Pratik Uygulama Konuları

Pratik Uygulama Konuları

Power Electronics 1

Power Electronics 2

Akım ve Gerilim Ölçümleri

Akım Ölçümleri:

Güç elektroniği devrelerinde akım ölçümleri:

- Seri Direnç - Akım trafoları - Rogowski Bobini - Hall-etkili sensör

İle yapılabilmektedir.

Seri direnç ile yapılan ölçümde, akımın okunmasını istenen hatta seri devreden geçen akımı etkilemeyecek derecede küçük bir direnç eklenir.

Bu direncin üzerindeki gerilim okunarak geçen akım değeri bulunur.

Bu yöntem maliyet olarak düşük fakat elektriksel izolasyon sağlamaması dezavantajıdır.

Power Electronics 3

Akım Ölçümleri

Akım trafoları, yüksek akımı daha düşük bir akım değerine dönüştüren yapılardır. Genellikle 200A/5A, 1000A/5A gibi çıkışları sabit 5A aralığına indirir. Primer yüksek akımlı bir baraya monte edilir. Ölçüm yapılmadığı durumlarda sekonder uçları boş bırakılmaz, akımın dolaşabilmesi için kısa devre edilir. Aksi taktirde eleman zarar görür.

Power Electronics 4

Akım Ölçümleri

Rogowski bobini akım sensörleri, yapısı itibariyle manyetik olmayan hava aralığına eşdeğer bir çekirdek üzerine sarımış yapılan ve harici elektromagnetik etkiler için ekranlanmış toroidal bir sargıdır.

Buna göre üzerinden akım geçen bir iletken çevresinde akım yönüne dik bir manyetik alan üzerinde bulunan bir sargı uçlarında bir gerilim endükler. Hava çekirdekli bir sargıdaki bu gerilim, akımın türevi ile orantılıdır.

Power Electronics 5

Akım Ölçümleri

Manyetik alan içerisinde bulunan ve üzerinden akım geçen bir iletken boyunca gerilim (Hall gerilimi) oluşması olayına Hall etkisi denilmektedir.

Uygulamada akım ölçümleri genellikle Hall etkisinden faydalanılarak yapılan akım sensörleri tercih edilmektedir. Akım ve harmonik bileşenleri kayıpsız ve faz gecikmesiz bir şekilde ölçebilmesi ve elektriksel izolasyon sağlaması en önemli avantajlarındandır. Maliyet ise dezavantajı olarak karşımıza çıkar.

Power Electronics 6

Akım Ölçümleri

ACS 712 gibi daha uygun fiyatlı hall etkili lineer amplifikatör yapılarıda mevcuttur. Son zamanlarda popüler olarak kullanılmaktadır.

Power Electronics 7

Akım ve Gerilim Ölçümleri

Gerilim Ölçümleri:

Güç elektroniği devrelerinde gerilim ölçümleri:

- Direnç ile gerilim bölücü - Gerilim trafoları

- Hall-etkili sensör

İle yapılabilmektedir.

Direnç ile yapılan ölçümde, gerilim yüksek ise dirençli gerilim bölücü kullanılarak ölçülebilecek seviyeye düşürülür. Bu yöntem maliyet olarak düşük fakat elektriksel izolasyon sağlamaması dezavantajıdır.

Gerilim trafoları, ile gerilim ölçülebilecek seviyeye düşürülebilir. Bu durumda kullanılacak trafonun primer ve sekonder tarafında faz farkı getirmemesi önemlidir. Aynı zamanda harmonik bileşenleri bastırmaması önemlidir. DC gerilim ölçümünde kullanılamaz. Elektriksel izolasyon sağlamaktadır.

Power Electronics 8

Gerilim Ölçümleri

Uygulamada akım ölçümleri genellikle Hall etkisinden faydalanılarak yapılan gerilim sensörleri tercih edilmektedir. Gerilim ve üzerindeki harmonik bileşenleri kayıpsız ve faz gecikmesiz bir şekilde ölçebilmesi ve elektriksel izolasyon sağlaması en önemli avantajlarındandır. Maliyet ise dezavantajı olarak karşımıza çıkar. DC gerilimde kullanılabilir.

Power Electronics 9

Akım ve Gerilim Ölçümlerinde Optik Amplifikatörler

Direnç ile yapılan akım ve gerilim ölçümlerinde, elektriksel izolasyon sağlamak üzere optik amplifikatörler kullanılabilir.

Bu amaçla HCPL 7480 serisi örnek olarak verilebilir. Özellikle gerilim ölçümünde düşük maliyetli bir çözüm sunabilir.

Kapı sürücü devrelerinin temel fonksiyonu:

Yarıiletkeni, kontrol devresinde gelen komutlara göre açıp kapamak için gerekli kapı sinyallerini üretir.

Kapı sürücü devrelerinin diğer fonksiyonları:

• Anahtarla zamanını azaltmak

• Anahtarlama kayıplarını azaltmak ve verimliliği artırmak

• Konvertör devresinin koruma ve güvenliğini sağlamak

Genellikle hazır entegre devreler(IC) veya üretici firmalar tarafından sağlanan sürücü devreleri kullanılır.

Sürücü Devreleri

Kapı Sürücü devrelerinde elektriksel izolasyon

• Kapı sürücü devreleri genellikle güç katı ve kontrol devresi

arasında elektriksel izolasyonu sağlar.

• Elektriksel izolasyon iki yolla sağlanır.

o Optical

-Optocoupler, fiber optik o Manyetik

-Transformatör

Bir optocoupler devresi

E R

U

U

R

I

I

LED

Photo transistor

Tipik Tristör Kapı Sürücü devresi

T M R

R

R

V

V

V D

V D

V D

R

+ E

+ E

I n p u t f r o m

c o n t r o l c i r c u i t

Tipik GTO Kapı Sürücü devresi

O t

O t u _G

i_G

5 0 k H z 5 0 V

G T O

N ₁

N ₂ N ₃

C ₁ C ₃

C ₄

C ₂ R ₁

R ₂

R ₃ R ₄ V ₁

V ₃ V ₂ V D ₁ L

VD2

V D ₃

V D ₄

M57962L integrated driver chip

IC kullanan bir IGBT Kapı Sürücü devresi

Error 13 indicating Sensing V_CC

Interface circuit

Turn-off circuit Timer and reset circuit

Detection circuit

4 1

5

8 6 14

13

u_o

V_EE

8 1

5 4

6 - 10V

+15V +5V 30V

M57962L 14

u_i

1

Fast recovery diode t_rr¡Ü0.2s 4.7k

3.1

100F 100F

Power Electronics 15

Güç Elektroniği Devrelerinde Koruma (Protection)

Sigortalar (Fuses): Güç elektroniği devrelerinde aşırı akım veya kısa devre durumlarında elemanların zarar görmemesi için çeşitli değer ve hızlarda tepki veren sigorta yapıları kullanılır.

Power Electronics 16

Güç Elektroniği Devrelerinde Koruma (Protection)

PTC (positive temperature coefficient) ile aşırı akım koruma: Güç elektroniği devrelerinde başlangıçta aşırı akım veya kısa devre durumlarında elemanların zarar görmemesi için hatta seri PTC yapıları kullanılır. Devrenin maksimum çalışma akımında değeri belirlenir. Akım bu değeri üzerine çıktığı durumda üzerindeki sıcaklık artar ve direnç değeri yükselir çekilen akım düşer. Sigorta gibi tamamen devreden çıkmaz bu nedenle resetlenebilir sigorta gibi davranır.

Ayrıca bir diyot doğrultucu yapının çıkışında kapasitör bulunduğu durumda, AC tarafa eneji uygulandığında, kapasitör başlangıçta boş olduğundan çok yüksek akımlar (inrush current) çekecektir. Bu da sigortaların gereksiz yere atmasına yada kapasitörün zarar görmesine neden olur. AC girişe eklenecek PTC ile bu başlangıçtaki akım sınırlandırılır.

Power Electronics 17

Güç Elektroniği Devrelerinde Koruma (Protection)

Varistör (MOV) ile gerilim dalgalanmalarından koruma (voltage surge protection):

Gerilimde bazen şebekeden kaynaklı yada devre üzerindeki anahtarlama elemanından dolayı anlık olarak yükselmeler olabilir. Bu durumda devrenin zarar görmesini engellemek için girişe yada anahtarlama elemanına paralel olarak bir varistör bağlanır. Gerilim değeri çalışma voltajını geçtiğinde direnci hızlı bir şekilde düşerek akım çekmeye başlar ve gerilimin daha da yükselmesi engellenir.

Hard-switching

a) Turning-on b) Turning-off

Sert anahtarlama durumunda akım, gerilim ve kayıp güç

Sert ve Yumuşak Anahtarlama (Hard-Soft Switching)

t

u

i u i

t

u i

i u

t

p

t

p

O

O

O

O

Soft-switching

a) Turning-on b) Turning-off

Yumuşak anahtarlama durumunda akım, gerilim ve kayıp güç

Sert ve Yumuşak Anahtarlama (Hard-Soft Switching)

t

u i

u i

t

u i

i u

t

p

t

p

O

O

O

O

Sıfır Gerilimde Anahtarlama (ZVS—Zero-voltage switching)

• Anahtar turn-on durumuna geçerken akım artmadan önce voltajın sıfıra düşürülür.

Sıfır Gerilimde Anahtarlama (ZCS—Zero-current switching)

• Anahtar turn-off durumuna geçerken gerilim artmadan önce akım sıfıra düşürülür.

Yumuşak Anahtarlama Türleri

• ZVS QRC

• ZCS QRC

• ZVS MRC (multi-resonant converter)

• Resonant DC link converter

Basic switching cells for QRC

S

V D

L _r L

C _r

S V D

L _r L

C _{r 1}

C _{r 2} S

L _r C _r

V D

L

a ) Z V S Q R C b ) Z C S Q R C c ) Z V S M R C

ZVS QRC

t_o ~ t1 t₁ ~ t₂

S u_S (u_Cr)

i_S i_Lr u_VD

t₀t₁ t₂ t₃t₄ t₆ t₀

t

t t

t

t t₅

O O O O O U _i

C _r S

VD _S

L _r

VD

L

C A

R

C _r U _i

+ u_Cr I_L

A C _r

U _i

+ u _Cr i_{L r}

Phase-shift full-bridge ZVS PWM converter

Circuit

S ₁

S ₂

S ₃

S ₄ C _S1

C _S4 C _S2

C _S3

VD ₂ VD ₁ L _r

L

A B

U _i

u _R

C R

+ -

S ₁

S₃ S₄ S ₂

u_{A B}

u_{L r}

i_{L r}

u _{T 1}

u_R

i_{V D 1}

i_{V D 2} i_L

t₀ t₁ t₂ t₃t₄t₅ t₆ t₇ t₈t₉ t₀

t₉

t₈ t

t t t t t t t t t t t

O O O O O O O O O O O O

Phase-shift full-bridge ZVS PWM converter

Equivalent circuit during

t₁ ~ t₂

Equivalent circuit during t₃ ~ t₄

i_{L r} i_L

k_T : 1 C _S1

S ₄

L _r L

VD ₁ U _i

U _o +

C _S2 VD _S2

A R

i_{L r}

i_L C _S3

S ₂ L _r

VD ₁ L U _i

U _o +

C _S4

VD _S3

VD ₂

B R

Power Electronics 25

Snubber Devreleri

Yarıiletkenleri aşağıdaki durumlar için korur:

• turn-off durumda eleman üzerindeki gerilimin aşırı yükselişini sınırlandırır.

• turn-off durumda dv/dt parametresini sınırlandırır.

• turn-on durumda eleman üzerinden geçen akımı sınırlandırır.

• turn-on durumda di/dt parametresini sınırlandırır.

• turns on/off durumunda anahtarlama eğrisini

keskinleştirir, anahtarlama kayıplarını düşür.

Devre

Anahtarlama eğrisi

Snubber Devreleri

R _i

V D

L V

T u r n - o n s n u b b e r

T u r n - o f f s n u b b e r L _i

V D _i

R _s

C _s

VD s

t

u_CE i_C

O

without turn-on snubber

with turn-on snubber

with turn-off snubber without turn-off snubber

u_CE i_C

A

D

C B w i t h o u t t u r n - o f f s n u b b e r

wi t h t u r n - o f f s n u b b e r

1 - 3 9 图

u _{C E} i_C

O

Snubber Devreleri

L

T u r n - o f f s n u b b e r

L

T u r n - o f f s n u b b e r

L o a d L o a d

E

R

C

E

R

C

V D

Power Electronics 28

Mekanik Tasarım

 DC Hattaki parazitik endüktanslardan (stray inductances ) dolayı IGBT kapanması esnasında gerilim yükselmeleri (voltage overshoots) oluşur.

 Bu gerilim yükselmeleri DC hat voltajının üzerine ekleneceğinden V_CE > V_CEmax değerinin üzerine çıkabilir ve IGBT modülünü bozabilir.

 Düşük L_stray ile bu gerilim yükselmeleri önemli ölçüde azaltılabilir.

Düşük Endüktanslı DC Hat Tasarımı (Low inductive DC-link design)

dt L di

v





link DC

overshoot

CE

v v

v  

 Mekanik tasarım DC-hat üzerindeki parazitik endüktansı önemli ölçüde azaltır.

 DC-hat baraları paralel olmalı

L_stray = 100 %

L_stray < 20 %

 Konnektörler ana akım yönünde olmalı

L_stray = 100 %

L_stray = 30 %

 Ayrıca yönlendirme de dikkate alınmalıdır.

+ - + -

L_stray = 100 %

L_stray = 80 %

 Kapasitörlerin paralellenmesi endüktans değerini azaltır.

L_stray = 100 %

L_stray = 50 %

+ -

+ - -

+

+-

- + -

+

IGBT Modüller

Kapasitör

Düşük Endüktanslı Çözüm

 Farklı Tasarımların karşılaştırılması

 Seri iki kapasitör

 Seri iki kapasitörün paralel bağlanması

+ -

- + -

+

+ - + - + -

IGBT Modüller

Kapasitör

+ + -

-

+ + +

Tipik Uygulama

 Düşük maliyetli çözüm

 DC hatta bağlı iki IGBT kolunun(arm) DC baraya düşük maliyetli olarak bağlanması.

Snubber Devresi

 Hızlı ve yüksek gerilimli bir kapasitör DC hatta paralel bağlanmalı

 Snubber kapasitörü IGBT modüle en yakın yere montajı yapılır.

Snubber Capacitors

IGBTs için Snubber devreleri