Mekatronik Sayfa: Güç Elektroniği - Anahtarlama Elemanları

Temel Anahtarlama Elemanları

Diyot

Diyotlar yarı iletken elektronik devre elemanlarının temel yapı taşıdır. Bütün transistorler, lojik kapılar, entegreler diyotların birleşiminden imal edilmektedir. Diyot genel anlamda bir yönde akım geçiren, diğer yönde akım geçirmeyen elektronik devre elemanıdır. Kısacası üzerinden sadece tek yönde akım geçişine izin veren elemandır. Diyot doğru polarize edilirse yani anoduna pozitif(+) katoduna negatif gerilim uygulanırsa iletken olur ve üzerinden, uygulanan gerilim miktarı ve oluşan ısı ile doğru orantılı olarak akım akmaya başlar.

İmal edilen her diyotun yapısına bağlı olarak uygulanabilecek maksimum doğru polarma gerilimi, çalışma sıcaklık bandı ve üzerinden geçebilecek akım miktarı imal edilence hazırlanan kataloglarda belirtilmiştir. Bu değerler kesinlikle aşılmamalıdır.

Diyotların kullanıldıkları devrenin özelliklerine göre davranış göstermesi beklenir. Bu nedenle diyotlar yapım tekniğine, yapısındaki malzeme türüne, kullanım alanlarına uygun olarak çeşitli olarak üretilmektedir. örneğin;

Schottky diyotlar

Hızlı toparlanan diyotlar

Şebeke frekanslı diyotlar

Transistör

BJT (Bipolar Junction Transistor) çift kutuplu transistör

Transistör güç elektroniği devrelerinde en çok kullanılan kontrollü anahtarlama elemanlarından biridir. Üç bacaklı yarı iletken bir eleman olan transistörün yapısı sırt sırta bağlanan iki diyota benzer.

Kollektör, baz ve emitör transistörün bacaklarıdır. PNP ve NPN olmak üzere iki çeşit transistör bulunmaktadır. Aşağıdaki şekilde her iki transistörün bacakları gösterilmiştir.

Base bacağı transistörün iletime geçirmek için kontrol ucudur. Bazdan akım akıtıldığında transistör iletime geçer. Yani NPN tipi transistörde bazdan akım akıtıldığında transistörün Collektor ucundan, Emitter ucuna akım akmaya başlar. Bazdan akıtılan akım kesildiğinde ise transistör kesime gider ve akım akmaz. NPN tipi transistörlerde akım kollektörden emetöre doğru akarken, PNP tipi transistörlerde akım emetörden kollektöre doğru akar.

Transistörü basit bir elektrik anahtarı olarak düşünürsek, kollektörden akım aktığında anahtarı kapatmış, akımı kestiğimizde ise anahtarı açmış oluruz.

Transistör gerçek ve ideal akım gerilim karakteristiği

Transistör gerçek ve ideal i-v karakteristiği

Yüksek güçlü transistörlerde hfe = 5-10 (kazanç) olduğundan daha büyük akım kazançları sağlamak için Darlington yada üçlü Darlington bağlama yapılabilir.

Tristör

SCR (Silicon Controlled Rectifier) silikon kontrollü doğrultmaç

Tristörler güç elektroniği devrelerinde hızlı anahtarlama görevinde kullanılan, dört yarı iletken maddenin bileşiminden oluşan devre elemanlarıdır. Tristörlerin yapısı birbirini izleyen P tipi ve N tipi dört yarı iletken tabakasından oluşur. Tristörlerin üç bacağından ikisi, P tipi yarı iletken kısımdaki anot, N tipi yarı iletken kısımdaki katot ve diğeri de katota yakın olan P tipi yarı iletken kısımdan çıkarılan Gate bacağıdır. Sağdaki tristörün sembolü gösterilmektedir. Tristörün yarı iletken tabakaları farklı kalınlıklarda olduklarından ve değişik miktarlarda katkılandırıldıklarından dolayı iletkenlikleri de farklıdır.
Tristörler DC ve AC motorların sürücü devrelerinde hız ayarlaması ve dönüş yönlerinin değiştirilmesinde, elektronik kontaktörlerde, zaman rölesinde ve kumandalı doğrultucularda kullanılabilir.

Transistörlü eşlenik devresinde de görüldüğü bir tristörün dört yarı iletken katmanından oluşan yapısı birbirine bağlı bir PNP ve NPN transistör çiftine denktir. Bu çift transistörden oluşan eşlenik devrede G ucunabir akım verilirse, NPN transistörün beyzi tetiklenmiş olur ve transistörün iletime geçmesiyle kollektör akımı hareketi oluşur. NPN transistörün kollektör akımı kendisine bağlı olan PNP transistörün beyz akımını oluşturmaktadır ve böylece PNP transistörü tetikler. PNP transistörün de iletimi geçmesi sonucunda bu transistörün emiter ve kollektörü üzerinden geçen akım ile NPN transistörün beyzi tetiklenir. Böylece G bacağına bir kez uygulanan bir akım ile PNP ve NPN transistörler birbirini tetikleyerek iletim haline geçerler ve bu döngü nedeniyle G bacağına uygulanan akım kesilse dahi iletimde kalırlar.

