Güç Elektroniği Yarı iletkenleri

Güç Elektroniği

Yarı iletkenleri

• Forward blocking voltage, VDRM

• Reverse blocking voltage, VRRM

• Maksimum akım, Im

• İletim durumda ortalama ve rms , Iavg &Irms

• Maksimum çalışma frekansı, fmax

• Tek veya iki yönlü akım geçirebilme

• Anahtarlama zamanı, ts

• Açma ve kapama gereksinimleri

• Maksimum çalışma sıcaklığı, Tmax

• İletim durumunda voltaj düşümü, Vf

• dv/dt ve di/dt aralıkları

Güç elektroniği elemanlarının çalışma karakteristikleri

Güç Diyotları

Pasif bir anahtardır, Uygun şartlarda iletime girer (V>Vf),

Akım akışı kesildiğinde iletim sonlanır (Id=0).

Diyodun ters yönlü polarizasyonu

Diyodun doğru yönlü polarizasyonu

Ters Toparlanma Zamanı (Reverse Recovery Time), tr yada trr

Bir diyot ileri yönlü iletimi sonlandığında azınlık taşıyıcılarından dolayı kısa bir süre iletimde kalmaya devam eder. Yeterli miktarda Qr toparlanma yükü birikinceye kadar tr toparlanma zamanı boyunca ters yönde akım geçirir.

Bu fenomen kayıpları arttırmaktadır.

Üç tip Güç Diyodu vardır:

Genel Amaçlı Güç Diyotları

- Doğrultucu (Rectifier) uygulamalarında kullanılır (50/60Hz)

- İletim voltaj düşümü düşüktür (1V altı), Geniş ters toparlanma zamanı, trr (25 μs civarı )

- 6000 V, 4000 A değerlerinde üretilir Yüksek Hızlı Diyotlar

- 3000V, 1000A değerlerinde üretilir

- Çok küçük ters toparlanma zamanı (0.1μs - 5μs) - Yüksek frekans güç konvertörlerinde kullanılır.

Schottky Diyotlar

- İletim voltaj düşümü düşüktür (tipik olarak 0.3V)

- Çok küçük ters toparlanma zamanı, tipik olarak

nanosaniyeler

Bazı ticari diyotlar

Güç Diyodları

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

i^G : Kapı Akımı u^G : Kapı Gerilimi

I^GT : Tetikleme Akımı.

U^GT : Tetikleme Gerilimi I^GTM : Max. Kapı Akımı U^GTM : Max. Kapı Gerilimi u^B : Devrilme gerilimi

U^B0 : Sıfır Devrilme Gerilimi I^H : Tutma Akımı (mA)

I^L : Kilitleme Akımı (mA) ⇒ I^L > I^H U^d : Delinme Gerilimi

: Kritik Gerilim Yükseltme Hızı (V/μs) : Kritik Akım Yükseltme Hızı (A/μs) t^q : Sönme Süresi (μs)

Q^s : Taban Tabakalarında Biriken Elektrik Yükü (μAs)

U^DRM : Max. Periyodik (+) Dayanma Gerilimi ⇒ U^DRM < U^B0 U^RRM : Max. Periyodik (-) Dayanma Gerilimi ⇒ U^RRM < U^d I^TAVM : Sürekli Çalışmada Tristörün Max. Ortalama Akımı I^TEFM : Sürekli Çalışmada Tristörün Max. Efektif Akımı I^tmax/^{t:= 10 ms} : 10 ms için Tristörün Max. Akımı

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Kapı akımı uygulanmadığı durum için tristör, iki yönde de iletime izin vermeyen üç tane seri bağlı diyot gibidir. Ters yönde kutuplanma durumunda diyotla aynı davranışı sergiler. İleri yönde kutuplamada yani anot pozitif iken, merkezdeki kontrol jonksiyonunun delinme gerilimi asılmadıkça sadece kaçak akım akar.

Delinme gerilimleri iki yön için de aynıdır.

İleri yönde kutuplamada gerilim oluşursa tristör, iki jonksiyonlu diyot gibi çalışır ve diyotun iki katı gerilim düşümü olur.

Tristör’ün iletimde kalabilmesi için anot akımının kilitleme akımı (latching)

seviyesini aşması ve tutma akımı (holding) seviyesinin altına düşmemesi gerekir.

Şekilde görüldüğü gibi ileri yönde kutuplanmış tiristöre Ig kapı akımı uygulanırsa tiristör iletime geçer.

