı kontrol edilebilen, Ters yönlü (C-,

E+) gerilimde ise taktirde bozulan, tek (+) yönlü akım akıtan bir yarıiletken güç anahtarı olduğu görülmektedir. • BJT, bu özellikleriyle DC’de çalıştırılmak için uygun bir anahtar durumundadır. • BJT’nin bu özelliği sayesinde SCR’de kullanılan zorla susturma düzenekleri kullanılmaz METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSİSTÖR (MOSFET)


11/13

• Mosfet, tıpkı transistör (BJT) gibi, sadece “on” ve “off” olmak üzere iki durumu olmayan, ara durumlara da sahip olan bir yarıiletken anahtardır • Çoğalan tip Mosfet’ler güç elektroniği devrelerinde yarı iletken “anahtar” olarak kullanılmakta sadece “on” ve “off” durumlarında olması istenmektedir. • Giriş gerilim, çıkış akımdır. • Giriş akımı nanoamperler mertebesindedir. Ancak, gerilim sinyali ilk verildiğinde yüksek değerli bir şarj akımı çeker. Bu akımın karşılanmasına dikkat edilmelidir. Aksi halde hız düşer • En hızlıyarı iletken elemandır. İletime giriş 50-60 ns ve iletimden çıkış150-200 ns civarındadır. Anahtarlama kaybı en düşük olan elemandır. • Kapı dayanma gerilimi ±20 V’tur, genellikle sürme gerilimi olarak ±15 V kullanılmaktadır.

•Karakteristik eğriden görüldüğü gibi diyot, doğru yönde 0,7V’dan sonra kendiliğinden iletime geçerken, Mosfet ancak Vmax. gerilimine ulaşıldığında kendiliğinden iletime geçmektedir. • Bu şekilde iletime geçme istenmeyen bir durumdur. Mosfet’in doğru yönde de normal olarak iletime geçebilmesi için uyarı verilmesi, yalıtıma geçirilebilmesi içinse uyarının çekilmesi gerekmektedir. • Ters yönde ise E-Mosfet asla çalışamaz, yani E-Mosfet’in ters gerilim blokaj kabiliyeti yoktur. Ters gerilim verildiğinde BJT blokaj yapamayarak yanar

Mosfet’in bu özelliğisayesinde SCR’de kullanılan zorla susturma düzenekleri kullanılmaz.


12/13

INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR (IGBT)

MOSFET’in MOS kontrolü ve BJT’nin ana akım karakteristiğini birlikte taşıyan karma bir elemandır. Tek dezavantajı çıkış eşik geriliminin oluşudur. Ancak iç direnci çok küçük olduğundan, yüksek akımlarda yine avantajlı duruma geçer. Günümüzde IGBT ortanın biraz üzerindeki güç ve frekanslarda, en yaygın olarak kullanılan elemanlardır.

• BJT’nin iyi tarafı iletim iç direncinin düşük olması dolayısıyla da iletim kayıplarının düşük olmasıdır. Kötü tarafı ise anahtarlanma süresinin uzun olması dolayısıyla da anahtarlama kayıplarının yüksek olmasıdır. • Mosfet’in iyi tarafı anahtarlanma süresinin düşük, dolayısıyla da anahtarlama kayıplarının transistöre göre daha az olmasıdır. Kötü yanı ise iletim iç direncinin yüksek dolayısıyla da iletim kayıpları transistore göre daha fazla olmasıdır.


13/13

• IGBT’nin sadece “on” ve “off” durumları olmadığı ve ara durumlarda da yarı geçirgen olarak çalışabildiği için, güç elektroniği uygulamalarında IGBT’yi uyaracak olan gerilimin (VGE), elemanı tam olarak iletime geçirebilecek gerilimin seviyesinde olması gerekmektedir. • IGBT, özellikle yüksek gerilim ve akım altında hızlı olarak anahtarlanabilecek şekilde imal edildiğinden, yüksek gerilim ve akımda Mosfet’e göre avantajlı durumdadır.

Karakteristik eğriden görüldüğü gibi diyot, doğru yönde 0,7V’dan sonra kendiliğinden iletime geçerken, IGBT ancak Vmax. gerilimine ulaşıldığında kendiliğinden iletime geçmektedir. • Bu şekilde iletime geçme istenmeyen bir durumdur. IGBT’nin doğru yönde de normal olarak iletime geçebilmesi için uyarı verilmesi, yalıtıma geçirilebilmesi içinse uyarının çekilmesi gerekmektedir. • Ters yönde ise IGBT asla çalışamaz, yani IGBT’nin ters gerilim blokaj kabiliyeti yoktur. Ters gerilim verildiğinde IGBT blokaj yapamayarak yanar. • Bu durumda IGBT’nin, doğru yönlü (C+,

E-) gerilimde, uyarılmaz ise blokaj yapan, tam uyarıldığı taktirde ise tam iletime geçen, doğru yönlü gerilim altında iletimi ve yalıtımı kontrol edilebilen, • Ters yönlü (C-, E+) gerilimde ise asla çalışamayan, çalıştırıldığı taktirde bozulan, tek (+) yönlü akım akıtan bir yarıiletken güç anahtarı olduğu görülmektedir. • IGBT, bu özellikleriyle DC’de çalıştırılmak için uygun bir anahtar durumundadır. • IGBT’nin bu özelliği sayesinde SCR’de kullanılan zorla susturma düzenekleri kullanılmaz.

Documents

anahtarlama elemanları özet