Gerçek ve ideal tristörün i-v karakteristiği

MOSFET

(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Metal Oksit Yarıiletkenli Alan Etkili Transistör

Mosfetler, JFET transistörler gibi üç bacaklıdır. Bu bacaklar ; G (gate, normal transistörün base bacağı), S (source, kaynak) ve D (drain, normal transistörün kollektörü) bacaklarıdır. D ucu ile S ucunun çıkarıldığı bögeye kanal denir. Mosfetlerde gate bacağı ile kanal bölgesi arasında silisyum nitrat ve silisyum oksit ile yalıtım yapılmıştır. Bu metal oksit tabaka çok ince olduğundan statik elektriğe karşı oldukça hassastır. Bu nedenle mosfetlerin kullanımı ve saklanmasında statik elektrik konusunda dikkatli olunmalıdır. Mosfetleri lehimlerken kullanılan havya mutlaka topraklı olmalı ve düşük güçte kullanılmalıdır.
Mosfetlerin giriş empedansı yüksek, elektrodları arasında iç kapasitansları ise çok düşüktür. Mosfet transistörler, JFET transistörlerden ve normal transistörlerden daha yüksek frenkanslarda çalışabilirler. Mosfet transistörlerin güç harcamaları düşüktür ve mekanik dayanımları fazladır.

Mosfet kanal bölgelerinde kullanılan maddelere göre N tipi mosfet ve P tipi mosfet olmak üzere iki çeşittir. Çalışma şekline göre ise mosfetler; enhancement (çoğaltan - arttıran kanallı) mosfetler ve depletion (deplasyon - azaltan kanallı) mosfetler olarak iki çeşittir. Aşağıda n kanallı ve p kanallı mosfetlerin yapıları gösterilmiştir.

Mosfetlerin i-v karakteristiği

GTO

(Gate Turn-Off Thyristor) Kapıdan tıkanabilen tristör

Normal tristörler güç elektroniği uygulamalarında hemen hemen ideal şalterler olarak kullanılır . Kapama yönünde birkaç bin volt değerindeki gerilimleri ve iletim yönünde ise birkaç bin ampere kadar çıkan akım değerlerini birkaç voltluk gerilim düşümü ile iletirler En çok kullanımları , tristörün kapısına bir kontrol sinyali uygulayarak istenildiği anda iletime geçirilmeleridir . Bununla birlikte tristörlerin anahtarlama uygulamalarındaki kullanımlarını önleyen ciddi bir eksikliği vardır.Bir kontrol sinyali uygulayarak tıkamaya geçirilemezler . Bu tıkamaya geçirilme özelliğinin kazandırılması için eleman yapısında bazı değişiklikler yapılmalıdır.

GTO tristör, normal bir tristörde olduğu gibi p-n-p-n yapıya sahiptir fakat katot bölgesi , kapıya uygulanan pozitif bir akımın elemanı iletime sokacak ve kapıya uygulanan negatif bir akımın elemanı iletimden çıkaracak şekilde tasarlanmıştır. Sonuç olarak , sıradan bir tristörle karşılaştırırsak , GTO tristör iki yolla iletimden çıkarılabilir:

Sıradan bir tristördeki gibi , ileri akımını tutma akımı IH0 ’ dan düşük bir değere azaltılmasıyla ,
Kapıya negatif kapama akımının uygulanmasıyla.

Geriye kalan işlevler, özellikler, karakteristiği, normal tristör ile aynıdır.

GTO nun özelliklerini sıralayacak olursak;

Kısa süreli iG1 ile tetiklenir ve iG2 ile söndürülür.

iG1 çok küçük değerlerdedir (normal trsitörlerdeki gibi)

iG2 çok büyük değerlerdedir ( ¼ ana akım kadar)

Hızlı özel bir tristördür.

Düşük frekans ve yüksek güçlerde kullanılır.

Söndürme sinyalinin büyüklüğünden dolayı tetikleme devreleri karmaşık ve pahalıdır.

IGBT

(Insulated Gate Bipolar Transistor) Yalıtılmış kapılı çift kutuplu transistor

IGBT transistör MOSFET ile bipolar transistörün özelliklerinden yararlanarak yapılmıştır. Güç transistöründe daha çok N – P – N kullanılırken IGBT’de P – N – P 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. İletimden çıkış zamanı 1µs’dir. ( P – N – P’ye benzer). IGBT’lerin anahtarlanması aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi yapılır. Yüke bağlı olarak söndürme esnasında ters gerilim uygulanması gerekebilir.

