Fırat DEVECİ

DC Elektronik Yük: Part 2

  • 4 ay önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 4 Yorum
  • 1.795 Kişi Okudu

Elektronik yükün çalışma mantığını ele aldığımız ilk bölümde, bu konuda en çok kullanılan yarıiletken elemanların başında, fiyat/performansının iyi olmasından dolayı Mosfet ve IGBT olduğunu belirtmiştik. Bunun yanında, elektronik yük tasarımı yaparken karşılaşılan bir çok zorluğun olduğunu söylemiştik; uygun akım ölçüm metodu, bu akım metoduna göre uygun opamp vb. gibi kontrol elemanları seçimi ve yük olarak kullanılacak yarı iletkenin güvenilir sınırlarda çalışmasını sağlama.

Bu bölümde yukarıda saydığımız tüm bu zorlukların aşımı için cevap ararken özellikle bir yarı iletkenin, uygulamaya göre nasıl seçildiğini de ele alarak günümüzde iyi bir elektronik yükün neden pahalı olduğunu anlamaya çalışacağız.

Mosfet ve IGBT’ler daha önce de bir çok kez belirttiğimiz üzere günümüzde güç elektroniğine yön veren elemanlar olarak gözükmektedir. Gelişen teknoloji ile SiC ve GaN tiplerini bekliyor olsak da geliştirilen bir çok klasik silikon modeli ile de harika işler yarattıklarını söylemek mümkün. Bu iki elemanı uygulamalarımızda kullanırken, genelde, üç başlık altında toplayacağımız şekilde kullanırız. Bu üç metodu da anlatırken örnek alacağım Mosfet ve IGBT sırasıyla IRFP4668 (IR) ve IHW30N160R2 (Infineon) olacaktır.

1) Hard Switching (Sert Anahtarlama Metodu)
Günümüzde en çok kullanılan yarı iletken anahtarlama tiplerinin başında, kolay kontrol edilebilmesi, düşük maliyeti ve fazladan malzeme kullanılmamasının getirdiği yer avantajından dolayı hard switching metodu gelmektedir. Soldaki gibi bir yapı ele alındığında yarı iletken anahtarı tamamen açık ya da kapalı duruma sokmak için (şekilde mosfet görülüyor) threshold geriliminin üzerinde bir gerilim uygulamak yeterli olabilmektedir. Bu şekilde yapıların nasıl kontrol edilebileceğini daha önce yazılarımızda ele almıştık.

Mosfet ya da IGBT fark etmez, her bir anahtarlama anında, sağda resmi görülebilecek yapıdan kaynaklı bazı sorunlar ortaya çıkmaktadır. Anahtarlama hızının yüksek olması için gate-source arasında bulunan kapasitenin hızlı bir şekilde doldurulması gerektiğini söylemiştik. Bunun için yüksek peak amper değerlerine sahip sürücüler tercih edilse de anahtarlama anında kayba neden olan en büyük etmenlerden birisi gate drain arasında bulunan Cdg kapasitesidir; IGBT’ler için ise Ccg kapasitesi oluyor. İlgili kapasite nedeniyle Mosfet/IGBT sürücümüz ne kadar güçlü olursa olsun bir kayıp söz konusu olmaktadır ve bunu Miller düzlüğü dediğimiz bir etki ile görürüz. Miller düzlüğünün nedeni, Drain ile Gate kapasitesinin, değişen Drain-Source gerilim seviyeleri ile birlikte kendi gerilimini buna uydurması için belirli bir sürenin geçmesi gerekliliğindendir. Bu süre boyunca mosfetten geçen akım değişmemekle birlikte, gerilim seviyesi olması gereken değere aşağıdaki şekilde gitmektedir. Tüm bu geçiş anlarında ise bu sürenin uzunluğu ile orantılı anahtarlama kayıpları oluşturmaktadır. Bu nedenledir ki yarıiletken üreticileri, Mosfet ve IGBT içerisindeki bu geçiş anlarının kısa olması için, iç kapasiteleri olabildiğince minimumda tutmaya çalışmaktadırlar.

