paü - güç elektroniği full ders notları

onr_06

güç elektroniğine giriş
güç diyotları
tristörler
güç transistörleri
faz konrtollü doğrultucular
ac ac faz kontrol
dc dc konvertörler
inverterler
statik anahtarlar
güç kaynakları
tasarım ve koruma
eka
ekb
index giriş
kaynak
1 GÜÇ ELEKTRONİĞİ
1.1 GİRİŞ
Güç elektroniği terimi, çok geniş bir alanda elektronik devreleri içine alır ve buradaki amaç ise bir kaynaktan bir yüke giden elektrik gücünün kontrol edilmesidir. Bu kontrol çok değişik biçimlerde; örneğin, sadece kaynaktan yüke giden gücün miktarı olabilir. Bunun yanında, kaynaktaki gücün özelliğiyle karşılaştırıldığında yüke verilen gücün özelliğinin de değiştirilmesi gerekebilir. Buna örnek ise, bir AC kaynak frekansının yükün gereksinimi olan başka bir frekansa değiştirilmesidir.
Bütün bu değişimlerde veya kaynaktan yüke aktarılan gücün kontrolünde, işlemin verimliliği önemlidir. Eğer aktarılan güç büyük ve işlem verimsiz yapılmışsa, büyük kayıplar oluşur. Bu kayıpların ekonomik verimlilik üzerinde değerlendirilmesinin yapılması gerekir ve bu kayıpların, aşırı ısınma sonucu elemanın korunması için elemandan uzaklaştırılması gerekir.
Böyle bir kontrol, anahtarlama teknikleri kullanılarak yapılır: Bazı elektronik elemanlar açık veya kapalı durumlu bir anahtar olarak kullanılır. İdeal bir anahtar ile, kayıpları önleyecek bir kontrol yapılabilir. Gerçekte ise hiçbir eleman böyle bir ideal anahtar görevini yerine getiremez fakat ideal eleman olabilecek kullanışlı elemanlar mevcuttur. Aşağıda sıralanan elemanlar bunlara örnek olabilir:
• BJT (bipolar junction transistor = bipolar jonksiyon transistörü)
• MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor = metal oksit yarı-iletken alan etkili transistörü)
• SIT (static induction transistor = statik indüksiyon transistörü)
• IGBT (insulated gate bipolar transistor = yalıtılmış kapılı bipolar transistör)
• SCR (silikon-controlled rectifier = silikon kontrollu doğrultucu)
• TRIAK (bi-directional gate-controlled thyristors = çift yönlü kapı kontrollu tristörler)
• GTO (gate turnoff SCR = kapıdan kapanabilir SCR)
Yüksek verimlilik gereksinimleri için böyle elemanların güç katlarındaki elektronik elemanların doğrusal operasyonu nadiren kullanılır.
Güç elektroniği dönemi, başlangıcını 1957’de SCR’nin tanıtılması ile yapmıştır. Civalı ark doğrultucular gibi diğer kontrol edilebilen doğrultucuların uzun yıllar boyunca endüstride var olmasına rağmen, böyle elemanlar çok büyük ve yardımcı elemanlara gereksinim duymuşlar, düşük ve orta gerilimlerde verimli olmamışlardır. SCR’nin tanıtılması ile böylece, güç kontrolunun büyük oranda döner makinalardan ve statik manyetik yükselticilerden elektronik elemanlara kaydırılması periyodunun başlangıcı olmuştur. Bu periyodun başlangıcında, güvenilirlik problemleri nedeniyle gelişim yavaş olmuş fakat 1960’lı yılların başında SCR bir çok uygulamalarda kullanılmaya başlanmıştır. O zamandan sonra, yukarıda bahsedilen anahtarlama elemanları geliştirilmiştir, güç yarı-iletkenlerinin çeşitlerindeki bu artış ile, verilen bir uygulama için en uygun güç yarı-iletkeninin seçilmesi gerekir.
1.2 KONTROL TİPLERİ
Güç elektroniği uygulamalarının çoğunluğunda kullanılan dönüştürme düzenlemeleri aşağıda sıralanmıştır.