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Tristörü söndürmek için (kesim) anot akımı seviyesinin altına düsürülmeli ve tristör kontrol jonksiyonunun tıkama durumuna geçmesine kadar geçen bir sürede ileri yönde gerilim uygulanmamalıdır. Bu amaçla tristöre şekilde görüldüğü gibi harici bir devre tarafından ters yönde akım geçmesi sağlanır. Akımın süresi genelde 10 ila 100 μs arasındadır.

Anot akımı kilitleme akımı seviyesini geçer ve tutma akının altına düşmezse tristör iletimde kalır ve bu andan itibaren de kapı akımı kaldırılabilir.

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Trisitörün kapı(gate) ucu gereklilikleri:

• Tristörlere uygulanacak minimum kapı akım ve gerilim seviyesi jonksiyon

sıcaklığının bir fonksiyonudur.

• Kapı akım ve geriliminin minimum ve maksimum değerleri vardır.

• Kapı akımının ve geriliminin çarpımı olan gücünde bir maksimumu vardır.

Tristörün kapı-katot uçları karakteristiği zayıf p-n jonksiyonununkine benzer.

Üründen ürüne değişmekle birlikte şekildeki karakterlerden birine uyan bir davranış sergiler.

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Yandaki şekilde tristörün iletime geçmesi için tetikleme akımı ve geriliminin alması gerekli değeri gösteren bölge taralı alan olarak işaretlenmiştir.

Uygun şartlardaki tetikleme darbesi bir izolasyon trafosu aracılığıyla tristör kapına uygulanır. Trafonun çıkışı olan kapı akımını sınırlamak için bir R1 direnci bulunur. Tristör sönümde iken kapı gerilimini sınırlamak için de bir R2 direnci bağlanmıştır.

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Devrenin Thevenin eşdeğeri de yukarıdadır. Eşdeğer devredeki gerilim ve akım miktarını belirlemek amacıyla tristörün karakteristiği ile Thevenin eşdeğerinin oluşturduğu yük hattının kesişim noktası belirlenir.

Vg ile Ig arasındaki ilişki; E ve Rg’nin oluşturduğu yük hattı tarafından belirlenir.

Tetikleme sinyali uygulandığında kapı akımı karakteristik boyunca ilerleyerek P noktasına ulaşır. Ancak P noktasına ulaşılmadan (tahminen A noktasında) tristör iletime geçmiş olur. İletimin kesin olabilmesi için tetikleme devresinin elemanları öyle seçilmelidir ki çalışma noktası olan P, maksimum güç sınırı ile A noktası arasında kalsın.

Genellikle bu şartları sağlayan değerler E= 5–10 V, Ig=0.5-1A arasındadır.

Tristörün kendiliğinden iletime girmesi

1. Bir tristörün uçlarındaki gerilimin değeri bu tristörün sıfır devrilme gerilimi değerine erişirse, yani

u^T ≥ U^B0 ise,

bu tristör kendiliğinden iletime geçer.

2. Bir tristörün uçlarındaki gerilimin yükselme hızı değeri bu tristörün kritik gerilim yükselme hızı değerine erişirse, yani

bu tristör kendiliğinden iletime geçer.

3. Yeni iletimden çıkan bir tristörün negatif tutulma süresi bu tristörün

sönme süresinden küçükse, yani t^N < t^q ise,

bu tristör kendiliğinden iletime geçer.

Tristörün tahrip olma nedenleri

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Bir tristörü iletime geçirmek için kapı akımının çok hızlı yükselme zamanında sahip olması gerekir. Bu; anot akımının kilitleme seviyesine ulaşabileceği uzunlukta hızlı yükselme

zamanına sahip darbe üretebilen tetikleme devreleri ile elde edilir. Darbe kullanılmasının nedeni kapıda daha az güç harcanması ve tetikleme anının daha iyi belirlenmesine imkan vermesidir.

Tetikleme Devrelerinin Sağlaması Gerekli Şartlar:

Yukarıdaki şekillerde görüldüğü gibi, özellikle AC besleme uygulamalarında tetikleme devresinin üreteceği darbe beslemenin fazına göre belirlenebilmeli ve yeri

değiştirilebilmelidir.

Tipik olarak çoğu uygulamada 10µs uzunlukta, 1µs’de 2V’a ulaşan darbe yeterlidir.