2) Soft Switching (Yumuşak Anahtarlama Metodu)
Hard switch metodunda anlattığımız kayıplar, frekans arttıkça doğru orantılı şekilde artmaktadır. Bu da tasarımlarımızda bir frekans limiti oluşturmakta ve özellikle boyutsal anlamda kapasite ve bobin değerlerimizi küçültemediğimiz için sorunlara neden olmaktadırlar. Daha yüksek güçlerde daha yüksek frekanslarda çalışabilmek ve anahtarlama kayıplarını ortadan kaldırmak için soft switching denen teknikler ortaya çıkmıştır. Soft switching tekniğinde, miller düzlüğü geçişinde, geçişin sıfır akım (ZCT) ya da sıfır gerilim (ZVT) anında yapılması dolayısıyla akım ve gerilim çarpımınının sıfır olması sağlanarak herhangi bir anahtarlama kaybına neden olunmaması sağlanır. Bu metoda en güzel örneklerden bir tanesi daha önce ele aldığımız LLC converterlar gösterilebilir. Soft switching teknikleri, fiyat avantajı yaratmak açısından genellikle pasif komponentlerle yapılmaya özen gösterilir ve gerilimin yüksek olduğu bölümde ZVT, akımın yüksek olduğu kısımda ise ZCT yapılarak fiyat/performansın iyileştirilmesine çalışılır.
3) Lineer Modda Çalıştırma
Mosfet ya da IGBT’lerin lineer regülatörler ve amplifier’lar dışında genellikle çok kullanılmayan bir metodu da lineer bölgede çalıştırma durumudur. Her Mosfet’in ya da IGBT’nin datasheetinde verilen bu durum kısaca aşağıdaki grafikle açıklanabilir.Anahtarlamalı uygulamalarda yarı iletken kullanımı genellikle saturasyon bölgesinde yapılır; bu bölgenin tanımı, uygun drain-source geriliminde, uygulanan gate gerilimi altında akabilecek akımın doyuma gitmesi olarak tanımlanabilir. Lineer bölgede ise (bazı kaynaklarda triode ya da omik bölge olarak geçer) sabit gate geriliminde, drain-source arasına uygulanan gerilim ile akan akım arasında bir lineerlik bulunur. Bu bölümde çalışırken, uygulanan gate gerilimi ile akacak olan drain akımı arasında da bir lineer ilişki kurulabilir. Bu ayrıca elektronik yük için kullanacağımız metotdur. Bu uygulama için örnek aldığım IRFP4668 ve IHW30N160R için lineer bölge tanımlamaları aşağıdaki gibidir.Mosfet ya da IGBT’ler fiziksel birer eleman olduklarından doğa kanunları gereği üzerilerindeki kayıplar ısı olarak karşımıza çıkmaktadır. Dolayısı ile her bir yarı iletkenin, tasarlandığı die şeklinden, kılıfına kadar belirli bir çerçevede çalışma koşulu tanımlanır. Çoğu kişi için Mosfet ya da IGBT’ler açma kapama elemanı olarak görülür, nominal akım ve gerilim değerleri esas alınarak kullanılır. Her ne kadar bu seçim doğru gözükse de bu elemanların üzerilerinde harcayabilecekleri güç miktarı üzerinden gidildiğinde karşımıza “Güvenli Çalışma Alanı” ya da “Safe Operating Area” dediğimiz ve yarı iletkeni zarar vermeden, oldukça dikkat etmemiz gereken, sınırlar içerisinde kullanabileceğimiz bir alan karşımıza çıkar.

Safe Operating Area (Güvenli Çalışma Alanı)
Kullandığımız elektronik yarı iletkenlerin çoğu silikon tabanlıdır ve silikon malzeme 125-175C arasında maksimum sıcaklığa dayanabilmektedir. İlgili malzemenin zarar görmemesi için soğutulması gerekmektedir. İster basit bir diyot, isterse karmaşık bir power modül olsun bu, tüm yarı iletkenler için geçerlidir.

Mosfet ya da IGBT’lerde de, yarı iletkenin zarar görmemesi ile ilgili, elemanın ısıya karşı dayanıklılığını da gösteren güvenli çalışma bölgeleri (safe operating area) aşağıdaki şekilde tanımlanır. Herhangi bir uygulamada, ilgili elemanı bu alanda kullanmak, yarı iletkene zarar vermemeyi sağlar.Yukarıda bulunan grafikleri yorumlarsak (üzerine tıklayınca büyüyecektir); drain source geriliminin düşük olduğu zamanlarda, yarı iletkenin üzerinden geçecek akımın Rds-on ile orantılı olduğu görülür. Lineer bölgede (grafikte DC olarak gösterilmiş) çalışılacağında ise yarı iletkenin güç oranı oldukça düşmektedir. Örnek olarak ele aldığımız IRFP4668‘ı ele aldığımızda mosfetin 200V/130A değerlerine sahip olduğu görülmektedir. İlgili mosfetin SOA grafiğine bakıldığında 100us’lik tek bir pulse anında 10V drain source gerilimi varken üzerinden 500A’in geçebileceği görülebilir. Yukarıda bahsettiğimiz hard ve soft switching anlarında SOA içerisinde akım ve gerilimin değişimi aşağıdaki şekilde olmaktadır. Yapılacak tüm uygulamalarda, teorik maksimum gerilim ve akım hesaplamaları yapıldıktan sonra, uygun mosfetin seçimi bu şekilde yapılmalıdır. Ayrıca yumuşak anahtarlama metodunun SOA içerisinde güvenli alana ne kadar yaklaştığı da gözlerden kaçmamalıdır.

