Güç Elektroniği Sistemleri genel olarak tüketici yüklerine (motorlar, aydınlatma, elektrikli araçlar, ısıtma, havalandırma sistemleri, akü sistemleri gibi) optimum şekilde ayarlanmış gerilim ve akım sağlayan, bu sağlanan akım ve gerilimi işleyip kontrol eden sistemlerdir. Aşağıda bir güç elektroniği sisteminin blok diyagramı gösterilmektedir. Burada akım ve gerilim güç işleyicisine (Power Converter) girer, oradan da güç işleyicisinin çıkışından bir üst paragrafta bahsedilen tarzda yüklere gider.
Şimdi bu yüke giden akım veya gerilimin bir şekilde denetlenmesi ve yükün ihtiyacına göre otomatik olarak belirlenip gerektiğinde ihtiyaç kadar değiştirlmesi için bir kontrolöre (controller) bilgiler gönderilir, ardından da gerekli referanslar baz alınarak bilgiler kontrolörde değerlendirilip güç işleyicisi kontrol edilir. Kontrolöre gidecek olan bilgiler Vout ve Iout yani yüke giden akım ve gerilimden ölçüm şeklinde alınır (akım ve gerilim ölçülür ve kontrolörde değerlendirilir), buna geri besleme (feedback) denir. Kontrolör temel olarak güç işleyicisinin çıkışı ile istenen değeri karşılaştırır ve bu ikisi arasındaki hatayı en aza indirebilmek için gerekli işaretleri güç işleyicisine gönderir. Kontrolörlerin yapısında ise mikrodenetleyiciler, işlemciler bulunur. Bu diyagramda güç işleyicisi kısmında güç çevirme sürecinde yazıda bahsedeceğimiz güç elektroniği elemanları rol oynamaktadır.
Güç Elektroniği elemanları ile beraber kullanılan Güç Elektroniği Sistemleri sanayide hatta evde kullanılan aletlerde bile verimliliği oldukça artırmıştır. Sanayiden örnek verecek olursak bu sistemler motor kontollerinde (yüke göre hız değişimleri veya motor sürme devrelerinde hız ayarlamada), sinüs dalgasını doğrultmada, şebeke sistemlerinde (enerji iletimi,dağıtımı) anahtarlamalarda ve sayılamayacak daha birçok alanda verimliliği ve enerji kalitesini artırmıştır, çünkü bu sistemlerin anahtarlama hızları elektronik oldukları için çok yüksektir, böylece anında tepki vererek kısa zamanlarda istenen sonuçlara ulaşırlar (enerji kaybının önüne geçilir), diğer ekipmanlara göre daha az yer kaplarlar ve daha seri üretilebilirler (yerden ve zamandan kazanç), örneğin eskiden cep telefonu şarj aletleri içlerinde trafo barındırdığı için daha büyüktü, şimdi ise trafo görevini güç elektroniği elemanları yapmaktadır ve şarj aletleri artık daha küçüktür.
Yukarıda verilen genel bilgilerden sonra şimdi bu bahsedilen Güç Elektroniği elemanlarına bir göz atalım.
Yarı İletken Güç Anahtarları
Bu elemanlar normalde elektriksel olarak iletken değillerdir, ancak bazı etkiler altında elektriksel olarak iletime geçerler, bu yüzden bu elemanlara yarı iletkenler denmiştir.
Yarı iletken güç elemanları kontrol edilebilirlik derecelerine göre 3 sınıfa ayrılırlar;
1. Diyotlar: İletim ve kesim (kesimde enerji akışı sağlamazlar) durumları güç devresi tarafından kontrol edilir.
2. Tristörler: Bir kontrol işareti ile iletime sokulurlar fakat güç devresi tarafından kesime
götürülürler.
3. Kontrollü Anahtarlar: Kontrol işareti ile iletime geçer ve kesime giderler.
Kontrollü anahtarları sınıflandırırsak;
BJT – (Bipolar Junction Transistor) iki kutup jonksiyonlu transistörler,
MOSFET – (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) metal-oksit yarı iletken alan etkili transistör,
GTO – (Gate Turn Off Thyristor) kapıdan tıkanabilen tristör,
IGBT – (Insulated Gate Bipolar Transistor) yalıtılmış kapılı iki kutuplu transistör olarak birkaç eleman sıralanabilir.
Bu elemanların yapımında ve tasarımında malzeme mühendisliği büyük rol oynamaktadır, isimlerinden de anlaşıldığı gibi tasarımı, içerisindeki malzemeler ve dizilişleri değiştirilerek çeşitli elemanlar ortaya çıkmıştır, bu ortaya çıkan elemanlar da elektrik mühendisliğinde gerekli alanlarda kullanılmaktadır. Malzemelerin boyutları, özellikleri, üretim maliyeti ve zamanı azaltıldıkça da teknoloji gelişmekte ve bu elemanlardan daha çok alanlarda yararlanılmaktadır. Şimdi bu elemanları ve özelliklerini kısaca ele alalım.
Diyotlar
Diyotlar ileri yönde kutuplandığında (yani anodunda katoduna doğru akım geçecek şekilde) küçük gerilimlerde iletmeye başlar. Ters yönde kutuplandığında ise (ters yönde akım geçirmeye çalışırsak) diyot kesime girer, yani elektriği iletmez. Bu şekilde çalışması ile diyodu bir anahtar gibi düşünebiliriz.
Burada diyodun akım – gerilim çalışma karakteristiği gösterilmiştir. İleri kutuplandığında eşik gerilimi (çok düşük 0.7 – 1 V kadar) aşıldığında diyot iletime geçmiştir ve üzerinden akım akmaktadır. Ters yönde kutuplandığında ise akım akmamaktadır, diyot kesimdedir (aslında çok küçük miktarda bir sızıntı akımı akmaktadır fakat göz ardı edilebilir), bu durumun da bir eşik değeri vardır, o kırılma değerine kadar (kırılma noktası) ters polarmada diyot kalabilir.
Tristörler
Yukarıda bir tristör ve devre sembolü verilmiştir. Ana akım burada diyotta olduğu gibi anottan katoda doğru akar, bu hali ile tristörler diyottan farklı olarak ileri yönde kutuplanmış gerilimi tutup iletmeyebilir (yani kesimde kalırlar).
Tristör ileri yönde kutuplanmış iken gate ucundan kısa süreli bir pozitif akım darbesi uygulanması ile iletime geçer. Tristörler bu şekilde bir kez iletime geçtiğinde kilitlenir ve gate (kapı) darbesi gitse bile iletimde kalırlar. Tristörlerin tekrar kesime götürülmesi için ise anot ve katoduna başlangıçtakine göre ters yönde gerilim uygulanması gerekir ( anod akımı negatif olursa), tristörler gate ucundan sinyal verilerek kesime götürülemezler. Bu bilgiler doğrultusunda tristörler için aşağıdaki çalışma karakteristiği (akım – gerilim karakteristiği) ortaya çıkar.
Görüldüğü gibi tristör ileri yönde kutuplu iken, kapıdan akım darbesi aldığında (gate triggered) iletime geçmiştir (bu darbe için gereken akım ne kadar az olursa o kadar avantajlı olur, kimse bu tarz bir anahtarlama için fazla güç harcamak istemez), darbe gelmediğinde kesimdedir ve voltagedrop yazan kısımda üzerindeki gerilim düşümü gösterilmiştir, iletime geçtiğinde üzerindeki gerilim azalmıştır (ne kadar azsa o kadar iyi). Ters yönde kutuplandığında ise diyot gibi kesimdedir.
BJT
BJT ler akım kontrollü elemanlardır. Kollektör (C) kısmından Emitter (E) kısmına doğru akım akarken, yeterince büyük Baz (B) akımı ile (kollektör akımına bağlı olarak) BJT ler iletimde olurlar. Bu durum büyük bir baz akımı sağlayacak kontrol devresi gerektirir. Dikkat edilirse tristörlerde akım farbesi 1 kez geldiğinde eleman sürekli iletimde kalıyordu, burada akım darbesi kesildiğinde eleman iletimden çıkar. Aşağıda BJT’ lerin karakteristikleri verilmiştir.
Akım – gerilim karakteristiğinde kollektör akımına göre gerekli baz akımı değişimi görülmekte. Grafikte Ic nin artması iletim durumunu gösteriyor.
MOSFET
Şekilde ok yönlerine göre n kanallı ve p kanallı mosfet devre şeması gösterilmiştir. MOSFET’ ler gerilim kontrollü elemanlardır. Yeterli bir kapı geriliminde (Gate) eleman tümü ile iletimdedir, kapı – kaynak gerilimi ( Vgs) eşik değerinden düşük olduğunda açık anahtar gibi kesimdedir. İletim durumunda olmaları için sürekli olarak uygun kapı-kaynak gerilimi uygulanmalıdır.
Şekilde Id akımına göre iletim için kontrol edilen (gereken) gerilim değerleri verilmiştir, bu yüzden gerilim kontrollü elemanlardır. Yine dikey eksende grafik elemanın iletimde olduğunu göstermekte (Id nin olması).
GTO
Tristör gibi GTO’ lar da kapı akım darbesi ile iletim durumuna getirilebilir ve bir kez iletime girdiğinde kapı darbesine gerek duymadan iletimde kalır. Tristörlerden farkı kesime sokulma şeklidir. GTO’ lar kesime sokulurken yeterince büyük negatif yönde kapı akım darbesi uygulanır (genliği büyük,birkaç mikro saniye süresince olmalı). Tristörler kesime sokulurken negatif gerilim kapı (gate) ucuna uygulanmıyordu, bu durum karıştırılmamalı, bu elemanlara bu yüzden kapıdan tıkanabilen transistörler denmiştir.
IGBT
IGBT’ ler MOSFET, BJT ve GTO özelliklerinin birleşmesinden oluşan elemanlardır. MOSFET gibi IGBT’ yi anahtarlamak için küçük bir enerji gerektiren yüksek empedanslı kapısı vardır, BJT gibi küçük iletim gerilimleri vardır, GTO ya benzer olarak negatif gerilimleri tutmak için
tasarlanabilirler.
Kontrollü anahtarların bağıl özellikleri;
BJT: Güç Kapasitesi: Orta, Anahtarlama Hızı: Orta
MOSFET: Güç Kapasitesi: Düşük, Anahtarlama Hızı: Hızlı
GTO: Güç kapasitesi: Yüksek, Anahtarlama Hızı: Yavaş
IGBT: Güç Kapasitesi: Orta, Anahtarlama Hızı: Orta
Tüm bu elemanların güç kapasiteleri ve anahtarlama hızları farklıdır. Kullanılacakları alanlardaki ihtiyaçlar doğrultusunda doğru elemanlar seçilerek güç elektroniği devreleri tasarlanır, bu elemanları iletime ve kesime sokacak devreler ayrı olarak tasarlanır ve bu elemanları kontrol eder. Bütün elemanların üreticilerine ait katalogları bulunmaktadır ve devreyi tasarlayacak olan mühendisler bu katalogdaki bilgilere göre (uygulanacak gerilim, kapı akım darbesi vs) devreyi tasarlarlar, ayrıca devrede kullanılan elemanlara göre gerekli hesaplamalar yapılarak istenen değerler için (tetikleme açısı,üretilecek dalga özellikleri gibi) gerekli eleman değerleri bulunur, devre için gerekecek soğutma sistemi vs de yine yapılan hesaplar doğrultusunda belirlenir.
İlginizi çekebilir: vaviyen anahtar bağlantısı
Bu elemanların kullanımlarını basit bir örnekle sözel olarak açıklarsak; Bir elektrik motorunu düşünelim, bu motorun belirli konumlarda bir sebepten dolayı hızının çok kısa bir süreliğine anlık olarak yavaşladığını düşünelim, fakat biz motorun daha verimli çalışmasını yani o bölgelerde yavaşlamamasını istiyoruz, bu bahsettiğimiz kontrollü anahtarlardaki tetikleme özelliği sayesinde (kapıdan darbe akımı verildiğinde iletime geçmesi) motorun o yavaşladığı bölgelerde bu kontrollü anahtarlarla hızının artırılması için motor devresine kabaca ekstra güç aktarılır ve motor kontrollü ve daha verimli çalışmaya başlar. Bu tarz çalışmalar kontrollü anahtar elemanlarının tetikleme açısı hesaplarla motorun yavaşladığı açısal bölgelere göre ayarlanarak yapılır, böylece kontrollü anahtarlar da devrede sürekli kalıp güç tüketmezler ve verimli çalışmış olurlar.
Herkese iyi çalışmalar…
Kaynak: Güç Elektroniği – Ned Mohan / Tore M. Undeland / William P. Robbins