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Tetikleme devresi art arda darbeler üretebilmelidir. Bazı uygulamalarda katodları farklı

potansiyele sahip iki tristör aynı anda tetiklenmelidirler. Bu durumda devre iki veya daha çok izole çıkışı olan pulse trafosu içermelidir. Ters yönde darbe uygulanmasından kaçınılmalıdır, yoksa daha çok güç harcanır. Ayrıca ters kutupluyken kapı akımı uygulanırsa bu kaçak akımı artırır.

Tipik Tetikleme Devreleri:

Yukarıdaki devrede yük gerilimi kontrol edilmektedir. kapı akımının değeri R’ye bağlı

olduğundan α her periyot değişebilir, tristörün sıcaklığına ve diğer değişimlere bağlı olarak.

Ayrıca tam sıfır derecede tetikleme yapılamaz. Dolayısıyla bu devre pratikte kullanılmaz.

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Basit ama pratikte kullanılabilecek tetikleme devresi aşağıda görülmektedir. Devre AC kaynaktan beslenir. ’e bağlı olarak kapasitörü dolmaya başlar. bellir bir değere ulaşınca unijonksiyon transistör iletime geçer ve

transistör üzerinden boşalarak tristör kapısını iletilir.

’in ayarlanması ile 180 dereceye kadar gecikme elde edilebilir. Bu tür bir devre ile omik yükler kontrol edilebilir. ’e eklenecek ek devrelerle de uzaktan otomatik kontrol sağlanabilir. İhtiyaca uygun olarak daha çok elektronik devre içeren veya osilatör içeren tetikleme devreleri de vardır.

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Tetikleme Devrelerinin Kontrol Özellikleri

Güç kontrol elemanı olarak tristör içeren karmaşık sistemler; kapalı çevrim linkler, çok fazlı besleme, motor tork seviyesi ya da akımın otomatik kontrolü, farklı grupların aynı anda

tetiklemesi sonu yanlış çalışmayı önleyici döngüler vs. içerirler. Kontrol karakteristiği, tetikleme gecikme açısı ile giriş gerilimi arasında tanımlanan ilişkiyi verecek şekilde olmadır. Aşağıda böyle bir kontrol ve tetikleme devresi diyagram olarak gösterilmiştir.

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Tristör (Silicon Controlled Rectifier, SCR)

Triyak

Triyak beş katmanlı, her iki yönde de PNPN yapısına sahip ve dolayısıyla iki yönde de iletebilen elemandır. Triyak pozitif yada negatif kapı akımıyla ile iletime geçebilir. pozitifken pozitif, pozitifken negatif uygulamak daha iyidir. Ancak, pratikte her ikisi içinde negatif darbe uygulanır.

GTO (Gate Turn Off –Kapıdan Tıkanabilen Tristör)

Şekide görüldüğü gibi GTO, klasik tristöre göre daha karmaşık bir yapıya sahiptir. Yüksek oranda katkı içeren "+" işaretli katmanlar vardır. Kapı ve katod birbirine yakın ve dar kanallardan

oluşmaktadır. İleri kutuplamada merkezi N-P jonksiyonu gerilimi tutar ancak ters kutuplamada bloke yapılamaz. Ama ters bloke yapabilen

GTO'larda üretilmektedir. GTO'lar karmaşık yapıları sebebiyle daha yüksek kilitleme akımına sahiptir.

GTO'yu iletime sokmak için kapısına akım enjekte edilir. Söndürmek için ise katot-kapı yönünde 10V seviyesinde gerilim uygulanır. Sönüm için geçecek akım, Anot akımının 1/5 veya 1/3'ü kadar olmalıdır.

Bu akım 1 µs'den daha az bir zamanda sağlanacağından Anot geriliminin artışını sınırlandırmak için kondansatör bağlanır.

Güç Transistörü

Güç Transistörü

Bipolar trasistör 3 katmanlı NPN veya PNP yapıda güç transistörüdür. Çalışma aralığında , 'nin

fonksiyonudur. Belirli bir değeri için baz akımındaki değişme kollektör akımında katlanmış olarak görülür.

Bu oran 15-100 kat arasındadır. Transistörde kayıplar ile 'nin çarpımının fonsiyonudur. Yandaki devrede baz akımı, Ic akımının 10A geçmesini sağlıyorsa, gerilim düşümü 100V ve kayıp güç 1kW olacaktır. Bu kabul edilemez bir kayıptır. Bundan dolayı güç

uygulamalarında transistör amplifikasyon yerine doyumda (saturasyon) bir anahtar olarak çalıştırılır.

