Güç elektroniğinin temel taşlarından bir tanesi anahtarlama elemanları ve onların kontrolüdür; hatta anahtarlama kontrolü bir anlamda bu dalın temelidir diyebiliriz. Güç elektroniğinde en sık kullanılan anahtarlama elemanı olarak karşımıza IGBT ve Mosfet’ler çıkmaktadır. Dijital elektroniğin de bu dala hükmetmesi ile birlikte “logic level” diye adlandırdığımız gerilim seviyeleri ile ek araçlar kullanarak anahtarlama elemanlarının kontrolünü sağlamaktayız. Daha önce burada (Dikkat: High Side Gate Driver!!) konuştuğumuz üzere bu ek donanımların, sürücülerin, bir çok çeşidi bulunmaktadır. Güç değerleri arttıkça kullanacağımız sürücü gereksinimi ve özelliği değişiklik göstermektedir; bunların en gelişmişleri içerisinde desaturation koruması ve active miller clamp özelliği barındırır.

Neden Driver’a İhtiyaç Duyarız?
Mosfet ya da IGBT’ler, elektrik alan ile kontrol edilen elemanlardır. Kontrol yani “Gate” uçlarına uygulanan gerilim miktarına göre üstlerinden geçebilecek akım miktarı ayarlanabilmektedir. Aşağıda bir Mosfet’in iç yapısı görülebilir.Daha önceki yazımızda bahsettiğimiz gibi anahtarlama elemanın çalışabilmesi için yukarıda görülen Cgs kapasitesinin şarj ve deşarj edilmesi gerekmektedir. Bu şarj ve deşarj işlemi ne kadar hızlı olursa anahtar da o denli hızlı ve yavaş açılıp kapanacaktır. Bunun yanında açılan anahtarın açık, kapatılan anahtarın ise kapalı kalmasını garantilemek için gate geriliminin eşik değerlerden düşük ya da yüksek tutulması gerekmektedir. Gate kapasitesinin şarj ya da deşarj akımının büyük olması anahtarlama süresini etkileyen en önemli unsurlardan birisidir. Kullandığımız IGBT ya da mosfet sürücüler bu iki özelliği de sağlayan gelişmiş elemanlardır.

Anahtarlama Elemanı Hataları
Sürücü hatalarını anlamak için motor sürücüler üzerinden gitmek en uygunu olacaktır. Motor sürücülerin, motor bağlantı bölümü anahtarlama elemanlarının orta ucu şeklinde düzenlenmektedir. Bu orta uç dış dünyaya açık olduğundan hataya oldukça açıktır. Yukarıdaki şekilde de görüldüğü gibi dışarı çıkan bu uçlarda oluşabilecek hatalardan biri motorda bir sorun çıkmasından sonra oluşabilecek faz-faz kısa devresi, diğeri de üst ve alt olarak döşenen half bridge anahtarlarda, iki anahtarın aynı anda açılarak DC baranın kısa devre olmasıdır. Bu iki hatanın yanında faz-toprak hatası gibi hatalar da anahtarların zarar görmesine neden olabilmektedir.

Kısa Devre Koruma Metotları
IGBT ya da Modfet kısa devre hatalarını algılamak için genellikle 2 metot kullanılmaktadır.

– Hall Effect Sensör ya da Akım Trafosu ile Ölçüm
– Collector-Emitter ya da Drain-Source Geriliminin İzlenmesi – Desaturation Metodu

Her iki yönteminde kendi içinde avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır.

a) Hall Effect Sensör ya da Akım Trafosu ile Ölçüm
Bu hata algılama yönteminde aşağıdaki gibi ya hall effect/akım trafosu ya da şönt direnç kullanılarak anahtar akımları örneklenir.Herhangi bir akım sınırı aşıldığında anahtar sürücü sinyalleri kitlenip, deaktif edilerek kısa devre gibi durumların önüne geçilir. Bu metotta akım sensörlerinden gelen bilginin istenilen limit değerinde ayarlanıp koruma sağlanabilir olması büyük bir avantajdır. Bunun yanında 3 ya da 4 akım sensörü sistemin maliyetini arttırmaktadır. Şönt direnç metodunda ise sinyalin iyi okunması gerekmektedir. Ayrıca yüksek akımlarda ortaya çıkan ısının bertaraf edilmesi de ayrıca hem verimsel hem de mekaniksel zorluklar çıkarabilir.

b) Collector-Emitter ya da Drain-Source Geriliminin İzlenmesi – Desaturation Metodu
Bu hata algılama modelinde IGBT ya da mosfet gibi anahtarlama elemanlarının sırasıyla Collector-Emitter ya da Drain-Source gerilimleri, sürücüler tarafından anahtarlara iletime geç komutu gittiği sırada örneklenerek sınır değerin aşılıp aşılmadığına bakılarak yapılır.Mosfet ya da IGBT’lerin gate gerilimleri sabit tutulmak koşulu ile üzerlerinden geçen akım değeri arttıkça, üzerlerine düşen gerilim de artmaktadır. Mosfet için drain-source, IGBT için ise collecter-emitter gerilimlerinin değişimi aşağıdaki grafiklerde sırasıyla örnek bir mosfet ve IGBT için görülebilir. Daha ayrıntılı görmek için grafiklerin üzerine basıp büyütebilirsiniz.Burada dikkat etmemiz gereken en önemli konu limit değerlerdir. İster IGBT olsun ister mosfet her bir anahtarın anlık dayanabileceği akım limitleri vardır. Bu 60A’lik bir IGBT için 1ms sürede (ki çok uzun bir süredir) 230A iken, 180A’lik bir mosfet için ise 500A dolaylarında olmuştur. Dolayısı ile kurulacak algılama sistemi bu limit değerlerden önce hatayı algılayıp, anahtarları iletimden çıkarma konumuna getirmelidir.