Bizim uygulamamızda DC bölgede çalışılacağı için SOA’da maksimum gerilimde çekilebilecek maksimum akıma bakılmalıdır. IRFP4668 için bu değerin 35V’ta ~0.15A civarında olduğu görülür. Dolayısı ile 200V/130A değerlerine sahip olsa da bu mosfet elektronik yük için uygun değildir. 1600V ve 30A değerlerine sahip IHW30N160R2 IGBT’sinde ise 35V C-E geriliminde, akabilecek maksimum akımın 8A civarında olduğu görülür. Ebette bu değerler 25C kılıf sıcaklığındadır. Dolayısı ile IGBT’nin sıcak çalışması gereken ortamda bu değerin daha da düşeceğini göz önüne almak gerekmektedir. Mosfetler içerisinde IRF250 ele alındığında 35V drain-source geriliminde ~3-4A civarında bir akımın sürekli akabileceği öngörülebilir. Sizler elinizdeki mosfet ya da IGBT’lere bakıp, bu uygulamada kullanılıp kullanılamayacağını yukarıdaki yaklaşımlarla yapabilirsiniz.

Şönt Direnç ve Opamp Seçimi
Yapacağımız uygulamanın ölçüm ve analog kısmının kalbini oluşturan bir diğer elemalar ise şönt direnç ve opamptır. Yapacağımız uygulamada maksimum 10A değerini ölçebileceğimizi belirtmiştik. 12bit DAC ve ADC ile çalıştığımız göz önüne alındığında ~2.4mA çözünürlük ile akım kontrolünü yapabileceğimiz ortaya çıkar. Yalnız kullanacağımız şönt direncin gücü, üzerinden geçen 10A’e dayanmalıdır. Bu iki kritik değer bizi bir tercih yapmaya iter.

Ben, bu anlamda çokça bulunabilecek 0.47R/11W taş dirençlerden 3 adet paralel bağlayarak akım ölçüm yoluna gittim. Ohm yasasını ele alırsak:

P = I^2 * R
P= 10^2 * (0.47/3) = 15.66W

şeklinde hesaplanır. 3 adet 11W’lık direnç ile fan ile birlikte sıcaklığın bertaraf edileceğini düşünebiliriz.
Fakat 0.47R’yi 3 adet paralel bağlamak ~0.157R gibi düşük bir direnç değerine gelir ki 2.4mA ele alındığında yine ohm yasasından gidilirse direnç üzerinden ölçülmesi gereken gerilim aşağıdaki gibi olur.

V = I * R
P= 2.4mA * (0.47/3) = 376uV

Sistemi kontrol etmek için 376uV gibi düşük bir değerin opamplar ile kontrol edilmesi gerekmektedir. Opampların kullanım kılavuzlarında Input Offset Voltage adı altında tanımlı, opampın bu değer üzerindeki gerilimler ile çalışabileceğini belirten bir ibare bulunur. LM358 gibi alelade bir opamp’ın datasheet’inde bu değer aşağıdaki gibi belirtilmiştir.Yukarıdaki değerlerden görülebileceği üzere LM358, 2-3mV giriş offset gerilimi ile uygulamamız için uygun değildir. Tek kaynaktan çalışan, kolayca bulunabilecek ve giriş offset gerilimi düşük olan opamp aradığımda karşıma TLC272 çıkmıştır. TLC272’nin giriş offset gerilimi aşağıdaki gibidir.Piyasada TLC272’nin bir çok versiyonu bulunmaktadır. Her versiyonun giriş offset gerilimi değişiktir ve özellikle sipariş koduna özenle dikkat edilmelidir. Yukarıda ilgili ismi, kırmızı kutu içerisine alarak göstermek istedim.

Her ne kadar TLC272 bu iş için iyi gözükse de uygulama içerisinde eğer düşük akımlar sizin için çok önemliyse rail to rail opamp seçmek ya da opamp’ı negatif/pozitif şekilde çift besleme oluşturup kullanmak gerekmektedir.

Gelecek Bölümde…
Bir sonraki bölümde, burada ele aldığımız tüm teorik yaklaşımları kullanarak temel elektronik devre şemalarını ortaya koyacak ve elektronik yükümüzün donanım kısmını oluşturacağız.

Sorularınızı yorum kısmından bana iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

  1. Mehmet ACAR dedi ki:

    Harika paylaşımlar.. Teşekkürler Fırat DEVECİ.

  2. Erkan dedi ki:

    Paylaşım için çok teşekkür ederim. Devamını sabırsızlıkla bekliyorum. İyi çalışmalar.

Yorum Yazınız

error: Content is protected !!