AC-DC: AC gerilim kaynağı, doğrultularak tek yönlü bir kaynağa dönüştürülür ve daha sonra bu kaynağın filtre edilmesiyle DC kaynağı elde edilir. DC çıkış gerilimi kontrollu doğrultucu kullanılmak suretiyle ayarlı şekle getirilebilir. Ayarlı bu çıkış, DC motorunun hız kontrolünde bir kaynak olarak kullanılabilir.
DC-DC: Herhangi bir gerilimdeki DC, daha büyük veya küçük olarak, başka bir DC kaynağına dönüştürülür. Bir sistemdeki böyle bir uygulama, anahtarlamalı güç dönüşümü olarak adlandırılır. Bir uzay aracının güneş pilleri çıkışının, uzay aracındaki değişik güç sistemlerinde kullanılmak üzere dönüşümü buna ait bir uygulamadır.
DC-AC: Bir DC kaynağı, bir yüke AC gerilim sağlamak için anahtarlanır. Sinüsoidal olmayıp kare biçimli veya adımlı dalga biçimli bu inverter çıkışı, çıkış frekansının değiştirilmesiyle AC motorunun hız ayarında kullanışlıdır.
AC-AC: Ayarlı frekanslı AC çıkış gerilimi, istenilen çıkış dalga biçimini alabilmek için girişin uygun dalga elemanları ile birleştirilir. Giriş genellikle 3 fazlı kaynak ve çıkış frekansı ise giriş frekansından daha azdır. Bu gibi sistemler, teorik olarak cazip olmasına rağmen, ticari olarak geniş alanda kullanılmamaktadır. Çünkü bu sistemlerin düzgün bir şekilde fonksiyonunu yerine getirmesi için karmaşık kontrol sistemleri gerekmektedir.
AC-AC: AC çıkış gerilimi, girişteki temel dalga frekansıyla aynı olarak, faz kontrollu alternatif çıkış gerilimi üretmek için, her yarım dalgada bir kere açılır ve kapanır. Çıkış gerilimi girişe göre azalmaktadır. Böyle bir eleman kaynaktan yüke giden gücü kontrol etmektedir. Akkor flamanlı lambaların ışık yoğunluğunun kontrolu buna bir örnektir.
AC-DC-AC: Yukarıdaki metotların ikisinin birleştirilmesiyle daha başka düzenlemeler yapılabilir. Normal olarak AC şebeke gerilimi, DC’ ye dönüştürülür. Bu DC gerilimden inverter ile ayarlı frekanslı bir AC çıkışı elde edilir. Üretilen AC ise AC motorunun hız kontrolünde kullanılır.
1.3 VERİM KAVRAMI
Bir anahtarlamalı kontrolun veriminin, doğrusal bir kontrolla karşılaştırılması aşağıdaki örnekte görülmektedir. 100 volt’luk bir DC kaynak, 20 ’luk bir yüke 100 watt vermektedir. Bu, şekil 1.1 ve 1.2 de olduğu gibi iki şekilde yapılabilir. Şekil 1.1 de doğrusal kontrolda, R’nin değeri, 20 ’luk yüke 100 watt verecek 2,24 amperi sağlamak için 24,7  olmalıdır. Yükün gücü 100 watt’tır, fakat yükün gücünün kontrolunda R direncinde 124 watt kaybolur. Kaynaktan yüke enerji aktarımındaki verim, işlemdeki 124 watt’lık kayıpla %45 tir.

Şekil 1.1 Şekil 1.2
Yukarıdaki durumdan farklı olarak, şekil 1.2 deki ideal S anahtarı periyodik olarak açılacak ve kapatılacak şekilde düzenlenir. Anahtar kapalı iken, yük gücü 500 watt ve anahtar açık iken sıfırdır ve bunların hepsi şekil 1.3 de gösterilmiştir. Şayet anahtar zamanın %20 sinde kapalı ise, ortalama güç 500 watt’ın %20 si veya 100 watt’tır. Kayıplar yoktur, böylece kaynağın bütün enerjisi yüke aktarılır. Gerçekte ideal anahtarlar yoktur fakat bir ideal anahtar yaklaşık olarak bir BJT olabilir, sonuç ideal bir devre işlemine oldukça yakındır.