Doyum durumunda gerilimi 1,1V civarındadır.

Kayıplar sadece anahtarlama sırasında olur.

Güç Transistörü

GÜÇ MOSFETİ

Güç Mosfeti, bipolar transistörden farklı olarak gerilimle kontrol edilir. sıfır iken MOSFET

kesimdedir. Yaklaşık 3V uygulanınca iletime geçer. Düşük değerleri için MOSFET sabit direnç özelliği gösterir.

Güç kayıplarının az olması için güç mosfeti bu bölgede çalışır. Kapı gerilimi Drain akım sınırının yük akımından daha büyük olmasını sağlayacak büyüklükte tutulmalı ancak 20V’u

geçmemelidir. MOSFET’in açma kapama zamanı 1μs’nin altındadır. İletim esnasındaki direnci 100V’luk MOSFET için 0,1ohm; 500V’luk MOSFET için 0,5ohm’dur. Güç MOSFET’leri

doğrudan mikro elektronik devrelerce kontrol edilebilir. Tristörden daha az gerilim seviyelerine sahip olmasına rağmen daha hızlıdır. 100V’daki iletim kayıpları tristör ve transistörden daha fazladır, ancak anahtarlama kayıpları çok daha azdır.

GÜÇ MOSFETİ

Ticari güç MOSFET değerleri: V^DS< 1000 V; I^DS< 300A;

Yüksek anahtarlama frekansı f^s> 100 kHz – 2MHz

Güç MOSFETi sürme devreleri

Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT

IGBT transistör MOSFET ile bipolar transistörün özelliklerinden yararlanarak yapılmıştır. Güç transistöründe daha çok NPN kullanılırken IGBT’de PNP yapısı kullanılır. Kollektör – Emiter karakteristiği bipolar transistöre benzerken kontrol özellikleri MOSFET gibidir. Tipik iletime geçme zamanı bipolar transistörden daha azdır (0,15μs) ve MOSFET’e benzer. iletimden çıkıs zamanı 1μs’dir. ( PNP’ye benzer). IGBT’lerin anahtarlanması yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi yapılır. Yüke bağlı olarak söndürme esnasında ters gerilim uygulanması gerekebilir.

IGBT

Ticari IGBT değerleri: V^DS< 3.3 kV, 6kV; Ic< 1-2 kA;

100 kHz kadar anahtarlama kapasitesi, tipik olarak: 20-50kHz.

IGBT

Diğer Elemanlar

MCT ( Mos Kontrollü Tristör )

Tristörün yük karakteristiği ile MOSFET’in kontrol karakteristiği birleştirilmiştir.

MCT , GTO’da olduğu gibi ters kutuplanmada tıkama yapamaz.

SIT ( Statik Endüksiyon Transistörü )

Normalde iletimde olan bu eleman, (baz sinyali yokken iletimde) ters kutuplandığı zaman kesime gider. Çok hızlı anahtarlama yapabildiğinden mikrodalga frekansları seviyesinde kullanılır.

SITH ( Statik Endüksiyon Transistörü )

GTO’ya benzer ancak normalde iletimdedir. Katod-kapı’ya ters gerilim uygulanırsa kesime girer. Diğer tristörlere göre daha az kayıpları vardır ve daha hızlı çalışırlar.

Yarı İletken Elemanların Katalog Değerleri

Yarı İletken Elemanların Katalog Değerleri

Yarı İletken Elemanların Katalog Değerleri

Yarı İletken Güç Elemanların Karşılaştırılması

Güç Elektroniği devrelerinde elemanlar anahtar olarak kullanılır. İdealde bir anahtar;

• Sınırsız gerilim ve akım değerleri

• Ani açma-kapama zamanları

• Sıfır kaçak akım

• Sıfır iletim ve anahtarlama kayıpları

• Sıfır kapı tetikleme gücü şartı

• Aşırı akım ve gerilimlere dayanabilme kabiliyeti

• Kısa devrelere karşı koruma kolaylığı

• Düşük maliyet ve montaj kolaylığı

Yarı İletken Güç Elemanların Karşılaştırılması

Yarı İletken Güç Elemanların Karşılaştırılması

Yarı İletken Güç Elemanların Karşılaştırılması

Bölüm Kaynakça

[1] ‘Güç Elektroniği’, Ned Mohan

[2] "Güç Elektroniği Ders Notları", Hacı BODUR

[3] "Güç Elektroniği Ders Notları", Tufan UYAROĞLU