Güç Elektroniği Ders Notları

4 Bölümden oluşan “Güç Elektroniği Ders Notları” detaylı Türkçe malzeme bilgileri hesaplamalar formuller ve örnek devreler üzerinde açıklamalar bulunmakta Kaynak: Tufan Uyaroglu

Yarı İletken doğrultucu elemanlar
Tipik tetikleme devreleri
Tetikleme devrelerinin kontrol özellikleri
GTO (gate turn off – kapıdan tıkanabilen tristör)
Tristör ile güç transistörü karşılaştırılırsa
IGBT ( yalıtılmış kapılı bipolar transistör )
MCT ( mos kontrollü tristör )
SITH ( statik endüksiyon tristörü )
Yarı iletken eleman katalog değerleri
Kayıplar ve soğutma
Yarı iletken güç elemanlarının karşılaştırılması

Bölüm 2
Doğrultucu devreleri
Devre tanımları ve gruplandırma
Tek faz yarım dalga (tek yollu) devre
İki faz yarım dalga (tek yollu) devresi
Tek faz köprü (çift yollu) devreleri
3 faz yarım dalga (tek yollu) devre
Altı fazlı yarım dalga (tek yollu) devre
Faz köprü (çift-yollu) devresi
Darbe devreleri
Besleme trafosunun boyutlandırılması

Bölüm 3
Konverter çalışma
Overlap (çakısma – üst üste gelme)
Güç faktörü ,İnverter çalışma
Regülasyon ,
P-darbeli konverter için eşitlikler
Darbe genişlik modülatörü (p.w.m) konverterleri ile güç faktörü kontrolü

Bölüm 4
DC hat komütasyonu
Paralel kapasitans
Rezonansla sönüm
Kuplajlı devre
Bir baska yükü besleyen tristör aracılığıyla komütasyon
Formüllerle özet

Yarı iletken doğrultucularda ana elemanlar olarak; diyot, konvansiyonel tristör, triac, kapıdan tıkanabilen tristör (GTO), bipolar güç transistörü, güç MOSFET’i ve yalıtılmıs kapılı bipolar transistör (IGBT) sayılabilir. Diyot haricindekiler ileri yönde potansiyele dayanabilir ve dolayısıyla kontrol edilebilirler.

Zener diyodu ; Farkı, p-n ekleminin zener yıkılmasına olanak verecek sekilde çok dar tutulmus olmasıdır. Gerilim referansı veya gerilim düzenleyici olarak kullanılırlar.

Kapı akımı uygulanmadığı durum için tristör, iki yönde de iletime izin vermeyen üç tane seri bağlı diyot gibidir. Ters yönde kutuplanma durumunda diyotla aynı davranısı 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. Ters kutuplama durumunda katod P-N jonksiyonu 10Vda delindiğinden tüm voltaj anottaki P-N jonksiyonunda görülür.

İleri yönde kutuplamada gerilim olusursa tristör, iki jonksiyonlu diyot gibi çalısır ve diyotun iki katı gerilim düsümü olur. Tristör’ün iletimde kalabilmesi için anot akımının kilitleme akımı (latching) seviyesini asması ve tutma akımı (holding) seviyesinin altına düsmemesi gerekir.

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 sekilde görüldüğü gibi harici bir devre tarafından ters yönde akım geçmesi sağlanır.

Akımın süresi genelde 10 ila 100 μs arasındadır. Ters iletimli tristör : Bir silikon katmanında tristör ile, ters yönde ileten diyot kombinasyonu oluşturulan yarı iletken eleman

GTO (Gate Turn Off – Kapıdan Tıkanabilen Tristör) : Tristörün bulunmasından sonra iki yeni ürün daha icat edildi. Bunlardan birisi ters yönde daima iletimde olan ancak daha ince silikon kullanılmasıyla daha kısa sürede tıkamaya geçebilen asimetrik tristördür. Bu tristör inverter devrelerde kullanılır. Birkaç μs içinde devreye alınıp çıkarılabilir. Diğer bir eleman kapı akımını uygulayıp kesmekle iletime sokup çıkarılabilen GTO tristörlerdir.

Güç Mosfeti (metal oksit yarı iletken alan etkili transistör) bipolar transistörden farklı olarak gerilimle kontrol edilir. V GS sıfır iken MOSFET kesimdedir. Yaklasık 3V uygulanınca iletime geçer. Düsük V DS değerleri için MOSFET sabit direnç özelliği gösterir.