Orta derecedeki anahtarlama frekanslarındaki kayıplar, transistörün kollektör-emiter doyma geriliminden kaynaklanmaktadır. Şayet bu gerilim 2 volt ise, bu durumda anahtarlama iletim kayıpları yaklaşık olarak 10 watt olacaktır. Bu, zamanın %20 sinde oluşmakta ve ortalama 2 watt’lık güç kaybına neden olmaktadır. Böylece, yüke 98 watt aktarılabilmesi için, kaynaktan 100 watt’lık bir besleme gerekecek ve kaynaktan yüke güç aktarımının kontrolunda %98 lik bir verim sağlanacaktır. Tabiki, bu bir ideal kabuldür, çünkü anahtarlama süresinin diğer kısımlarında genelde küçük olan başka kayıplar da vardır ve kontrol devrelerini besleyen bazı güç kaynaklarına da gerek vardır. Bununla birlikte, bu, alınabilecek yüksek verimi göstermektedir.
Bunların yanında, 0 ile 500 watt arasında değişen bir yük gücünün sabit bir 100 watt’lık güç değerine uygun olup olmadığı sorulabilir. Bu, yükün özelliğine bağlıdır ve çoğu durumlarda, yük gücünün uygunluğu için bazı filtreleme işlemleri gerekebilir. Bu filtrelemenin gerekliliği, olabildiğince yüksek anahtarlama frekansının kullanılması gerektiğini söyleyebilir. Mevcut kıyıcı devrelerinde 20 kHz’in üzerindeki anahtarlama frekansları kullanılmaktadır ve 500 kHz ve üzeri için yeni tasarımlar geliştirilmeye çalışılmaktadır.
Örneğe başka bir açıdan bakış ise 100 watt’lık istenilen değeri sağlamak için 44,7 volt’luk DC gerilim değerinin yüke uygulanmasının gerektiğine dikkat etmek gerekir. Anahtar ile yük arasına düşük geçiren bir filtrenin yerleştirilmesi, yüke hemen hemen sabit bir gerilim sağlar. Böyle bir düzenleme, 7. Bölümde de görüleceği gibi bir DC-DC konvertörün basitleştirilmiş biçimidir ve şekil 1.4 de görülmektedir. S anahtarının periyodundaki kapalılık çarpanı şimdi % 44,7 olmalıdır.

Şekil 1.3 Şekil 1.4
1.4 ANAHTARLAMA ELEMANLARININ ANMA DEĞERLERİ
Güç yarı-iletkenleri ile belli miktardaki güçler kontrol edilebilir. Tablo 1.1, ticari olarak mevcut olan bazı elemanlar ile anahtarlanabilen akım ve gerilimlerin büyüklüklerini göstermektedir. Maksimum gerilim ve maksimum akım kapasitesinin ikisinin birden verilen bir eleman üzerinde aynı anda bulunması genelde mevcut olmamaktadır.
Tablo 1.1
Eleman Tipi Anma
Gerilimi
(V) Anma
Akımı
(A) Üst Frekans
(Hz) Anahtarlama
zamanı (s) İletim
Direnci ()

Doğrultucu Genel Amaçlı 5000 5000 1 k 100 0,16 m
Yüksek Hızlı 3000 1000 10 k 2-5 1 m
Schottky 40 60 20 k 0,23 10 m

Kesime götürülen Tristörler Ters Tıkama 5000 5000 1 k 200 0,25 m
Yüksek Hızlı 1200 1500 10 k 20 0,47 m
Ters Tıkama 2500 400 5 k 40 2,16 m
Ters İletim 2500 1000 5 k 40 2,1 m
GATT 1200 400 20 k 8 2,24 m
Işık tetiklemeli 6000 1500 400 200-400 0,53 m
Triyaklar 1200 300 400 200-400 3,57 m
Kendiliğinden kesilen tristörler GTO 4500 3000 10 k 15 2,5 m
SITH 4000 2200 20 k 6,5 5,75 m

Güç transistörleri
Tek 400 250 20 k 9 4 m
400 40 20 k 6 31 m
630 50 25 k 1,7 15 m
Darlington 1200 400 10 k 30 10 m
SIT 1200 300 100 k 0,55 1,2
Güç MOSFETleri Tek 500 8,6 100 k 0,7 0,6
1000 4,7 100 k 0,9 2
500 50 100 k 0,6 0,4 m
IGBT Tek 1200 400 20 k 2,3 60 m
MCT Tek 600 60 20 k 2,2 18 m
1.5 GÜÇ YARI-İLETKENLERİNİN KULLANIMI
Aşağıdaki bilgi güç elektroniğinin büyüklüğü ve önemi hakkında bir fikir vermektedir. Temel olarak, bütün değişken hızlı endüstriyel motor sürücüleri güç elektroniği sisteminin belli bir biçimini kullanmaktadır. Uzun yıllar boyunca SCR’ler kullanılmıştır; bunlar değişken hız işlemi sağlamak için bir DC motora ayarlı gerilim verebilecek faz kontrollu doğrultucular olmuştur. Son yıllarda, AC motorlara değişken frekans sağlayan AC-DC-AC inverterler bu endüstri pazarının büyük bir kısmını eline geçirmiştir. Tablo 1.2 güç elektroniğinin bazı uygulamalarının listesini göstermektedir.