IGBT şematik sembolleri ve eşdeğeri

IGBT gerçek ve ideal i-v karakteristiği

MCT

(MOS-controlled thyristor) MOS kontrollü tristör

MCT , güç elemanlarını yeni bir sınıfıdır . MOS ve tristör elemanlarının optimal bir şekilde birleştirilmesine dayanır .Birbirinin aynı binlerce mikro hücrenin aynı çip üzerinde paralel bağlanmasıyla oluşturulur. Davranışı bakımından GTO ‘ya benzer . Bu sınıftaki elemanlar ,yapılarındaki tristör nedeniyle kilitlenme özelliğine sahiptir ve tristörden ayırt edilemez bir biçimde geçirme ve tıkama durumlarında çalışır . MOS kapısına bir gerilim uygulanmasıyla tıkamadan geçirmeye ve geçirmeden tıkamaya sokularak anahtarlanabilir .Uygulama da büyük du/dt değerlerinden dolayı istenmeyen iletime veya kesime geçme olaylarını engellemek için kapılarına sinyal uygulanmaya devam edilir. Böylece , eleman , son derece düşük ileri gerilim düşümü (yapılarındaki tristörden dolayı) , yüksek darbe akımı yeteneği sergiler .

Anahtarlama hızı , GTO ‘larla karşılaştırılırsa benzerdir ve diğer bipolar elemanlarda olduğu gibi , başlıca , taşıyıcı tekrar birleşme zamanı , eleman kalınlığı ve kapama di/dt değerine bağlıdır. Anahtarlama süreleri tipik olarak 1μs mertebesindedir.

Bir yapı içinde iki MOSFET , bir tristörden oluşur. Bu MOSFET ‘lerden bir ON-FET , diğeri de OFF-FET ‘tir. ON-FET , MCT ‘yi iletime sokmaya ,OFF-FET de iletimden çıkarmaya yarar.

İki tip MCT vardır.Bunlar P-MCT ve N-MCT’dir.Her iki tipin de statik akım gerilim karakteristikleri prensip olarak GTO ‘ya benzer. MCT’yi iletime geçirmek için , ON-FET iletime geçirilir.Bu anda , OFF-FET kesimde tutulur.Bir P-MCT’de ON-FET’İ iletime geçirmek için yani MCT’yi iletime geçirmek için kapısına , anoduna göre negatif bir gerilim uygulanır. Anoduna göre pozitif bir gerilim uygulanırsa kesime geçer.Bu gerilim yaklaşık olarak –7 V olursa yeterlidir.Bu gerilimin üst sınırı –20 V ‘ tur . Anoda göre pozitif gerilim kapıya uygulandığında eşdeğer devredeki n-p-n transistörün tabanından akım geçer ve bu transistör iletime geçer. N-p-n transistörün kolektör akımı p-n-p transistörün tabanından geçer ve böylece p-n-p transistör de iletime geçerek MCT kilitlenir. MCT iletimde iken kapısına aynı gerilimin uygulanmasıyla istenmeyen kesime geçme engellenir.

MCT gerçek ve ideal i-v karakteristiği

Anahtarlama Elemanlarının Karşılaştırılması

Tristör elemanlar içinde en yüksek akım ve gerilim seviyesine sahiptir, dayanıklıdır, düsük iletim kayıpları vardır ve ucuzdur. Ancak iletime geçisi yavastır, sönümü yüke bağlıdır. Yüksek güç ve gerilimlerin olduğu 50, 60 Hz uygulamaları için idealdir.

AC’den DC eldesinde ya da switch mode güç kaynaklarında hızlı anahtarlama değeri aranır ve ters kutuplamada tıkamaya ihtiyaç yoktur. Buralarda bipolar güç transistörü IGBT, MOSFET, GTO, MCT kullanılabilir. 100kHz’in üzerinde ancak MOSFET kullanılabilir. 100kHz’e kadar bipolar transistörle IGBT düsük maliyeti, düsük iletim kayıpları sebebiyle MOSFET’e karsı tercih edilirken anahtarlama kayıpları MOSFET’den fazladır. 15 kHz’e kadar tristör ; GTO yada asimetrik tristör kullanılır. İşletme sıcaklıkları düşünüldüğünde transistör ailesi 150 oC ’ye kadar isletilebilirken tristörler 125 oC ile sınırlıdır. Kayıplar ve soğutma maliyetleri eleman seçiminde önemlidir. Kısa devreye karsı koruma tristör ailesiyle çok kolaydır. Bu, transistörlerin yüksek akım ve gerilimlerde imalini engelleyici olmuştur.