Peki desaturation koruması nasıl çalışır?
Sürücü çeşitleri, şekilleri, marka ve modelleri değişse de genel devre şeması yukarıdaki gibi olan desaturation koruması aşağıdaki adımlar ile çalışır.
1) Öncelikle IGBT ya da Mosfet elemanı sürülür.
2) Mosfet ve IGBT sürüldükten sonra 5-10us arasında gecikme süresi kadar beklenir ve bu arada kısa devre algılaması çalıştırılmaz. Bunun nedeni, yanlış hataya neden vermemek için, devrede parazit olarak bulunabilecek kapasitelerin ani boşalma akımlarının görülmek istenmemesidir.
3) Anahtar iletime geçtikten itibaren sürücülerin desat uçlarına paralel bağlanan kapasite sabit akım ile şarj edilmeye başlanır (250uA-500uA gibi sürücüye göre değişen akımlar ile).
4) Normal çalışmada sürülen IGBT ya da Mosfet bu kapasiteyi boşaltacağı için, kapasite düşük seviyelerde şarj olacaktır.
5) Fakat kısa devre söz konusu ise kapasite sabit şarj akım ile belirli bir süre sonunda eşik gerilimi aşarak (genelde 6.5-7V kabul edilmektedir) desaturation olduğunu anlar ve kısa devre korumasına geçer.
6) Daha sonrasında ise driver bir adet FAULT sinyali ile anahtarlamada bir hata olduğunu kontrolcüye ileterek korumayı sağlamış olur.

Yukarıdaki maddelerin sinyallere dökülmüş hali aşağıdan görülebilir.Burada sürücünün kalitesini belli eden yönlerden bir tanesi bu kısa devre algılandığında, anahtarın nasıl deaktif edildiğidir. Hata algılanır algılanmaz, anahtar çok hızlı iletimden çıkarılırsa devrede bulunan endüktanslar anahtar üzerinde (V=Ldi/dt nedeniyle) büyük gerilim zıplamalarına neden olarak anahtarın bozulmasına yol açabilir. Bunun önüne geçmek için sürücüler anahtarı yumuşak şekilde (soft turn-off diye geçer) iletimden çıkarmak durumundadır.

Desaturation korumasının en büyük avantajı verim kaybı yaratmayan, ucuz, hızlı ve güvenilir olmasıdır. Dolayısı ile IPM kullanılmayan, sürücünün dışarıda olduğu tasarımlarda güvenilirlik aranıyorsa desaturation metodu kullanmak gayet iyi bir seçenektir.

Active Miller Clamp
Active millet clamp her sürücüde olmayan, yalnızca gelişmiş yapıda sürücülerde gördüğümüz, özellikle yüksek gerilim ve akımlı anahtarları sürerken kullandığımız bir özelliktir. Peki active miller clamp ne işe yarar?Yukarıdaki şekilde normal bir sürücü ile bir IGBT sürdüğümüzü düşünelim. IGBT (ya da mosfet) içerisinde Collector-Gate arasında Vcg kapasitesi bulunur. Anahtar hızlı bir şekilde iletimden çıktığında üzerinde büyük bir gerilim yükselmesi oluşur. Bu kaçak kapasite üzerinde yükselen bu gerilim, kapasite içerisinden gate ucuna doğru I=CdV/dt oranında akım akmasına ve Gate ucunda gerilim yükselmelerine neden olur. Bazı durumlarda bu gerilim zıplamaları o kadar yükselir ki, anahtar sürme eşik gerilim seviyesini aşarak anahtarı yanlışlıkla iletime sokar. Bu hata meydana geldiğinde desaturation koruması olsa dahi, sürücüden bağımsız anahtar açıldığı için, devreden yüksek akımlar geçerek anahtara zarar verebilir.Bunun önüne geçebilmek için yukarıdakine benzer bir bağlantı ile sürme dirençlerinden bağımsız gate ucu direk sürücüye bağlanmaktadır. Sürücü gate gerilimini anahtar kesime gittiğinde örnekleyerek, anahtarın eşik gerilimine gelmeden içerisindeki yapıyı devreye sokarak, anahtarın sürekli kesimde kalmasını garantilemektedir.Yukarıda (resme tıklarsanız büyüyecektir); solda active clamp miller özelliği yokken, sağdakinde ise varken ki sinyal şekillerini görebilirsiniz. Aradaki fark küçük gözükse de, güvenilirlik ön plana çıktığında bu özelliğe sahip sürücülerin kullanılması elzemdir.

Bitirirken…
Sürücüler bir analog tasarımcının dikkatle tasarlaması gereken yapılardandır. EMC, performans, verim, güvenilirlik ve daha bir çok parametre sürücüler üzerinde yapılan değişikliklerle iyileşir ya da kötüleşir. Bu yüzden iyi bir analog tasarımcıyı ayırt etmek için, sürücülerle ilgili konuşmak yeterli olabilmektedir.

Aklınıza takılan soruları yorum kısmından bana iletebilirsiniz.
Başka yazılarda görüşmek dileğiyle, herkese çalışmalarında başarılar dilerim.