Download Characteristics & Applications of Diodes, Triacs, & Transistors: Semiconductor Switches and more Study notes Engineering in PDF only on Docsity!
YARI İ LETKEN DO Ğ RULTUCU ELEMANLAR
Yarı iletken doğrultucularda ana elemanlar olarak; diyot, konvansiyonel tristör, triac, kapıdan tıkanabilen tristör (GTO), bipolar güç transistörü, güç MOSFET’i ve yalıtılmı ş kapılı bipolar transistör (IGBT) sayılabilir. Diyot haricindekiler ileri yönde potansiyele dayanabilir ve dolayısıyla kontrol edilebilirler.
D İ YOT :
P N
Yapı
Anot
Katod Sembol
Kaçak Akım~ mA
İ leri yönde (gerilim dü~ 0.6V - 0.7V ş ümü)
İ leri iletim
Ters Tıkama
I
V
Karakteristik
N tipi ; negatif yüklü P tipi ; pozitif yüklü
Zener diyodu ; Farkı, p-n ekleminin zener yıkılmasına olanak verecek şekilde çok dar tutulmuş olmasıdır. Gerilim referansı veya gerilim düzenleyici olarak kullanılırlar.
TR İ STÖR :
P
N
Yapı
Anot
Katod Sembol
P
N
Kapı
2000 V , 300 A için30 mm çap ; 0.7 mm kalınlık
Tutma akımı
İ leri yönde (gerilim dü ş ümü) ~ 0.6V - 0.7V Kilitleme akımı
I
V
Karakteristik
İ leri kaçak akım İ leri yönde delinme
Ters delinme
Geri kaçak akım
Kapı akımı uygulanmadığı durum için tristör, iki yönde de iletime izin vermeyen üç tane seri bağlı diyot gibidir. Ters yönde kutuplanma durumunda diyotla aynı davranışı sergiler. İleri yönde kutuplamada yani anot pozitif iken, merkezdeki kontrol jonksiyonunun delinme gerilimi aşılmadıkça 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 oluşursa tristör, iki jonksiyonlu diyot gibi çalışır ve diyotun iki katı gerilim düşümü olur. Tristör’ün iletimde kalabilmesi için anot akımının kilitleme akımı (latching) seviyesini aşması ve tutma akımı (holding) seviyesinin altına düşmemesi gerekir.
I L ≅ 2 Ih <% 1 IFULL − LOAD
Şekilde görüldüğü gibi ileri yönde kutuplanmış tristöre I g kapı akımı uygulanırsa tristör iletime geçer.
Anot akımı kilitleme akımı seviyesini geçer ve tutma akımının altına düşmezse tristör iletimde kalır ve bu andan itibaren de kapı akımı kaldırılabilir. Tristörü söndürmek için (kesim) anot akımı seviyesinin altına düşürülmeli ve tristör kontrol jonksiyonunun tıkama durumuna geçmesine kadar geçen bir sürede ileri yönde gerilim uygulanmamalıdır. Bu amaçla tristöre şekilde 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 olu ş turulan yarı iletken eleman
Tristör Kapı Ucu ve Gerektirdikleri :
Tristörün kapı-katot uçları karakteristiği zayıf P-N jonksiyonununkine benzer. Üründen - ürüne değişmekle birlikte şekildeki karakterlerden birine uyan bir davranış sergiler. Tristörlere uygulanacak minimum akım ve gerilim seviyesi jonksiyon sıcaklığının bir fonksiyonudur. Kapı akım ve geriliminin min. ve max. değerleri vardır. Bu değerler ayrıca belli bir minimum seviyenin üstünde olmalıdır. Kapı akımının ve geriliminin çarpımı olan gücün de bir maksimumu vardır.
İ leri iletim Ig'ye ba ğ lı gerilim de ğ erleri
I
V TersTıkama V
Ig I
Ters yönde akım
Ters kaçak akım
Ianot
30 C
60 C
VG Yüksek dirençsınırı
Minimum tetiklemelimitleri Kapı Akımı IG
Belirli bir tip tristörlereait karakteristikler
IG VG
1 μ Zaman 50 μ Darbe Ş ekli
10V
1A
VG
IG Yük Hattı
Yük hattı
Tetikleme Derbeleri
AC Besleme
Gecikme
Yukarıdaki şekillerde görüldüğü gibi; özellikle AC besleme uygulamalarında tetikleme devresinin üreteceği darbe beslemenin fazına göre belirlenebilmeli ve yeri değiştirilebilmelidir. Tipik örnek ; 1μs’de 10V’luk kaynaktan 1A akıma ulaşabilecek bir darbedir. Ancak çoğu uygulamada 10μs uzunlukta, 1μs’de 2V’a ulaşan darbe yeterlidir. Tetikleme devresi art arda darbeler üretebilmelidir. Bazı uygulamalarda katodları farklı potansiyele sahip iki tristör aynı anda tetiklenmelidir. Bu durumda devre iki veya daha çok izole çıkışı olan trafo içermelidir. Ters yönde darbe uygulamasından kaçınılmalıdır, yoksa daha çok güç harcanır. Ayrıca tristör ters kutupluyken kapı akımı uygulanırsa bu kaçak akımı artırır.
Tipik Tetikleme Devreleri :
Yukarıdaki devrede yük gerilimi kontrol edilmektedir. i g ≅ V besleme / R kapı akımının değeri R’ye
bağlı olduğundan ∝ her periyot değişebilir, tristörün sıcaklığına ve diğer değişimlere bağlı olarak. Ayrıca tam
sıfır ve tam 90 o^ ’de tetikleme yapılamaz. Dolayısıyla bu devre pratikte kullanılmaz. Basit ama pratikte kullanılabilecek tetikleme devresi aşağıda görülmektedir. Devre AC kaynaktan beslenir. R 1 ’e bağlı olarak C 1 exponansiyel şekilde dolar. C 1 belli bir değere ulaşınca unijonksiyon transistör iletime geçer ve C 1 transistör üzerinden boşalarak tristör kapısına darbe üretir.
Vbesleme
Vyük
ig
R
t
VL
R 2
Z C 1
R 1
R 1 ’in ayarlanmasıyla 180 o^ ’ye kadar gecikme elde edilebilir. Bu tür bir devre ile omik yükler kontrol
edilebilir. R 1 ’e eklenecek ek devrelerle de uzaktan otomatik kontrol sağlanabilir. İhtiyaca uygun olarak daha çok
elektronik devre içeren veya osilatör içeren tetikleme devreleri de vardır.
Tetikleme Devrelerinin Kontrol Özellikleri :
Güç kontrol elemanı olarak tristör içeren daha karmaşık sistemler ; kapalı çevrim linkler, çok fazlı besleme, motor tork seviyesi ya da akımının otomatik kontrolü, farklı grupların aynı anda tetiklenmesi sonucu yanlış çalışmayı önleyici döngüler v.s. içerirler. Kontrol karakteristiği, tetikleme gecikme açısı ile giriş gerilimi arasında tanımlanan ilişkiyi verecek şekilde olmalıdır. Aşağıda böyle bir kontrol ve tetikleme devresi diyagram olarak gösterilmiştir.
Kontrol ve Tetikleme Devresi
İstenilen çıkışı sağlayıcı kontrol sinyali (Tetikleme açısının kontrolü)
Tristör kapılarına
Geri besleme sinyalleri (Yük gerilimi, akımı, devir)
Diğer Kontrolcülerden Senkronizasyon Sinyali Geç Darbe üretimi Darbe Katarı Limiti
Tetikleme için AC besleme referansı
Yandaki devrede basit kapı kontrol devresi görülmektedir. Kontrol sinyalinin konumuna göre T 1 ve T 2 iletime geçerek C 1 doldurulup boşaltılarak tristör iletime veya kesime geçirilir. C 2 ise anot – katod geriliminin dV/dt artışını sınırlar.
Güç Transistorü :
Bipolar transistör 3 katmanlı NPN veya PNP yapıda güç transistörüdür. Çalışma aralığında I (^) C , I (^) B ’nin
fonksiyonudur. Belirli bir V (^) CE için baz akımındaki değişme kollektör akımında katlanmış olarak görülür. Bu
oran 15 – 100 kat arasındadır. Ters gerilim uygulanan bir transistörün baz – emiter jonksiyonu 10V civarında delinir. Bu modda çalışılacaksa transistöre seri diyot bağlanmalıdır.
Transistörde kayıplar V (^) CE ile I (^) C ’nin çarpımının bir fonksiyonudur. Yandaki şekilde baz akımı I (^) C akımının 10A geçmesini sağlıyorsa, kayıp güç 1kW, gerilim düşümü 100V ve verim %50 olacaktır. Bu kabul edilemez bir kayıptır. Bu nedenle güç uygulamalarında transistör anahtar gibi kullanılır. I (^) B = 0 iken transistör kesimde. İletim için transistör karakteristiğinin doyma bölgesi kullanılır. Doyma gerilimi 1,1V civarındadır. Kayıplar sadece anahtarlama sırasında olur.
+15V
Kontrol
0V
T 1
T 2
R 1 C 1
D 1 (12 Volt)
C 2
On Off On Off
P
N
P
Collector
Emitter
Base
B
C
E
IC IB VCE
IC
Doyma Gerilimi
Ters Delinme
Kaçak VCE Akım
IB = 0 DelinmeGerilimi
Belirli IB de ğ erleri
IB artıyor
Yapı (^) Sembol NPN transistör karakteristi ğ i
10 Yük
IC IB
+V = 200V
Tristör ile Güç Transistörü kar ş ıla ş tırılırsa ;
- 30A tristör 0,1A kapı akımı, 30A transistör 2A baz akımı
- Güç transistörünün aşırı yük kapasitesi tristörden düşük
- Transistörün anahtarlama hızı çok yüksek (1μs)
- Transistörle yük akımı kontrol edilebilirken, tristörde iletimden sonra kontrol yoktur.
Transistörlerin akım kazancını artırmak için yandaki şekilde görüldüğü gibi darlington bağlantısı kullanılır. Bu şekilde akım kazancı 250’ye çıkarılabilir.
Güç Mosfeti ;
200 100 50
10
1
0. 5 10 50 100 500
Güvenli İş letme
Bölgesi
VCE (ani)
IC
VCE
Kısa devre IB => yüksek IC => devreye ba ğ lı
Açık devre IB = 0
VCE
IB
IC
B
C
E
N+ N+ N+ N+
P P
DiyotAkımı
Drain (^) Metal Kontak
TransistörAkımı
N+ N
Gate Source Metal KontakSilikon Dioksit ( SiO^2 )
Gate
Source
Drain
G
S
D
VDS VGS ID
ID (^) ID
VDS
VGS 9V 7.5V 6V 4.5V 3V
SITH ( Statik Endüksiyon Tristörü ) ; GTO’ya benzer, ancak normalde iletimdedir. Katod – kapı’ya ters gerilim uygulanırsa kesime gider. Diğer tristörlere göre daha az kayıpları vardır ve daha hızlı çalışırlar. Normalde kesimde olan SITH’larda imal aşamasındadır. YARI İ LETKEN ELEMAN KATALOG DE Ğ ERLER İ
Buraya kadar elemanları ve karakteristiklerini inceledik. Ancak bir güç yarı iletken elemanının etiket değerleri oluşturulurken çok değişik boyutların göz önüne alınması gerekir.
Yandaki şekilde bir tristörden I (^) f akımı akarken tristör di/dt eğimiyle sönüme götürülüyor. Tristör, jonksiyonda yeterli şarj miktarı olan Q (^) rr yükü birikene kadar ters yönde I (^) rr akımı geçirecektir. Belirli bir tristör için verilen I (^) f ve di/dt değerlerine karşılık o tristörde buna bağlı olarak Q (^) rr toparlanma yükü ; ters toparlanma yükü ters toparlanma zamanı t (^) rr ve ters toparlanma akımı I (^) rr
olacaktır. Tristörün iletime geçmesi kapı akımıyla sağlanıyordu. Ancak ileri yönde gerilim artış hızı belirli bir değeri aşarsa trisörün iletime geçmesi mümkündür. Tristör jonksiyonunu kapasitör gibi düşünecek olursak,
sızıntı akımına karşılık gelen deplasman akımı
dt
i = Cdv olacaktır. Yeterince yüksek bir dv/dt oranıyla (
örneğin 100V/μs ) bu akım tristörü tetikleyerek iletime geçirebilir. Dolayısıyla belirli bir tristör için aşılmaması gereken bir dv/dt değeri vardır. Tristörün iletime geçmesi öncelikle kapı elektrodu civarında olur. Toplam anot akımı aniden geçecek olursa aşırı ısınma nedeniyle tristör yanabilir. İletime geçme esnasında akımın tüm yüzeye yayılabilmesi için belirli bir zamana ihtiyaç vardır ( tipik olarak 10 μ s ) Bu sebeple bir tristör için akım artış hızı belli bir dI/dt değerini aşmamalıdır.
Jonksiyon sıcaklığı diyot için 150 oC^ ; tristör için 125 o^ C ve güç transistörü için 150 oC^ - 200 oC
değerini aşmamalıdır. Bu nedenle jonksiyondan tabana olan termal direncin belirli bir değeri vardır. Bir elemanın nominal akım değerini, oluşturacağı jonksiyon sıcaklığı belirler yani kayıp gücün bir fonksiyonudur. Taşınan akımın tipi kayıp gücü etkileyecektir. Eğer sinüsoidal bir dalga söz konusu ise referans
değer kullanılabilir. Özel bir dalga şekli için ise 180 o^ ’lik iletimde ortalama dalga değeri etiket değeri olarak verilir. Kısa süreli aşırı yük durumu için her elemanın bir toleransı vardır. Aşırı yük için ısı artışına sebep olacağından cihaz yanabilir. Güç kaybı ısı artışının göstergesi olup akımın karesiyle orantılıdır. Bu sebeple
belirli bir eleman için ∫ i^2 dt^ belirli olmalıdır.
Bir elemanın ileri ve ters yönde uygulanabileceği maksimum gerilim sınırı vardır. Bunlar repetitive peak reverse and peak forward voltages olarak tanımlanır. Ayrıca periyodik olmayan aşırı gerilimler de söz konusu olabilir. Dolayısıyla bir elemanın delinmeden dayanabileceği bu tür gerilimlere ait değeri de vardır.
trr
didt
IF
Irr^ Alan = Qrr
Zaman
Tipik Sönüm Durumu
İletimdeki bir elemanın geçirdiği akım miktarına bağlı olarak belirli bir gerilim düşümü değeri vardır. Bir güç transistörü için etiket değerlerinde, kollektör – baz akım kazancı, frekans ve anahtarlama zamanı bellidir.
Bir tristör için kapı devresiyle alakalı olarak akım, gerilim güç sınırlamaları vardır. Belirli bir eleman için geçici ve kararlı hallerde sahip olunan etiket değerleri çok değişkendir. Belirleyici unsurlar ; gerilim, akım, anahtarlama zamanları, kontrol parametreleri, kayıplar, sıcaklık değerleri vs.. Bunlar kataloglarda verilmiştir. KAYIPLAR VE SO Ğ UTMA Bir güç yarı iletkeninde kayıp kaynakları şu şekilde sıralanabilir ; 1 – İ letim kayıpları ; İ letim akımının ve gerilim dü ş ümünün fonksiyonudur. Dü ş ük frekanslarda ana kayıp kayna ğ ıdır. 2 – Tıkama yönünde kaçak akımla ilgili kayıp 3 – Kapı devresinde tetikleme sinyali sebebiyle kayıp 4 – Anahtarlama kayıpları ; İ letime ve sönüme geçme esnasındaki kayıp enerji. Yüksek frekans uygulamalarında önemli. İletim kayıpları gerilim düşümü ve taşınan akımın çarpımının bir periyottaki ortalamasından hesaplanabilir. Anahtarlama kayıpları ise aşağıdaki şekillerden tespit edilebilir. Akım ile gerilimin çarpımı bize ani güç ifadesini verir. Isı enerjisi ise güç * zaman yani P eğrisi altında kalan alandır. Anahtarlama sebebiyle meydana gelen ortalama güç kaybı ; iletim ve kesim kayıplarının toplamının frekansla çarpımından bulunur. Tetikleme ve kaçak akım güç kayıpları ihmal edilirse elemanın tüketeceği güç iletim kayıplarıyla anahtarlama kayıplarının toplamına eşittir. Bu kayıp cihazda ısı üretimine neden olarak sıcaklık artışı oluşturur. Jonksiyonda üretilen ısı önce cihaz tabanına oradan da soğutuculara transfer olur. Bu transfer ısı seviyesinin düşük olmasıyla radyasyonla değil konveksiyonla olur. Isı seviyesine bağlı olarak hava veya suyla soğutma tercih edilebilir. Isı transferi yüksek sıcaklıklı bölgeden düşük sıcaklıklı bölgeye doğru olur ve sıcaklık farkının termal
rezistansa oranıyla hesaplanır. P = ( T 1 − T 2 )/ R Termal direncin birimi oC^ / W ’dır.
Isı akışı jonksiyondan tabana oradan soğutucuya ve daha sonra da çevreye doğrudur. Toplam termal direnç
; R ja = Rjb + Rbh + Rha ’dır.
Sanal jonksiyon sıcaklığı ise ; Tvj = Ta + PRja ’dır.
Tüm bu hesaplamalar kalıcı hal ve daimi akım şartlarındadır. Kısa süreli geçici haller için ( a ş ırı yük, kısa devre ) jonksiyondaki sıcaklık artışı elemanın termal depolama kapasitesi dikkate alınarak
V i i V
P = V i P
iletime geçi ş zamanı kesime geçi ş zamanı
t
Alan = Güç x Zaman
Hava
Sanal JonksiyonSıcaklı ğ ı Tvj Sıcaklı^ Taban ğ ı Tb
SoSıcaklı ğ utucu ğ ı Th Sıcaklı^ Çevre ğ ı Ta
Rjb Rbh Rha
Jonksiyon ısıgücü giri ş i
Pratikte uygun eleman seçimi uygulamadan uygulamaya değişir. Uygulamada kriterler ; cihaz etiket değerlerine, iletim kayıplarına, anahtarlama kayıplarına, anahtarlama zamanlarına, kontrol stratejilerine ve maliyete bağlı olarak belirlenir. Tristör elemanlar içinde en yüksek akım ve gerilim seviyesine sahiptir, dayanıklıdır, düşük iletim kayıpları vardır ve ucuzdur. Ancak iletime geçişi yavaştır, sönümü yüke bağlıdır. Yüksek güç ve gerilimlerin olduğu 50, 60 Hz uygulamaları için idealdir. AC’den DC eldesinde ya da switch mode güç kaynaklarında hızlı anahtarlama değeri aranır ve ters kutuplamada tıkamaya ihtiyaç yoktur. Buralarda bipolar güç transistörü IGBT, MOSFET, GTO, MCT kullanılabilir. 100kHz’in üzerinde ancak MOSFET kullanılabilir. 100kHz’e kadar bipolar transistörle IGBT düşük maliyeti, düşük iletim kayıpları sebebiyle MOSFET’e karşı tercih edilirken anahtarlama kayıpları MOSFET’den fazladır. 15 kHz’e kadar tristör ; GTO yada asimetrik tristör kullanılır.
İşletme sıcaklıkları düşünüldüğünde transistör ailesi 150 oC^ ’ye kadar işletilebilirken tristörler 125 oC^ ile
sınırlıdır. Kayıplar ve soğutma maliyetleri eleman seçiminde önemlidir. Kısa devreye karşı koruma tristör ailesiyle çok kolaydır. Bu, transistörlerin yüksek akım ve gerilimlerde imalini engelleyici olmuştur.
1kV
2kV
3kV
4kV
5kV
500A 1000A 1500A 2000A 3000A
Tristör
GTO
IGBT
Frekans
1Mhz
100kHz
10kHz
1kHz
Akım