Tablo 1.2
Reklamcılık Makine tipi güç aygıtları RF yükselticiler
İklimlendirme Yüksek gerilimli DC Güvenlik sistemleri
Isı kontrolörleri İndüksiyonla ısıtma Servo sistemler
Alarm sistemleri Lazer güç kaynakları Dikiş makinaları
El aletleri Kilitleme röleleri Televizyon devreleri
Ses yükselticiler Madencilik Yük taşıma
Pil ve akü şarjı Lokomotifler Katı hal röleleri
Karıştırıcı, mikser Katı hal kontaktörleri Trenler
Manyetik kayıt Parçacık hızlandırıcılar Güç kaynakları
Boylerler Vakumlu süpürgeler Statik röleler
Hırsız Alarmları Statik devre kesiciler
Çelik değirmenleri
Çimento fırını Trafik sinyal kontrolleri Sıcaklık kontrolleri
Kimyasal işleme VAR kompanzasyonu Zamanlayıcılar
Elbise kurutucu Pompa ve kompresörler Petrol sondajları
Bilgisayarlar Elektrikli battaniyeler Fırın kontrolleri
Konveyörler Elektrikli kapı açıcılar Mıknatıslar
Vinçler Elektrikli kurutucular Yolcu taşıma
Işık ayarlayıcılar Elektromekanik elektrokaplama TV saptırıcıları
Displayler Nükleer reaktör kontrol çubuğu Fırınlar
Vantilatörler Lineer indüksiyon motor kontrolu Fonograflar
Elektrikli taşıtlar Civa buharlı lamba balastları Forkliftler
Elektromıknatıslar Güneş enerjili güç kaynakları Oyuncaklar
Flaşörler Radar ve sonar güç kaynakları Meşrubat makinaları
Buzdolapları Senkron makina yol vericileri Gerilim regülatörleri
Asansörlerde Yiyecek ısıtma tepsileri Çamaşır makinaları
Aspiratörler Elektrostatik çökelticiler Kaynak makinaları
Model trenler Ultrasonik generatörler Fotokopi makinaları
Motor kontrolleri Kesintisiz güç kaynakları Yiyecek karıştırıcılar
Motor sürücüleri Yüksek frekanslı aydınlatma TV oyunları
Sinema projektörleri Hava taşıtı güç kaynakları Garaj kapı açıcıları
Elektronik ateşleme Uzay aracı güç kaynakları Gaz türbini başlatıcıları
Regülatörler Saç kurutma makinaları Generatör uyartıcıları
Matbaa makinaları El tipi güç aygıtları Öğütücüler
Genel elektronik elemanlarında kullanılan DC güç kaynaklarının çoğu, AC kaynağının doğrultulması ile DC anahtarlamalı güç kaynağı tipidir. Diğer uygulamalar ise evlerde kullanılan ışık ayarlama anahtarları ve taşınabilir güç aletlerinde kullanılan değişken hız kontroludur. Çok büyük güçlerde, üretilen AC enerjisi DC olarak uzun mesafeli iletimi sağlamak için doğrultulur; iletim hattının sonunda bir DC-AC konvertör AC sistemi enerjilemek için 50-60 Hz de çalışır. Böyle bir düzenleme, bir elektrik dağıtım şirketine ekonomik ve işlemsel avantajlar sağlar. Böyle güç elektroniği sistemleri tüketici ve endüstriyel elemanlarda çok geniş alanda bulunmaktadır.
1.6 ANALİZ METOTLARI
Kullanılan analiz metotları, parçalı doğrusal modelli bir yarı-iletken elemanı modellemektedir. Başka bir modelle temsil edilen, yeni bir bölgeyi geçen yarı-iletken işleminde yeni bir model kullanılır. Modellerin en basit olanlarında, iki durum bulunmaktadır: Yarı-iletken iletimde veya iletimde değildir. Bu model üzerinde gerekli olduğu zaman hassasiyet artırılabilir. Örneğin, yarı-iletkenin kayıplarını gösterebilmek için böyle ikinci dereceli modeller gerekebilir.
Güç elektroniğindeki yarı-iletken uygulamaları bu birinci derece teknik ile iyi bir şekilde modellenebilir. Çoğu devrenin çalışma modu, bir ideal anahtar elemanının çok basit bir modeli kullanılarak belirlenebilir. Gerekli olduğu yerde, analize gerçekte ideal olmayan eleman için hassasiyet eklenebilir. Örnek olarak bir rezonans devresinin analizinde, kayıpsız LC analiz kullanılır. Bir anahtarlama elemanındaki kayıplar veya bir indüktörün direnci, bariz bir etki varsa hesaba katılır. Amaç verimli bir güç dönüşüm işleminin gerçekleştirilmesi olduğundan, kayıplar devre işleminin büyük bir bileşeni olmamalıdır.
İlgili bölümlerde amaç, anahtar olarak kullanılan özel bir anahtardan bağımsız olarak devre analizini yapmaktır. Bazı durumlarda anahtarlama elemanı olarak sadece SCR’nin kullanılabildiği AC-DC dönüşümlerinde bu mümkün olmayabilir. DC-DC dönüşümü gibi diğer durumlarda bir tipten daha fazla tipte anahtarlama elemanı kullanılabilir. Bir SCR, bir BJT veya bir MOSFET arasında güç seviyesine, istenilen anahtarlama frekansına ve istenilen verimliliğe bağlı olarak seçim yapılabilir.
2., 3. ve 4. bölümlerde, farklı yarı-iletken anahtarlar gözönüne alınmış, modelleri yapılmış ve bazı çalışma şartları analiz edilmiştir. Diğer bölümlerde, güç kontrolunun değişik tipleri analiz edilmiş ve tasarım metotları gösterilmiştir. Güç elektronik aygıtlarının tasarımı, ilgili bölümde de görüleceği gibi, dört kısma ayrılabilir:
1. Güç devrelerinin tasarımı
2. Güç aygıtlarının tasarımı
3. Kontrol stratejisinin belirlenmesi
4. Lojik ve kapı devrelerinin tasarımı
Bir prototip yapılmadan önce tasarımcının devrenin parametrelerini bulabilmesi ve devrede oluşabilecek ideal olmayan durumları gözönüne alıp gerektiği zaman bunları düzeltmesi gerekir. Prototip yapıldıktan ve denendikten sonra tasarımcı tasarımının geçerliliği hakkında emin olabilir ve devrenin bazı parametreleri (indüktanstaki bazı kayıplar gibi) hakkında daha doğru tahminlerde bulunabilir.
1.7 ÇALIŞMA SORULARI
1.1 Güç elektroniği nedir?
1.2 Tristörlerin değişik tipleri nedir?
1.3 Bir konvertör nedir?
1.4 AC-DC dönüşümünün prensibi nedir?
1.5 AC-AC dönüşümünün prensibi nedir?
1.6 DC-DC dönüşümünün prensibi nedir?
1.7 Güç elektroniği aygıtlarının tasarımında izlenecek adımlar nedir?
-----------------------------------------------------