Şekil 4.46
Gerilim ve akım dalga şekilleri
Transistörlerin iletime geçmeleri ve kesime gitmeleri için belirli süreler gerekir. Gecikme süresi td ve depolama süresi ts ihmal
edilirse, transistörün akım ve gerilim dalga şekilleri Şekil 4.46’daki gibi olur. İletime geçme sırasında, kollektör akımındaki artma oranı;
Kesime giderken, kollektör akımı azalırken kollektör-emiter gerilimi yükselir, yükselme hızı dv/dt;
di/dt ve dv/dt şartları transistörün anahtarlama özellikleri tarafından belirlenir. Hem iletim hem de kesime geçişlerde bu şartlara
uyulmalıdır. Bu oranların belirli değerler altında kalmaları için koruma devreleri gerekir. Şekil 4.47a’da di/dt ve dv/dt korumalı bir transistör anahtar gösterilmiştir. Devrenin dalga şekilleri de verilmiştir.
Transistör uçlarındaki RC devresi bastırıcı (snubber) devredir ve
dv/dt oranını sınırlar. Ls bobini de seri bastırıcı olarak bilinir ve di/dt oranını sınırlar.
Kalıcı durum için yük akımı IL’nin boşluk diyodu Dm üzerinden aktığını ve bu diyodun ters toparlanma süresinin ihmal edilecek
kadar kısa olduğunu varsayalım. Q1 transistörü iletime geçirildiğinde, kollektör akımı artarken Dm diyodunun akımı azalır. İletime geçme sırasında eşdeğer devre Şekil 4.48a’da gösterilir.
Şekil 4.47 di/dt ve dv/dt korumalı bir transistör anahtar
Bu esnada di/dt değeri;
Yukarıdaki denklemlerde LS değeri bulunabilir;
Kesime gitme sırasında Cs kondansatörü yük akımı ile doldurulur (eşdeğer devre Şekil 4.48b). Kondansatör gerilimi transistör uçları arasında görülür ve dv/dt artışı;
Şekil 4.48 Eşdeğer devreler
Yukarıdaki denklemlerden de Cs kapasitesi bulunur;
Kondansatör Vs gerilimine dolunca, boşluk diyodu iletime geçer. Ls bobininde biriken enerjiden dolayı, Şekil 4.48c’de gösterilen sönümlü bir rezonans devresi oluşur. Salınımları önlemek amacıyla, RLC
devresi kritik sönümlü yapılır. Kritik sönümlemenin (=1) olabilmesi için Rs direncinin aşağıdaki gibi olması gerekir;
Şekil 4.49
Bastırma kondansatörünün boşalma akımı
Cs kondansatörü transistör üzerinden boşalacağından, transistörün tepe akımı yükselecektir. Rs direncini Ds diyodunun uçları arasına değil de Cs kondansatörüne paralel bağlama, boşalmanın transistör üzerinden olmasına engel olur.
Boşalma akımı Şekil 4.49’da gösterilmiştir. Rs direncinin değerini seçerken boşalma süresi RsCs=s dikkate alınmalıdır. Anahtarlama periyodunun üçte biri boşalma süresi olarak genelde yeterlidir.
buradan Elde edilir.
Şekil 4.47’deki transistör bir kıyıcı olarak fs=10 kHz frekansla
çalıştırılmaktadır. Kıyıcınon DA gerilimi Vs=220 V, yük akımı IL=100 A, VCE(sat)=0 V olarak verilmiştir. Anahtarlama parametreleri td=0, tr=3 us, tf=1,2 us’dir. Kritik sönüm için; a)Ls, b) Cs, c) Rs değerlerini bulunuz d)Eğer boşalma süresi tepe değerinin, yük akımının %10’uyla
sınırlandırılması durumunda Rs değerini f) Ls bobinin Cs üzerine etkisini ihmal ederek RC bastırıcı devresinde harcanan gücü bulunuz.
Çözüm: Vs=220 V, IL=100 A, fs=10 kHz, td=0, tr=3 us, tf=1,2 us a. Ls=Vs tr/IL=2203/100=6,6 uH
b. Cs=IL tf/Vs=100 1,2/220=0,55 uF c. Rs=2(Ls/Cs)=2(6,6/0,55)=6,93
d. Rs=1/(3fsCs)=(10^3)/(3 10 0,55)=60,6 e. Vs/Rs=0,1 IL →220/Rs=0,1 100 → Rs=22
f. Ds’de harcanan güç ihmal edilerek; Ps=0,5 Cs (Vs^2) fs
=0,50,5510^(-6)220^21010^3=133,1 W
Gerilim kotarma yeteneklerini artırmak amacıyla transistörler seri bağlı olarak çalıştırılabilir. Böyle bir durumda transistörleri aynı anda iletime geçirmek ve aynı anda kesime götürmek çok önemlidir. Aksi takdirde iletime geçişte en yavaş olan eleman, kesime giderken de en hızlı
eleman kolektör-emiter devresindeki en yüksek gerilime maruz kalabilir ve bu yüksek gerilimden dolayı tahrip olabilir. Seri bağlanacak
elemanların kazançları, geçiş iletkenlikleri, eşik gerilimleri, iletimde üzerlerinde düşen gerilimler, iletime geçme süreleri ve kesime gitme süreleri aynı olmalıdır. Kapı veya baz sürme özellikleri de birbirine uyumlu olmalıdır. Seri bağlı diyotlarda olduğu gibi gerilim paylaşma devreleri kullanılabilir.
Yük için gerekli akımı bir transistör sağlayamıyorsa, yeteri kadar transistör paralel bağlanır. Akımın aralarında eşit dağılması için,
bağlanacak elemanların kazançları, geçiş iletkenlikleri, eşik gerilimleri, iletimde üzerlerinde düşen gerilimler, iletime geçme süreleri ve kesime gitme süreleri aynı olamlıdır.
Emitör uçlarına Şekil 4.50’deki gibi dirençler konularak, akımın
%55-%45 gibi yakın paylaşımı sağlanabilir.
Şekil 4.50’deki transistörler kalıcı durum için akım paylaşımına katkıda bulunurlar. Dinamik şartlarda eşit akım dağılımını sağlamak amacıyla Şekil 4ç51’deki gibi kuplajlı bobinle kullanılabilir. Eğer Q1’in akımı
artarsa, L1 bobinindeki L(di/dt) gerilimi artar ve L2 bobininde aynı gerilim ters işaretli olarak belirir. Böylece akımın bir kısmı Q2’ye
aktarılır. Bobinler gerilim darbeleri oluşturabilirler ve yüksek akımlarda hacimce büyük ve pahalı olabilirler.
BJT’leri sıcaklık katsayıları negatiftir. Paralel bağlı BJT’lerden akımı daha çok olan daha fazla ısınır, ısındıkça da akımı artar. Buna karşılık,
MOSFET’lerde sıcaklık katsayısı pozitiftir ve paralel çalışma daha kolaydır. Başlangıçta daha çok akım akıtan MOSFET daha hızlı
ısınacağından, iletimdeki direnci artar ve akım diğer MOSFET’lere dağılır. IGBT’lerde sıcaklık katsayıları kolektör akımıyla değişiklik gösterir ve uyumlu çalışma için daha fazla özen gerektirirler.
Toplam IT=20 A akımiçin Şekil 5.50’deki devrede iki MOSFET paralel bağlıdır. M1 MOSFET’inin savak-kaynak gerilimi VDS1=2,5 V, M2
MOSFET’inin VDS2=3 V’tur. Devredeki dirençler a) RS1=0,3 , RS2=0,2
olduğunda, b) RS1=RS2=0,5 olduğunda her bir transistörün svak akımını ve akım oranlarını bulunuz.
Çözüm:
a. …
b. …
• 4.13.2 MOSFET PSPICE Modeli
• 4.13.3 IGBT SPICE Modeli
Şekil 4.56. Hızlı iletime geçiren kapı devresi
MOSFET’lerin giriş empedansları çok büyük, kapı akımları nanoamper seviyesindedir. İletime geçme süresi giriş veya kapı kapasitesinin dolma süresine bağlıdır. İletime geçme süresi RC devresi ile kapı sığasını daha hızlı doldurarak kısaltılabilir. Kapı gerilimi uygulandığı zaman,
başlangıçtaki sığa doldurma akımı;
Kalıcı durumda kapı gerilimi;
Rs kapıyı süren kaynak iç dierncidir.
Güç transistörlerini anahtar olarak kullanımında, girişlerine uygun bir gerilim veya akım uygulanarak transistörlerin iletimde olması ve
üzerlerinde gerilim düşümünün küçük olması sağlanmalıdır. Kontrol gerilimi kapı-kaynak uçları arasına veya baz-emitör uçları arasına
uygulanır. Güç dönüştürücülerinde genelde çoklu transistörler çalışır ve her birinin ayrı ayrı sürülmesi gereklidir. Şekil 4.67a’daki eviricide Vs, DA kaynak gerilimini, G ise toprak ucunu göstermektedir.
Şekil 4.67b’deki devre dört tane darbe üretir ve c’de bu darbeler zaman içinde kaydırılarak DA’dan AA’ya güç dönüşümü sağlayacak anahtarlama sırası ve işlemi sağlanır. Ancak dört lojik darbenin
tamamının ortak ucu C’dir ve kaynak ortak ucu G’ye şekilde kesikli çizgilerle gösterildiği gibi bağlanabilir.
Devrede C ortak ucuna göre Vg1 gerilimine sahip olan g1 ucu kapı ucu olan G1’e doğrudan bağlanamaz. Vg1 sinyali M1 transistörünün kapı ucu G1 ve kaynak ucu S1 arasına uygulanmalıdır. Bu nedenle, lojik devre ile transistörler arasına yalıtım ve arayüz devrelerine ihtiyaç vardır.
Şekil 4.67
Tek fazlı köprü evirici devresi ve kapı sinyalleri
Şekil 4.68
Kapı ve toprak arasına uygulanmış kapı gerilimi Ancak, örnek devrede M2 ve M4 transistörleri, lojik devre çıkışları kapılar için gerekli gerilimle uyumlu ise, bu tür yalıtım ve arayüz devresi olmadan doğrudan sürülebilir.
Transistör kapı sinyalini kapıyla ortak toprak arasına uygulama yerine transistörün kapısı ve kaynağı arasına uygulamanın önemi Şekil 4.68 ile gösterilebilir. Şekilde yük direnci kaynak ve toprak arasına bağlıdır.
Kapı ve kaynak arasındaki gerilim;
Burada ID(VGS) savak akımı VGS gerilimine bağlı olacaktır. VGS’nin etkin değeri transistör iletime
geçince düşer ve kalıcı değerine erişir.
Kontrol veya kapı sinyalini toprağa Göre yüzer hale getirmenin veya Yalıtmanın iki temel yöntemi vardır;
1. Darbe trafosu kullanmak 2. Optokuplör kullanmak
4.17.1 Darbe Trafoları
Darbe trafolarının bir adet primer sargıları, bir veya daha fazla da sekonder sargıları bulunur. Çoklu sekonder sargıları sayesinde seri veya paralel bağlı transistörlere aynı anda sinyal uygulanması
mümkün olur. Şekil 4.69’da bir trafo yalıtımlı sürücü düzenlemesi gösterilmiştir. Trafonun kaçak endüktansının çok küçük olması
gerekir. Çıkışındaki darbenin yükselme süresinin de çok kısa olması gerekir. Uzun süreli darbe ve düşük anahtarlama frekanslarında trafo doyuma gider ve çıkışındaki darbe bozulur.
Şekil 4.69. Trafo yalıtımlı sürücü devre
4.17.2 Optokuplörler
Şekil 4.70. Optokuplor kapı yalıtımı
Optokuplörler kızılötesi ışık saçan diyot (ILED) ile bir silisyum
fototransistör içerir. Giriş sinyali ILED’e uygulanır, çıkış fototransistörden alınır. Fototransistörlerin yükselme ve düşme süreleri küçüktür; iletime geçme süreleri ton→2-5 us, ve kesime gitme süreleri toff→300 ns
mertebesindedir. Bu süreler anahtarlama frekansına bir üst sınır getirir.
Fototransistör için ayrı bir güç kaynağı gerekir ve devrenin karmaşıklığı ve maliyeti artar.