Güç kayıplarının az olması için güç mosfeti bu bölgede çalısır. 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. Đletim 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.

IGBT ( Yalıtılmıs Kapılı Bipolar Transistör )

IGBT transistör MOSFET ile bipolar transistörün özelliklerinden yararlanarak yapılmıstır. 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. iletimden çıkıs zamanı 1μs’dir. ( P – N – P’ye benzer). IGBT’lerin anahtarlanması yukarıdaki sekilde görüldüğü gibi yapılır. Yüke bağlı olarak söndürme esnasında ters gerilim uygulanması gerekebilir.

MCT ( Mos Kontrollü Tristör ) ; Tristörün yük karakteristiği ile MOSFET’in kontrol karakteristiği birlestirilmistir. 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. Normalde kesimde olan SIT’de imal asamasındadır.

DOĞRULTUCU DEVRELERİ

Bir doğrultucu devresi AC beslemesini DC yüke bağlayan devredir. Elde edilen DC
gerilim aküde olduğu gibi sabit olmayıp ortalama gerilim seviyesine süper impoze edilmis
alternatif akım dalgalanma bileseni içerir.

Asağıda bahsedilen devrelerin tamamı DC gerilim vermesine rağmen ; çıkıstaki AC dalgalanması, ortalama gerilim seviyesi, verimi ve AC beslemedeki yükleme tesirleri açısından farklılık arz ederler.

Devre Tanımları ve Gruplandırma : Doğrultucu devreleri yarım dalga ve tam dalga bağlantıları olmak üzere iki grupta tanımlanabilir.

Yarım Dalga Devreleri : Bu devrelerde AC beslemenin her hattına bir doğrultucu eleman
bağlanır ; elemanların katodları DC yüke ve yükün diğer ucu da AC beslemenin nötr ucuna
bağlanır. Akım akısı her hatta “tek yönlü”’dür. “Tek yollu” devre de denilir.

Tam Dalga Devreleri : Biri yükü besleyen, diğeri de yük akımını AC hatta döndüren iki adet
yarım dalga devresinin seri bağlanmasından olustuğundan, nötr hattına gerek yoktur. “Köprü devreleri” ya da “çift yollu devreler” olarak da adlandırılır.

Devrelere ait kontrol karakteristikleri üç kategoride toplanabilir. Kontrolsüz Doğrultucu Devreleri : Sadece diyot içerirler, AC besleme gerilimiyle orantılı sabit DC gerilim sağlarlar.

Tam Kontrollü Doğrultucu Devreleri : Tristör (ya da güç transistörü) kullanılır. Tristörlerin iletime geçtiği faz açısının kontrolüyle DC yük geriliminin ortalama değeri ayarlanabilir, yönü değistirilebilir.

Tam kontrollü devreler yük ve besleme arasında iki yönde de güç transferine imkan tanıdığından “çift yönlü konverter” olarak da adlandırılırlar.

Yarım Kontrollü Devreler : Tristör ve diyot karısımı içerirler. Gerilimin yönü değiştirilemez ancak ortalama değeri ayarlanabilir. Bu sebeple yarı kontorllü ve kontrolsüz devreler “tek yönlü konverter” olarak adlandırılırlar.

“Darbe Sayısı” : AC beslemenin bir periyodunda DC gerilim dalga seklinin tekrar sayısını ifadede kullanılan bir terimdir. Örneğin “6-darbeli devre”nin çıkıs dalgalanması giriş frekansının 6 katı frekansa sahiptir. Giris 50 Hz ise, DC dalgalanma 300 Hz’dir.

ÖZET :
Bu bölümde birkaç doğrultucu devresi anlatılmıstır. Böylelikle verilen bir uygulamada
doğru seçimi yapabilmek için değisik devreler üzerine karsılastırma yapma imkanı
sağlanmıstır.

Bir düsük gerilimli yük için (mesela 100V), gerilim değerleri diyot ve tristör etiket
değeri açısından önemli bir gerilim stresi olusturmayacaktır. Ancak bu gerilim seviyesinde;
yarım dalga bağlantısındaki bir diyot gerilim düsümü ile tam dalga bağlantısındaki iki diyot
gerilim düsümü önemli olacaktır. Ayrıca yarım dalga bağlantısında daha az güç kaybı söz
konusudur.

Bir yüksek gerilimli yük için (mesela 2kV) köprü devresi tercih edilmelidir. Çünkü yarım dalga devresinde diyot ya da tristör etiket değeri daha büyük seçilecektir. Yüksek gerilim seviyesinde köprü devresinin iki diyot gerilim düsümü önemsiz kalacaktır. Orta gerilim seviyesinde karmasık trafo dizaynları kullanarak maliyet düsüncesiyle yarım dalga bağlantısı düsünülebilir.

1~lı devreler için düsük güç uygulamaları söz konusudur. (15kW) Çünkü beslemeden
çekilecek akımın gürültü oranı sınırlandırılır. Ek olarak daha büyük yüklerin üç fazda
beslenmesi için sebepler vardır.

Ortalama gerilimin ters çevrilmesi istenen yerlerde tam kontrollü bağlantısı kullanılmalıdır. Bu gerekmiyorsa yarı kontrollü kullanmak daha ucuzdur, ancak akım ve gerilim dalga sekillerindeki büyük gürültüler sebebiyle kullanımlarında teknik sınırlamalar getirilmistir.

KONVERTER ÇALISMA

2. Bölümde AC beslemesinin empedansı ihmal edilerek genel doğrultucu devrelerinin
temel karakteristikleri incelenmistir. Bu bölümde ise besleme empedansının tesiri,
beslemeden çekilen akım ve güç faktörü ve ters yönde güç akısı da ele alınacaktır. Aslında
anlatılan devrelerin bazıları hem redresör hem de inverter olarak çalısabiliyordu. Dolayısıyla
devreler için “konverter” terimini kullanmak daha doğrudur.

Overlap (Çakısma – Üst Üste Gelme)

2. Bölümde bir diyottan (ya da tristör) diğerine akım transferinin (komütasyon) bir anda gerçeklestiği kabul edilmistir. Pratikte ; besleme kaynağının direnç ve entüktansının dahil edilmesiyle akımın bir elemandan diğerine transferi belirli bir zaman alır. Transfer eden elemanın akımı exponansiyel olarak azalırken , diğerininki de aynı oranda artar.

Darbe Genislik Modülatörü (P.W.M) Konverterleri ile Güç Faktörü Kontrolü :

Simdiye kadar anlatılan kontrollü doğrultucular ; AC beslemeden tabii komütasyona ve faz açısı tetikleme gecikmesi kontrolüne dayalı klasik tristör kullanan devrelerdi. Bu devrelerde AC besleme akımı hem gerilime göre geri, hem de harmonikler içeriyordu.

Akımın nonsinüsoidal yapısı ve düsük güç faktörü elektrik üretim ve dağıtım kuruluslarının güç sistemine çesitli problemler olusturur.

DC HAT KOMÜTASYONU

Doğrultucu elemanların bir AC beslemeyle irtibatlı olduğu önceki iki bölümde, elemanlar AC peryot içerisinde akımın sıfıra düstüğü anlarda tabii olarak sönüyorlardı. DC beslemeli çoğu uygulamalarda da yarı iletken elemanlar bulunabilir. DC kaynakla beslenen yüklerin anahtarlanmasıyla yük gücü kontrol edilebilir. Bütün devreler DC Kıyıcı denir.

Kıyıcının temel yapısı Sekil 4.1 de görülmektedir. Gerilim ve akım anahtarlama frekansına
bağlı olarak güç transistorü, güç MOSFET ’i GTO veya IGBT kullanılabilir.

REZONANSLA SÖNÜM

Kondansatör-Bobin kombinasyonu kendinden osilasyona girme özelliği, yedek veya ikinci bir tristör gerektirmeden, iletime girdikten belli bir zaman sonra yük tristörünü söndürmede kullanılabilir.

KUPLAJLI DEVRE

Yük akımını tasıyan tristör, kendisine seri bir endüktörle söndürülebilir. Bu endüktör üzerinde DC besleme gerilimine ters ve ondan daha büyük değerli bir gerilim olusturulmalıdır. Bu gerilim tristör uçlarında ters kutuplanma meydana getirir ve yeterince
uzun olursa tristör söner.

Bu bölümde DC kaynağa bağlı tristörlerin sönümü ile ilgili devreler anlatılmıstır. Yükün tipine
göre devre uygulamaları yer almamıstır. Devrelere R-C veya L-C kombinasyonları
içerdiğinden devre davranısına uygun formüller verilecektir. R-C devresinde akım ve gerilim zamana göre değismeleri Sekil 4.25 teki gibidir. i=Be-t/T v=E+ Ae-t/T ve zaman sabiti T=R.C dir

Güç Elektroniği Ders Notları tüm bölümler: