Güç Elektroniği Giriş (Introduction) # Bölüm 1

Güç Elektroniği Formülleri, Güç Elektroniği Giriş, Güç Hesaplamaları, Yarım Dalga Doğrultucular, Tam Dalga Doğrultucular, AC Voltaj Kontrolörleri, DC-DC Dönüştürücüler, DC Güç Kaynakları, İnvertörler, Rezonans Dönüştürücüler, Sürücü Devreleri, Snubber Devreleri ve Isı Emiciler, Fourier Serisi, Durum Uzayı Ortalaması

1.1 Güç Elektroniği

Güç elektroniği devreleri, elektronik cihazları kullanarak elektrik gücünü bir formdan diğerine dönüştürür. Güç elektroniği devreleri, yarı iletken cihazları anahtar olarak kullanarak, böylece bir voltajı veya akımı kontrol ederek veya değiştirerek çalışır. Güç elektroniğinin uygulamaları, dc güç aktarımı gibi yüksek güç dönüştürme ekipmanlarından kablosuz tornavidalar, bilgisayarlar için güç kaynakları, cep telefonu şarj cihazları ve hibrit otomobiller gibi günlük aletlere kadar uzanmaktadır. Güç elektroniği, devrelerin miliwatt veya megavat işlediği uygulamaları içerir. Güç elektroniğinin tipik uygulamaları arasında ac’nin dc’ye dönüştürülmesi, dc’nin ac’ye dönüştürülmesi, düzenlenmemiş bir dc geriliminin düzenlenmiş bir dc gerilimine dönüştürülmesi ve bir ac güç kaynağının bir genlik ve frekanstan başka bir genlik ve frekansa dönüştürülmesi yer alır.

Güç dönüştürme ekipmanının tasarımı, elektrik mühendisliğinden birçok disiplini içerir. Güç elektroniği, devre teorisi, kontrol teorisi, elektronik, elektromanyetik, mikroişlemciler (kontrol için) ve ısı transferi uygulamalarını içerir. Yarı iletken anahtarlama kapasitesindeki gelişmeler, elektrikli cihazların verimliliğini ve performansını iyileştirme arzusuyla birleştiğinde güç elektroniğini elektrik mühendisliğinde önemli ve hızla büyüyen bir alan haline getirmiştir.

1.2 Güç Elektroniği Dönüştürücü Sınıflandırılması

Bir güç elektroniği devresinin amacı, yükün voltaj ve akım gereksinimlerini kaynağınkilerle eşleştirmektir. Güç elektroniği devreleri, bir voltaj veya akım dalga biçiminin bir türünü veya seviyesini diğerine dönüştürür ve bu nedenle dönüştürücüler olarak adlandırılır. Dönüştürücüler, kaynak ve yük arasında bir arayüz görevi görür (Şekil 1-1).

Şekil 1-1 Bir güç elektroniği dönüştürücüsü tarafından arayüzlenen bir kaynak ve yük.
Şekil 1-1 Bir güç elektroniği dönüştürücüsü tarafından arayüzlenen bir kaynak ve yük.

Dönüştürücüler, giriş ve çıkış arasındaki ilişkiye göre sınıflandırılır:

1.2.1 AC giriş / DC çıkışı

AC-DC dönüştürücü, bir AC girişinden bir DC çıkışı üretir. Ortalama güç, bir AC kaynağından bir DC yüküne aktarılır. AC-DC dönüştürücü, özellikle bir redresör olarak sınıflandırılır. Örneğin, bir AC-DC dönüştürücü, tümleşik devrelerin, AC sinyalini uygun voltajın bir DC sinyaline dönüştürerek 60 Hz’lik bir AC hat voltajından çalışmasını sağlar.

1.2.2 DC giriş / AC çıkışı

DC-AC dönüştürücü, özellikle bir invertör olarak sınıflandırılmıştır. İnvertörde, ortalama güç DC tarafından AC tarafına akar. İnvertör uygulamalarının örnekleri arasında, 12 V’luk bir bataryadan 120 Vrms 60 Hz voltaj üretme ve bir dizi güneş hücresi gibi alternatif bir enerji kaynağı ile bir elektrik tesisine arayüz oluşturma yer alır

1.2.3 DC giriş / DC çıkışı

DC-DC dönüştürücü, bir yük belirli bir (genellikle düzenlenmiş) dc voltajı veya akımı ancak kaynak farklı veya düzenlenmemiş bir dc değerinde. Örneğin, 12-V’den 5 V elde edilebilir. DC-DC dönüştürücü yoluyla kaynak.

1.2.4 AC giriş / AC çıkışı

AC-AC dönüştürücü, bir ac sinyalinin seviyesini ve / veya frekansını değiştirmek için kullanılabilir. Örnekler, ortak bir ışık kısma devresini ve bir endüksiyon motorunun hız kontrolünü içerir.

Bazı dönüştürücü devreleri, devre ve kontrol parametrelerine bağlı olarak farklı modlarda çalışabilir. Örneğin, bazı redresör devreleri, yarı iletken cihazlar üzerindeki kontrol değiştirilerek invertör olarak çalıştırılabilir. Bu gibi durumlarda, dönüştürücü sınıflandırmasını belirleyen ortalama güç akışının yönüdür. Şekil 1-2’de, pil AC güç kaynağından şarj ediliyorsa, dönüştürücü redresör olarak sınıflandırılır. Dönüştürücünün çalışma parametreleri değiştirilirse ve pil, ac sistemine güç sağlayan bir kaynak görevi görürse, dönüştürücü daha sonra bir evirici olarak sınıflandırılır.

Güç dönüşümü, birden fazla dönüştürücü türü içeren çok adımlı bir süreç olabilir. Örneğin, bir AC-DC-AC dönüşümü, bir AC kaynağını, önce onu doğru akıma dönüştürerek ve ardından dc sinyalini, orijinal AC kaynağından farklı bir genliğe ve frekansa sahip bir AC sinyaline dönüştürerek değiştirmek için kullanılabilir. Şekil 1-3’te gösterildiği gibi.

Şekil 1-2 Bir dönüştürücü, ortalama güç P'nin yönüne bağlı olarak bir doğrultucu veya bir inverter olarak çalışabilir.
Şekil 1-2 Bir dönüştürücü, ortalama güç P’nin yönüne bağlı olarak bir doğrultucu veya bir inverter olarak çalışabilir.
Şekil 1-3 Çok adımlı bir işlemde iki dönüştürücü kullanılır.
Şekil 1-3 Çok adımlı bir işlemde iki dönüştürücü kullanılır.

1.3 Güç Elektroniği Konseptleri

Güç elektroniğindeki bazı kavramları açıklamak için, 9 V’luk bir pilden 3 V dc voltaj seviyesi oluşturmanın tasarım problemini düşünün. Amaç, bir yük direncine 3 V sağlamaktır. Basit bir çözüm, Şekil 1-4’te gösterildiği gibi bir voltaj bölücü kullanmaktır. Bir yük direnci RL için, 2RL’lik bir seri direnç eklemek, RL’de 3 V ile sonuçlanır. Bu çözümle ilgili bir sorun, 2RL tarafından emilen gücün olmasıdır. direnç, yüke teslim edilenden iki kat daha fazladır ve ısı olarak kaybolur, bu da devreyi yalnızca yüzde 33,3 verimli hale getirir. Diğer bir problem ise, yük direncinin değeri değişirse, 2RL direnci orantılı olarak değişmedikçe çıkış voltajının değişmesidir. Bu soruna bir çözüm, 2RL direnci yerine bir transistör kullanmak olabilir. Transistör, karşısındaki voltaj 6 V’ta tutulacak ve böylece çıkışı 3 V’ta düzenleyecek şekilde kontrol edilecektir. Bununla birlikte, bu çözümde aynı düşük verimlilik sorunuyla karşılaşılır.

B

Dahaçok istenilen bir tasarım çözümüne ulaşmak için, Şekil 1-5a’daki devreyi düşünün. Bu devrede, periyodik olarak bir anahtar açılır ve kapanır. Anahtar kapalıyken kısa devre, açıkken açık devredir, bu da gerilimi

Şekil 1-4 9 V'luk bir kaynaktan 3 V oluşturmak için basit bir voltaj bölücü. Güç Elektroniği
Şekil 1-4 9 V’luk bir kaynaktan 3 V oluşturmak için basit bir voltaj bölücü.
Şekil 1-5 (a) Anahtarlamalı bir devre; Güç Elektroniği
Şekil 1-5 (a) Anahtarlamalı bir devre;
Şekil 1-5 (b) darbeli bir voltaj dalga biçimi.
Şekil 1-5 (b) darbeli bir voltaj dalga biçimi.

RL genelinde anahtar kapalıyken 9 V’a ve anahtar açıkken 0 V’ye eşittir. RL boyunca ortaya çıkan voltaj, Şekil 1-5b’deki gibi olacaktır. Bu voltaj açıkça sabit bir dc voltajı değildir, ancak anahtar sürenin üçte biri için kapatılırsa, ortalama vx değeri (Vx olarak gösterilir) kaynak voltajının üçte biridir. Ortalama değer denklemden hesaplanır

 avg(v_{x})=V_{x} = \frac{1}{T} \int_{0}^{T}V_{x}(t)dt = 
\frac{1}{T} \int_{0}^{T/3}9dt \,+ \frac{1}{T}\int_{T/3}^{T}0dt =3V \,(1-1)

Devrenin verimliliği dikkate alındığında, anahtar tarafından emilen anlık güç (bkz. Bölüm 2), gerilim ve akımın ürünüdür. Anahtar açıkken, içindeki akım sıfır olduğu için emdiği güç sıfırdır. Anahtar kapatıldığında, onun tarafından emilen güç sıfırdır çünkü karşısındaki voltaj sıfırdır. Anahtar tarafından emilen güç hem açık hem de kapalı koşullar için sıfır olduğundan, 9-V kaynak tarafından sağlanan tüm güç RL‘ye iletilerek devreyi yüzde 100 verimli hale getirir.

B

Şimdiye kadar devre, 3 V’luk bir dc voltajı oluşturma tasarım amacını gerçekleştirememiştir. Bununla birlikte, voltaj dalga formu vx, bir dc terimi (ortalama değer) artı sinüzoidal terimler içeren bir Fourier serisi olarak ifade edilebilir. darbe frekansı. 3-V dc voltaj oluşturmak için, vx düşük geçişli bir filtreye uygulanır. İdeal bir düşük geçişli filtre, ac terimlerini kaldırırken voltajın dc bileşeninin çıkışa geçmesine izin verir, böylece istenen dc çıkışını oluşturur. Filtre kayıpsız ise, dönüştürücü yüzde 100 verimli olacaktır.

Şekil 1-6 Düşük geçişli bir filtre, yalnızca ortalama vx değerinin yüke geçmesine izin verir. Güç Elektroniği
Şekil 1-6 Düşük geçişli bir filtre, yalnızca ortalama vx değerinin yüke geçmesine izin verir.
Şekil 1-7 Geribildirim, anahtarı kontrol etmek ve istenen çıkış voltajını korumak için kullanılır. Güç Elektroniği
Şekil 1-7 Geribildirim, anahtarı kontrol etmek ve istenen çıkış voltajını korumak için kullanılır.

Pratikte, filtrenin bazı kayıpları olacak ve bir miktar gücü emecektir. Ayrıca switch için kullanılan elektronik cihaz mükemmel olmayacak ve kayıpları olacaktır. Bununla birlikte, dönüştürücünün verimliliği hala oldukça yüksek olabilir (yüzde 90’dan fazla). Filtre bileşenlerinin gerekli değerleri, daha yüksek anahtarlama frekansları ile küçültülebilir, bu da büyük anahtarlama frekanslarını arzu edilir hale getirir. Chaps. 6 ve 7, DC-DC dönüştürme işlemini ayrıntılı olarak açıklar. Bu örnekteki “anahtar”, bir metal oksit alan etkili transistörler (MOSFET) gibi bazı elektronik cihazlardır veya birden fazla elektronik cihazdan oluşabilir.

Güç dönüştürme işlemi genellikle sistem kontrolünü içerir. Gerilim ve akım gibi dönüştürücü çıkış büyüklükleri ölçülür ve istenen çıktıyı korumak için çalışma parametreleri ayarlanır. Örneğin, Şekil 1-6’daki örnekteki 9-V pil 6 V’a düşerse, vx için ortalama 3 V değerini korumak için anahtarın yüzde 50 oranında kapatılması gerekir. Bir geri besleme kontrol sistemi, çıkış voltajının 3 V olup olmadığını algılar ve ayarlar Şekil 1-7’de gösterildiği gibi anahtarın buna göre kapatılması ve açılması.

1.4 Güç Elektroniği Elektronik Anahtarlar

Bir elektronik anahtar, ideal olarak kısa devre veya açık devre olmak üzere iki durumun açık ve kapalı olmasıyla karakterize edilir. Cihazdaki nispeten küçük güç kaybı nedeniyle, anahtarlama cihazlarını kullanan uygulamalar arzu edilir. Anahtar ideal ise, anahtar voltajı veya anahtar akımı sıfırdır, bu da gücü sıfıra çeker. Gerçek cihazlar, açık durumdayken ve açık ve kapalı durumlar arasında geçiş yaparken bir miktar güç emer, ancak devre verimliliği yine de oldukça yüksek olabilir. Transistörler gibi bazı elektronik cihazlar, hem voltajın hem de akımın sıfır olmadığı aktif aralıkta da çalışabilir, ancak bu cihazların, güç işlenirken anahtarlar olarak kullanılması istenilir.

Bu Ders Kitabında

Bu ders kitabının vurgusu, cihaz performansından ziyade temel devre çalışması üzerinedir. Bir güç elektroniği devresinde kullanılan özel anahtarlama cihazı, cihaz teknolojisinin mevcut durumuna bağlıdır. Güç elektroniği devrelerinin davranışları, özellikle iletken bir anahtardaki voltaj düşüşleri varsa, anahtarlama için kullanılan gerçek cihazdan genellikle önemli ölçüde etkilenmez. diğer devre voltajlarına kıyasla küçük. Bu nedenle, yarı iletken cihazlar genellikle ideal anahtarlar olarak modellenir, böylece devre davranışı vurgulanabilir. Anahtarlar açıkken kısa devre, kapalıyken açık devre olarak modellenmiştir. Durumlar arasındaki geçişlerin genellikle anlık olduğu varsayılır, ancak ideal olmayan geçişin etkileri uygun olduğunda tartışılır. Bu bölümde yarı iletken anahtarların kısa bir tartışması ve ilgili ek bilgiler verilmiştir.
sürücü ve söndürücü devreleri Böl. 10. Elektronik anahtar teknolojisi sürekli olarak değişmektedir ve son teknoloji cihazların kapsamlı işlemleri literatürde bulunabilir.

1.4.1 Diyot (Diode)

Bir diyot, en basit elektronik anahtarlama elemanıdır. Açma ve kapama koşullarının devredeki gerilim ve akımlar tarafından belirlenmesi kontrol edilemez. Diyot, mevcut id (Şekil 1-8a) pozitif olduğunda ileri yönlüdür (açık) ve vd negatif olduğunda ters çevrilir (kapalı). İdeal durumda, diyot ileri eğilimli olduğunda kısa devredir ve ters eğilimli olduğunda açık devredir. Gerçek ve idealleştirilmiş akım voltajı karakteristikleri Şekil 1-8b ve c’de gösterilmektedir. İdealleştirilmiş özellik, bu metindeki çoğu analizde kullanılmıştır.

Şekil 1-8 (a) Doğrultucu diyot (Rectifier diode); (b) i-v özelliği; (c) idealleştirilmiş i-v özelliği; (d) ters toparlanma süresi (reverse recovery time) trr; (e) Schottky diyotu. Güç Elektroniği
Şekil 1-8 (a) Doğrultucu diyot (Rectifier diode); (b) i-v özelliği; (c) idealleştirilmiş i-v özelliği; (d) ters toparlanma süresi (reverse recovery time) trr; (e) Schottky diyotu.

İdeal olmayan bir diyotun önemli bir dinamik özelliği ters toparlanma akımıdır. Bir diyot kapandığında içindeki akım azalır ve Şekil 1-8d’de gösterildiği gibi sıfır olmadan önce anlık olarak negatif olur. Trr süresi, genellikle 1 saniyeden az olan ters toparlanma süresidir. Bu fenomen, yüksek frekanslı uygulamalarda önemli hale gelebilir. Hızlı kurtarma diyotları, hat frekansı uygulamaları için tasarlanmış diyotlardan daha küçük bir trr’ye sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Silisyum karbür (SiC) diyotların çok az ters geri kazanımı vardır, daha verimli devrelerde, özellikle yüksek güçlü uygulamalarda.

Schottky diyotlar

Schottky diyotları (Şekil 1-8e), bir P-N bağlantısından ziyade metalden silikona bir bariyere sahiptir. Schottky diyotları tipik olarak 0,3 V’luk bir ileri voltaj düşüşüne sahiptir. Bunlar genellikle diyot düşüşlerinin diğer devre voltajlarına göre önemli olduğu düşük voltajlı uygulamalarda kullanılır. Bir Schottky diyotu için ters voltaj yaklaşık 100 V ile sınırlıdır. Bir Schottky diyotundaki metal-silikon bariyeri, geçici kurtarma işlemlerine ve P-N bağlantı diyotlarından daha hızlı açılıp kapanmaya tabi değildir.

1.4.2 Tristörler (Thyristors)

Tristörler, anahtar açmanın kontrolünün gerekli olduğu bazı güç elektroniği devrelerinde kullanılan elektronik anahtarlardır. Tristör terimi genellikle silikon kontrollü redresör (SCR), triyak, kapı dönüş tristörü (GTO), MOS kontrollü tristör (MCT) ve diğerlerini içeren üç terminalli cihaz ailesini ifade eder. Tristör ve SCR, bazen eşanlamlı olarak kullanılan terimlerdir. SCR, bu ders kitabında tristör ailesindeki kontrollü açma cihazlarını göstermek için kullanılan cihazdır. Tristörler, yüksek güçlü uygulamalarda kullanım için büyük akımlar ve büyük engelleme voltajları kapasitesine sahiptir, ancak anahtarlama frekansları, MOSFET’ler gibi diğer cihazları kullanırkenki kadar yüksek olamaz.

SRC

SCR’nin üç terminali anot, katot ve kapıdır (Şekil 1-9a). SCR’nin çalışmaya başlaması için, pozitif anottan katoda voltaj varken uygulanan bir geçit akımına sahip olması gerekir. İletim sağlandıktan sonra, anot akımını korumak için kapı sinyaline artık gerek kalmaz. SCR, anot akımı pozitif kaldığı ve tutma seviyesi adı verilen minimum bir değerin üzerinde kaldığı sürece çalışmaya devam edecektir. İncir. 1-9a ve b, SCR devre sembolünü ve idealleştirilmiş akım-voltaj karakteristiğini gösterir.

Şekil 1-9c’deki kapı kapatma tristörü (GTO), SCR gibi, anottan katoda voltaj pozitifse, kısa süreli bir kapı akımı tarafından açılır. Bununla birlikte, SCR’den farklı olarak, GTO bir negatif geçit akımı ile kapatılabilir. Bu nedenle GTO, bir anahtarın hem açılma hem de kapanmasının kontrolünün gerekli olduğu bazı uygulamalar için uygundur. Negatif geçit kapatma akımı kısa süreli olabilir (birkaç mikrosaniye), ancak açma akımına kıyasla büyüklüğü çok büyük olmalıdır. Tipik olarak, geçit kapatma akımı, açık durumdaki anot akımının üçte biridir. İdealleştirilmiş i-v özelliği,
SCR için Şekil 1-9b.

Şekil 1-9 Tristör cihazları: (a) silikon kontrollü doğrultucu (SCR); (b) SCR idealleştirilmiş i-v karakteristiği; (c) kapı dönüşü (gate turnoff) (GTO) tristörü (thyristor); (d) triyak (triac); (e) MOS kontrollü tristör (MCT).Güç Elektroniği
Şekil 1-9 Tristör cihazları: (a) silikon kontrollü doğrultucu (SCR); (b) SCR idealleştirilmiş i-v karakteristiği; (c) kapı dönüşü (gate turnoff) (GTO) tristörü (thyristor); (d) triyak (triac); (e) MOS kontrollü tristör (MCT).

Triyak

Triyak (Şekil 1-9d), akımı her iki yönde de iletebilen bir tristördür. Triyak fonksiyonel olarak iki antiparalel SCR’ye eşdeğerdir (paralel fakat zıt yönlerde). Yaygın akkor ışık kısma devreleri, giriş sinüs dalgasının hem pozitif hem de negatif yarı döngülerini değiştirmek için bir triyak kullanır.

Şekil 1-9e’deki MOS kontrollü tristör (MCT), işlevsel olarak GTO’ya eşdeğer ancak yüksek dönüş kapısı akımı gereksinimi olmayan bir cihazdır. MCT, bir SCR’ye ve bir cihaza entegre edilmiş iki MOSFET’e sahiptir. Bir MOSFET, SCR’yi açar ve bir MOSFET, SCR’yi kapatır. GTO’da bir geçit akımı oluşturmanın aksine, MCT, kapıdan katoda uygun voltajın oluşturulmasıyla açılır ve kapanır.

Tristörler, yüksek voltaj ve akım değerleri nedeniyle tarihsel olarak tercih edilen güç elektroniği anahtarıydı. Tristörler, özellikle yüksek güçlü uygulamalarda hala kullanılmaktadır, ancak güç transistörlerinin derecelendirmeleri büyük ölçüde artmıştır ve bu, transistörü birçok uygulamada daha cazip hale getirmiştir.

1.4.3 Transistörler (Transistors)

Transistörler, güç elektroniği devrelerinde anahtar olarak çalıştırılır. Transistör sürücü devreleri, transistörü tamamen açık veya tamamen kapalı durumda olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu, transistörün aynı anda yüksek voltaj ve akıma sahip bölgede çalıştığı doğrusal bir amplifikatör devresi gibi diğer transistör uygulamalarından farklıdır.

Şekil 1-10 (a) Gövde diyotlu MOSFET (N-kanal); (b) MOSFET karakteristikleri.; (c) idealleştirilmiş MOSFET karakteristikleri.. Güç Elektroniği
Şekil 1-10 (a) Gövde diyotlu MOSFET (N-kanal); (b) MOSFET karakteristikleri.; (c) idealleştirilmiş MOSFET karakteristikleri..

Diyotun aksine, bir transistörün açılması ve kapanması kontrol edilebilir. Güç elektroniği devrelerinde kullanılan transistör türleri arasında MOSFET’ler, iki kutuplu bağlantı transistörleri (BJT’ler) ve yalıtımlı geçit iki kutuplu bağlantı transistörleri (IGBT’ler) gibi hibrit cihazlar bulunur. İncir. 1-10 ila 1-12, devre sembollerini ve akım-voltaj özelliklerini gösterir.

MOSFET

MOSFET (Şekil 1-10a), Şekil 1-10b’de gösterilen özelliklere sahip voltaj kontrollü bir cihazdır. MOSFET yapısı, gösterildiği gibi, bazen güç elektroniği devrelerinde avantaj sağlamak için kullanılabilen bir parazitik (gövde) diyot üretir. Güç MOSFET’leri tükenme türünden ziyade geliştirme türündedir. Yeterince büyük bir geçitten kaynağa voltaj, cihazı açarak, drenajdan kaynağa küçük bir voltajla sonuçlanacaktır. Açık durumunda, vDS’deki değişiklik iD’deki değişiklikle doğrusal orantılıdır. Bu nedenle, on MOSFET, RDS (açık) adı verilen bir durum direnci olarak modellenebilir. MOSFET’lerin, birkaç miliohm kadar düşük durumdaki dirençleri vardır. İlk yaklaşım için MOSFET, Şekil 1-10c’de gösterilen bir karakteristiğe sahip ideal bir anahtar olarak modellenebilir. Değerler 1500 V ve 600 A’dan fazladır (aynı anda olmasa da). MOSFET anahtarlama hızlar BJT’lerden daha yüksektir ve megahertz aralığında çalışan dönüştürücülerde kullanılır.

Şekil 1-11 (a) BJT (NPN); (b) BJT karakteristikleri; (c) idealleştirilmiş BJT karakteristikleri; (d) Darlington konfigürasyonu. Güç Elektroniği
Şekil 1-11 (a) BJT (NPN); (b) BJT karakteristikleri; (c) idealleştirilmiş BJT karakteristikleri; (d) Darlington konfigürasyonu.

Şekil 1-12 IGBT: (a) Eşdeğer devre; (b) devre sembolleri. Güç Elektroniği
Şekil 1-12 IGBT: (a) Eşdeğer devre; (b) devre sembolleri.

IGBT

Tipik BJT özellikleri Şekil 1-11b’de gösterilmektedir. Transistörün açık durumu, BJT’yi doygunluğa sürmek için yeterli temel akım sağlanarak elde edilir. Kollektör-emitör doyma voltajı, bir güç BJT’si için tipik olarak 1 ila 2 V’tur. Sıfır taban akımı, kapalı bir transistörle sonuçlanır. BJT için idealleştirilmiş i-v karakteristiği Şekil 1-11c’de gösterilmektedir. BJT akım kontrollü bir cihazdır ve güç BJT’leri tipik olarak düşük hFE değerlerine sahiptir, bazen 20’den daha düşüktür. HFE = 20 olan bir güç BJT’si 60 A’lık bir kolektör akımı taşıyacaksa, örneğin, temel akımın daha fazla olması gerekir. Transistörü doygunluğa sokmak için 3 A’dan fazla. Yüksek bir temel akım sağlayan sürücü devresi, başlı başına önemli bir güç devresidir. Darlington konfigürasyonlarında, Şekil 1-11d’de gösterildiği gibi bağlanan iki BJT bulunur. Kombinasyonun etkili akım kazancı, yaklaşık olarak bireysel kazanımların ürünüdür ve bu nedenle, tahrik devresinden gereken akımı azaltabilir. Darlington konfigürasyonu iki ayrı transistörden oluşturulabilir veya tek bir entegre cihaz olarak elde edilebilir. Güç BJT’leri yeni uygulamalarda nadiren kullanılır ve MOSFET’ler ve IGBT’ler tarafından aşılır.

Şekil 1-12’deki IGBT, bir MOSFET’in entegre bir bağlantısıdır ve
bir BJT. IGBT’nin sürücü devresi, MOSFET’inki gibidir, halihazırdaki özellikleri ise BJT’ninki gibidir. IGBT’ler, birçok uygulamada BJT’lerin yerini almıştır.

1.5 Güç Elektroniği Anahtar Seçimi

Belirli bir uygulama için bir güç cihazının seçimi sadece gerekli voltaj ve akım seviyelerine değil, aynı zamanda anahtarlama özelliklerine de bağlıdır. Transistörler ve GTO’lar hem açılma hem de kapanma, dönüşün SCR’leri, ancak dönüşü değil ve ikisinin de diyotlarının kontrolünü sağlar.

Güç elektroniği devrelerinde anahtarlama hızları ve ilgili güç kayıpları çok önemlidir. BJT, azınlık taşıyıcı bir cihazdır, oysa MOSFET, azınlık taşıyıcı depolama gecikmelerine sahip olmayan ve MOSFET’e anahtarlama hızlarında bir avantaj sağlayan çoğunluk taşıyıcı cihazdır. BJT anahtarlama süreleri, MOSFET için olanlardan çok daha büyük olabilir. Bu nedenle, MOSFET genellikle daha düşük anahtarlama kayıplarına sahiptir ve BJT’ye göre tercih edilir.

Uygun bir anahtarlama cihazı seçerken, ilk dikkat gereken çalışma noktası ve açma ve kapama özellikleridir. Örnek 1-1, seçim prosedürünün ana hatlarını göstermektedir.

ÖRNEK 1-1

Anahtarı Seçimi

Şekil 1-13a’daki devrenin iki anahtarı vardır. Anahtar S1 açıktır ve gerilim kaynağını (Vs = 24 V) akım kaynağına (Io = 2 A) bağlar. V’lerin mevcut kaynaktan bağlantısını kesmek için S1 anahtarını açmak istenir. Bu, sağlamaya yakın ikinci bir S2 anahtarını gerektirir. Şekil 1-13b’deki gibi akım Io için bir yol. Daha sonraki bir zamanda, devreyi orijinal durumuna geri yüklemek için S1 tekrar kapanmalı ve S2 açılmalıdır. Döngü, 200 kHz frekansta tekrarlanacaktır. Her anahtar için gereken cihaz tipini ve her birinin maksimum voltaj ve akım gereksinimlerini belirleyin.

Çözüm

Cihaz tipi, açma ve kapama gereksinimleri, açma ve kapama durumları için anahtarın voltaj ve akım gereksinimleri ve gerekli anahtarlama hızı arasından seçilir.

A

S1 için kararlı durum çalışma noktaları, S1 kapalı için (v1, i1) = (0, Io) ve anahtar açık için (Vs, 0) ‘dadır (Şekil 1-13c). Çalışma noktaları pozitif i ve v eksenlerindedir ve i1 = Io 0 olduğunda S1 kapanmalı ve v1 = Vs 0 olduğunda açılmalıdır. Bu nedenle S1 için kullanılan cihaz hem açma hem de kapatma kontrolünü sağlamalıdır. Şekil 1-10d’nin MOSFET özelliği veya Şekil 1-11c’nin BJT özelliği gereksinimi karşılar. Bir MOSFET, gerekli anahtarlama frekansı, basit geçit sürücü gereksinimleri ve nispeten düşük voltaj ve akım gereksinimi (24 V ve 2 A) nedeniyle iyi bir seçim olacaktır.

Şekil 1-13 Örnek 1-1 için Devre. (a) S1 kapalı, S2 açık; (b) S1 açık, S2 kapalı; (c) S1 için çalışma noktaları; (d) S2 için çalışma noktaları; (e) bir MOSFET ve diyot kullanarak anahtar uygulaması; (f) iki MOSFET kullanarak anahtar uygulaması (senkron düzeltme). Güç Elektroniği
Şekil 1-13 Örnek 1-1 için Devre. (a) S1 kapalı, S2 açık; (b) S1 açık, S2 kapalı; (c) S1 için çalışma noktaları; (d) S2 için çalışma noktaları; (e) bir MOSFET ve diyot kullanarak anahtar uygulaması; (f) iki MOSFET kullanarak anahtar uygulaması (senkron düzeltme).

Şekil 1-13d’de gösterildiği gibi, S2 için kararlı durum çalışma noktaları Şekil 1-13a’da (v2, i2) = (Vs, 0) ve Şekil 1-13b’de (0, Io) ‘dadır. Çalışma noktaları pozitif akım ekseni ve negatif voltaj eksenindedir. Bu nedenle, S2’de pozitif bir akım, S2’yi açmak için gerekliliktir ve S2’nin kapanması gerektiğinde bir negatif voltaj vardır. Çalışma noktaları diyotla eşleştiğinden (Şekil 1-8c) ve cihaz için başka bir kontrol gerekmediğinden, S2 için bir diyot uygun bir seçimdir. Şekil 1-13e, anahtarlama devresinin uygulanmasını gösterir. Maksimum akım 2 A ve engelleme durumunda maksimum voltaj 24 V’tur.

B

Bir diyot, S2 anahtarı için yeterli ve uygun bir cihaz olmasına rağmen, Şekil 1-13f’de gösterildiği gibi, bir MOSFET de bu konumda çalışacaktır. S2 açıkken ve S1 kapalıyken, akım S2 drenajından yukarı doğru akar. Bir MOSFET kullanmanın avantajı, bir diyotla karşılaştırıldığında, iletkenlik sırasında çok daha düşük bir voltaj düşüşüne sahip olmasıdır, bu da daha düşük güç kaybı ve daha yüksek devre verimliliği ile sonuçlanır. Dezavantajı, S1 kapatıldığında S2’yi açmak için daha karmaşık bir kontrol devresinin gerekli olmasıdır. Ancak, bunu yapmak için birkaç kontrol devresi mevcuttur. Bu kontrol şeması, senkron düzeltme veya senkron anahtarlama olarak bilinir.

Bir güç elektroniği uygulamasında, bu devredeki akım kaynağı, içinde neredeyse sabit bir akıma sahip bir indüktörü temsil edebilir.

1.6 SPICE, PSPICE ve CAPTURE

Bilgisayar simülasyonu, bu metin boyunca vurgulanan değerli bir analiz ve tasarım aracıdır. SPICE, Berkeley’deki California Üniversitesi Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü’nde geliştirilmiş bir devre simülasyon programıdır. PSpice, kişisel bilgisayar için geliştirilmiş, piyasada satılan bir SPICE uyarlamasıdır. Yakalama, bir devre şemasının grafik gösteriminden bir simülasyonun yapılmasını sağlayan bir grafik arayüz programıdır. Cadence, OrCAD Capture adlı bir ürün ve ücretsiz bir demo sürümü sunar.1 Bu ders kitabında açıklanan neredeyse tüm simülasyonlar, gösteri sürümü kullanılarak çalıştırılabilir.

Simülasyon,

simülasyonun amacına bağlı olarak çeşitli düzeylerde cihaz ve bileşen modelleme yapabilir. Simülasyon örneklerinin ve alıştırmalarının çoğu idealleştirilmiş veya varsayılan bileşen modellerini kullanır ve sonuçları birinci dereceden tahminler yapar, herhangi bir ders kitabındaki bir konunun ilk tartışmasında yapılan analitik çalışmayla hemen hemen aynıdır. Bir güç elektroniği devresinin temel çalışmasını anladıktan sonra, mühendis, gerçek bir devrenin davranışını daha doğru bir şekilde tahmin etmek için ayrıntılı cihaz modelleri ekleyebilir.

PSpice

PSpice’e eşlik eden grafik son işlemci programı olan Probe özellikle kullanışlıdır. Prob’da, bir devredeki herhangi bir akımın veya voltajın dalga şekli grafik olarak gösterilebilir. Bu, öğrenciye kağıt kalem analizi ile mümkün olmayan devre davranışına bir bakış sağlar. Dahası, Probe, rms ve ortalama değerlerin sayısal belirlenmesi dahil olmak üzere akımları ve / veya gerilimleri içeren matematiksel hesaplamalar yapabilir. Güç elektroniği devreleri için PSpice analizi ve tasarımı örnekleri bu ders kitabının ayrılmaz bir parçasıdır.

Bu metinde listelenen PSpice devre dosyaları, 16.0 sürümü kullanılarak geliştirilmiştir. Yazılımın sürekli revizyonu, simülasyon tekniklerinde güncellemeleri gerektirir.

Şekil 1-14 PSpice'de dirençli bir anahtar uygulama.
Şekil 1-14 PSpice’de dirençli bir anahtar uygulama.

1.7 PSPICE’daki Anahtarlar

1.7.1 Voltaj Kontrollü Anahtar

PSpice’deki voltaj kontrollü anahtar Sbreak, çoğu elektronik cihaz için idealleştirilmiş bir model olarak kullanılabilir. Voltaj kontrollü anahtar, kontrol voltajı tarafından oluşturulan bir değere sahip bir dirençtir. Şekil 1-14, güç elektroniği devrelerinin PSpice simülasyonu için bir anahtar olarak kontrollü bir direnç kullanma konseptini göstermektedir. Bir MOSFET veya başka bir anahtarlama cihazı ideal olarak açık veya kapalı bir anahtardır. Büyük bir direnç, açık bir anahtara yaklaşır ve küçük bir direnç, kapalı bir anahtara yaklaşır. Anahtar modeli parametreleri aşağıdaki gibidir:

ParametreAçıklamaVarsayılan Değer
RONDirenç “ON”1 (bunu 0,001 veya 0,01Ω’a düşürün)
ROFFDirenç “OFF”106 Ω
VONON Durumu için Voltaj Kontrolü1.0 V
VOFFOFF Durumu için Voltaj Kontrolü0 V

Direnç, kontrol gerilimi ile büyükten küçüğe değiştirilir. Varsayılan kapanma direnci 1 M’dir ve bu, güç elektroniği uygulamalarında açık devre için iyi bir yaklaşımdır. 1 direncindeki varsayılan değer genellikle çok büyüktür. Anahtar ideal olacaksa, anahtar modelindeki açık direnç 0,001 veya 0,01 gibi çok daha düşük bir değere değiştirilmelidir.

ÖRNEK 1-2

PSpice’de Gerilim Kontrollü Anahtar

Bir anahtarlama devresinin Yakalama diyagramı Şekil 1-15a’da gösterilmektedir. Anahtar, Breakout cihaz kitaplığında bulunan voltaj kontrollü anahtar Sbreak ile uygulanır. Kontrol voltajı VPULSE şeklindedir ve gösterilen özellikleri kullanır. Yükselme ve düşme süreleri, TR ve TF, darbe genişliği ve periyodu, PW ve PER ile karşılaştırıldığında küçük yapılır. V1 ve V2, anahtar için açık ve kapalı voltaj seviyelerini, varsayılan olarak 0 ve 1 V’u kapsamalıdır. Anahtarlama periyodu 25 ms’dir ve 40 kHz frekansa karşılık gelir.

Sbreak için PSpice modeline düzenle ve ardından PSpice modeli tıklanarak erişilir. Model düzenleyici penceresi Şekil 1-15b’de gösterilmektedir. Ron, ideal bir anahtara yaklaşmak için 0,001 olarak değiştirilir. Geçici Analiz menüsüne Simülasyon Ayarlarından erişilir. Bu simülasyon, Şekil 1-15c’de gösterildiği gibi 80 saniyelik bir çalışma süresine sahiptir.

Şekil 1-15 (a) Örnek 1-2 için Devre; (b) Ron = 0.001 yapmak için PSpice Sbreak anahtar modelini düzenleme; (c) geçici analiz kurulumu (d) Prob çıkışı.
Şekil 1-15 (a) Örnek 1-2 için Devre
Şekil 1-15 (a) Örnek 1-2 için Devre; (b) Ron = 0.001 yapmak için PSpice Sbreak anahtar modelini düzenleme; (c) geçici analiz kurulumu (d) Prob çıkışı.
Şekil 1-15 (b) Ron = 0.001 yapmak için PSpice Sbreak anahtar modelini düzenleme;
Şekil 1-15 (a) Örnek 1-2 için Devre; (b) Ron = 0.001 yapmak için PSpice Sbreak anahtar modelini düzenleme; (c) geçici analiz kurulumu (d) Prob çıkışı.
Şekil 1-15 (c) geçici analiz kurulumu
Şekil 1-15 (a) Örnek 1-2 için Devre; (b) Ron = 0.001 yapmak için PSpice Sbreak anahtar modelini düzenleme; (c) geçici analiz kurulumu (d) Prob çıkışı.
Şekil 1-15 (d) Prob çıkışı

Anahtar kontrol voltajını ve yük direnci voltaj dalga formlarını gösteren prob çıkışı Şekil 1-15d’de görülmektedir.

1.7.1.1 Transistörler (Transistors)

Güç elektroniği devrelerinde anahtar olarak kullanılan transistörler, voltaj kontrollü anahtar kullanılarak simülasyon için ideal hale getirilebilir. Örnek 1-2’de olduğu gibi, ideal bir transistör direnç açısından çok küçük olarak modellenebilir. İdeal olmayan bileşenlere sahip bir devrenin davranışını belirlemek için MOSFET’in RDS (AÇIK) iletken direncini simüle etmek için MOSFET karakteristikleriyle eşleşen bir direnç kullanılabilir. Bir transistörün doğru bir temsili gerekiyorsa, PSpice cihaz kitaplığında veya üreticinin web sitesinde bir model mevcut olabilir. Güçlü MOSFET’ler için IRF150 ve IRF9140 modelleri, gösteri sürümü kitaplığında bulunmaktadır. Varsayılan MOSFET MbreakN veya MbreakN3 modeli, anlamlı bir simülasyon için eşik voltajı VTO için parametrelere ve PSpice cihaz modeline eklenen sabit KP’ye sahip olmalıdır. Üreticinin www.irf.com adresindeki International Rectifier gibi web sitelerinde, ürünleri için SPICE modelleri bulunmaktadır. Temel bir simülasyon için ayrıntılı bir transistör modeli yerine varsayılan BJT QbreakN kullanılabilir.

Şekil 1-16 PSpice'de idealleştirilmiş bir MOSFET sürücü devresi.
Şekil 1-16 PSpice’de idealleştirilmiş bir MOSFET sürücü devresi.

PSpice’deki transistörler, belirli bir sürücü devresinin davranışı gerekli değilse idealize edilebilecek sürücü devrelerine sahip olmalıdır. MOSFET’ler ile simülasyonlar, Şekil 1-16’daki gibi sürücü devrelerine sahip olabilir. Voltaj kaynağı VPULSE, açıp kapatmak için MOSFET’in geçitten kaynağa voltajını kurar. Kapı direnci gerekli olmayabilir, ancak bazen sayısal yakınsama sorunlarını ortadan kaldırır.

1.7.1.2 Diyotlar (Diodes)

Bir güç elektroniği devresini tanımlayan denklemler geliştirilirken ideal bir diyot varsayılır; bu, devre voltajları iletken bir diyot boyunca normal ileri voltaj düşüşünden çok daha büyükse mantıklıdır. Diyot akımı, diyot voltajı ile ilgilidir.

i_d=I_s\,e^{v_d/nV_T}-1

burada n, PSpice’de varsayılan değeri 1 olan emisyon katsayısıdır. PSpice’de ideal bir diyot, n’yi 0.001 veya 0.01 gibi küçük bir sayıya ayarlayarak yaklaştırılabilir. Neredeyse ideal diyot, PSpice modeli ile Dbreak parçası ile modellenmiştir.

model \,Dbreak\, D\,n =0.001

İdeal diyot modeli ile simülasyon sonuçları, açıklayıcı denklemlerden analitik sonuçlarla eşleşecektir. Diyot davranışını daha doğru tahmin eden bir PSpice diyot modeli, bir cihaz kitaplığından elde edilebilir. Ayrıntılı bir diyot modeli ile simülasyonlar, idealize edilmiş durumdan daha gerçekçi sonuçlar üretecektir. Bununla birlikte, devre voltajları büyükse, ideal bir diyot kullanmak ile doğru bir diyot modeli arasındaki fark, sonuçları önemli bir şekilde etkilemeyecektir. Dbreak için varsayılan diyot modeli, genellikle sonuçta çok az farkla ideal ve gerçek durumlar arasında bir uzlaşma olarak kullanılabilir.

Şekil 1-17 PSpice için Basitleştirilmiş tristör (SCR) modeli.
Şekil 1-17 PSpice için Basitleştirilmiş tristör (SCR) modeli.

1.7.1.3 Tristörler (SCR’ler) (Thyristors (SCRs))

Bir SCR modeli, PSpice gösteri versiyonu parça kitaplığında mevcuttur ve SCR devrelerini simüle etmede kullanılabilir. Bununla birlikte, model, PSpice gösteri sürümü için bir boyut sınırı koyan görece çok sayıda bileşen içerir. Bu metinde çeşitli devrelerde kullanılan basit bir SCR modeli, Şekil 1-17’de gösterildiği gibi, bir diyotla seri olarak bir anahtardır. Voltaj kontrollü anahtarın kapatılması, SCR’ye bir geçit akımı uygulamaya eşdeğerdir ve diyot, modeldeki ters akımı önler. Bu basit SCR modeli, voltaj kontrollü anahtarın tüm SCR süresi boyunca kapalı kalmasını gerektirme gibi önemli bir dezavantaja sahiptir, bu nedenle cihazı kullanan bir devrenin davranışı hakkında önceden bazı bilgiler gerektirir. Daha sonraki bölümlerde PSpice örneklerinde daha fazla açıklama yer almaktadır.

1.7.2 PSpice’de Yakınsama Sorunları

Bu kitaptaki bazı PSpice simülasyonları, indüktörlü ve kapasitörlü devrelerde gerçekleşen anahtarlama nedeniyle sayısal yakınsama problemlerine tabidir. Bu metinde sunulan tüm PSpice dosyaları, yakınsama sorunlarını önlemek için tasarlanmıştır. Bununla birlikte, bazen bir devre parametresinin değiştirilmesi, geçici analizde yakınsama sorununa neden olur. PSpice yakınsamasıyla ilgili bir sorun olması durumunda,

Aşağıdaki çözümler faydalı olabilir:

  • ITL4 yineleme sınırını 10’dan 100’e veya daha yükseğe çıkarın. Bu, Şekil 1-18’de gösterildiği gibi Simülasyon Profil Seçeneklerinden erişilen bir seçenektir.
  • Bağıl tolerans RELTOL değerini varsayılan değer olan 0.001’den farklı bir değere değiştirin.
  • Cihaz modellerini idealden daha az bir şeye değiştirin. Örneğin, voltaj kontrollü bir anahtarın açık direncini daha büyük bir değere değiştirin veya o kadar hızlı değişmeyen kontrol edici bir voltaj kaynağı kullanın. Modeldeki n değeri artırılarak ideal bir diyot daha az ideal hale getirilebilir. Genellikle idealleştirilmiş cihaz modelleri, gerçek cihaz modellerinden daha fazla yakınsama problemi ortaya çıkaracaktır.
Şekil 1-18 Yakınsama sorunlarını çözebilecek ayarlar için Seçenekler menüsü. RELTOL ve ITL4 burada değiştirildi.
Şekil 1-18 Yakınsama sorunlarını çözebilecek ayarlar için Seçenekler menüsü. RELTOL ve ITL4 burada değiştirildi.
Şekil 1-19 PSpice yakınsamasına yardımcı olmak için RC devresi.
Şekil 1-19 PSpice yakınsamasına yardımcı olmak için RC devresi.
  • Bir RC “söndürücü” devresi ekleyin. Gerilimlerin çok hızlı değişmesini önlemek için anahtarlar arasında küçük bir zaman sabitine sahip bir seri direnç ve kapasitans yerleştirilebilir. Örneğin, bir 1-k direnç ve bir 1-nF kapasitörün bir dizi kombinasyonunu bir diyotla paralel olarak yerleştirmek (Şekil 1-19), simülasyon sonuçlarını etkilemeden yakınsamayı iyileştirebilir.

1.8 Kaynakça

  • M. E. Balci and M. H. Hocaoglu, “Comparison of Power Definitions for Reactive Power Compensation in Nonsinusoidal Circuits,” International Conference on Harmonics and Quality of Power, Lake Placid, N.Y. 2004.
  • L. S. Czarnecki, “Considerations on the Reactive Power in Nonsinusoidal Situations,” International Conference on Harmonics in Power Systems, Worcester Polytechnic Institute, Worcester, Mass., 1984, pp 231–237.
  • A. E. Emanuel, “Powers in Nonsinusoidal Situations, A Review of Definitions and Physical Meaning,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 5, no. 3, July 1990.
  • G. T. Heydt, Electric Power Quality, Stars in a Circle Publications, West Lafayette, Ind., 1991.
  • W. Sheperd and P. Zand, Energy Flow and Power Factor in Nonsinusoidal Circuits, Cambridge University Press, 1979.

Güç Elektroniği İle İlgili Diğer Yazılarımız

  • Güç Elektroniği Formülleri & Denklemleri
  • Güç Hesaplamaları (Power Computations) # Bölüm 2
  • Yarım Dalga Doğrultucular (Half-Wave Rectifiers) # Bölüm 3
  • Tam Dalga Doğrultucular (Full-Wave Rectifiers) # Bölüm 4
  • AC Voltaj Kontrolörleri (AC Voltage Controllers) # Bölüm 5
  • DC-DC Dönüştürücüler (DC-DC Converters) # Bölüm 6
  • DC Güç Kaynakları (DC Power Supplies) # Bölüm 7
  • İnvertörler (Inverters) # Bölüm 8
  • Rezonans Dönüştürücüler (Resonant Converters) # Bölüm 9
  • Sürücü Devreleri, Snubber Devreleri ve Isı Emiciler (Drive Circuits, Snubber Circuits, and Heat Sinks) # Bölüm 10
  • Fourier Serisi (Fourier Series for Some Common Waveforms) # Ek Bölüm A
  • Durum Uzayı Ortalaması (State-Space Averaging) # Ek Bölüm B

Kaynak: Güç Elektroniği – D. Hart (McGraw-Hill, 2010) BBS

https://www.academia.edu/36742714/Power_Electronics_D_Hart_McGraw_Hill_2010_BBS

www.cihancalli.com.tr Adresindeki Güç Elektroniği Yazıları

Leave a Reply

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

%d blogcu bunu beğendi: