Güç elektroniği sistemleri, tüketici yüklerine (motorlar, aydınlatma, elektrikli araçlar, ısıtma, havalandırma sistemleri ve akü sistemleri gibi) optimum gerilim ve akım sağlayarak bu akım ve gerilimi işleyen ve kontrol eden sistemlerdir. Aşağıda, bir güç elektroniği sisteminin blok diyagramı bulunmaktadır. Burada, akım ve gerilim güç işleyicisine (Power Converter) yönlendirilir ve oradan güç işleyicisinin çıkışından yüklerle (motorlar, aydınlatma sistemleri vb.) buluşur.
Güç işleyicisi, elektrik akımının AC ve DC dönüşümlerini, elektriksel ve mekanik dönüşümleri gerçekleştirmektedir. Akım veya gerilimin, yükün ihtiyacına göre otomatik olarak denetlenmesi amacıyla bir kontrolöre bilgiler gönderilir. Kontrolör, güç işleyicisinin çıkışını istenen değerle karşılaştırarak, bu iki değer arasındaki hatayı minimize etmek için gerekli işaretleri güç işleyicisine iletir. Kontrolöre gidecek bilgiler, Vout ve Iout yani yüke giden akım ve gerilim ölçümleri şeklinde alınır; bu duruma geri besleme (feedback) denir. Kontrolörler genellikle mikrodenetleyiciler ve işlemciler içerir. Güç işleyicisi kısmında, güç çevirme sürecinde bahsedilen güç elektroniği elemanları aktif rol oynamaktadır.
Güç Elektroniği elemanları, sanayi ve evde kullanılan aletlerde verimliliği önemli ölçüde artırmıştır. Bu sistemler, motor kontrollerinde hız değişimleri, sinüs dalgasının doğrultulmasında, enerji iletimi ve dağıtımında anahtarlama işlemlerinde ve daha birçok alanda enerji kalitesini artırarak verimliliği artırmaktadır. Elektronik anahtarlama hızları yüksek olduğu için, bu sistemler anında tepki vererek kısa sürelerde istenen sonuçlara ulaşırlar. Ayrıca, diğer sistemlere göre daha az yer kaplarlar ve daha hızlı üretilebilirler. Örneğin, geçmişte cep telefonu şarj aletleri büyük trafo içerirken, günümüzde güç elektroniği elemanları sayesinde daha kompakt hale gelmiştir.
Yukarıda belirtilen genel bilgiler ışığında, şimdi bu bahsedilen Güç Elektroniği elemanlarına detaylı bir göz atalım.
Yarı iletken gücü anahtarları, normal şartlarda elektriksel olarak iletken değildirler; ancak bazı etkilere maruz kaldıklarında elektrik akışını sağlayabilirler. Bu özelliklerinden ötürü, bu elemanlara yarı iletkenler denir. Yarı iletken güç elemanları, kontrol edilebilirlik derecelerine göre üç ana sınıfa ayrılmaktadır:
Kontrollü anahtarları daha da detaylandıracak olursak:
Bu elemanların tasarımında ve üretiminde malzeme mühendisliği büyük bir rol oynamaktadır. Tasarım sürecinde, kullanılan malzemelerin türleri ve dizilimleri değiştirilerek farklı elemanlar ortaya çıkarılmaktadır. Malzemelerin boyutları, özellikleri ve üretim maliyetleri zamanla azaldıkça, teknoloji de gelişmekte ve bu elemanlardan daha fazla alanda faydalanılmaktadır. Şimdi, bu elemanları ve özelliklerini kısaca inceleyelim.
Diyotlar, ileri yönde kutuplandıklarında (anottan katoda doğru akım geçecek şekilde) küçük gerilimlerde iletim sağlamaya başlarlar. Ters yönde kutuplandıklarında ise (ters yönde akım geçirmeye çalıştığımızda) diyot kesime girer ve elektriği iletmez. Dolayısıyla, diyotu bir anahtar olarak düşünebiliriz.
Tristörler, ana akımın diyotta olduğu gibi anottan katoda doğru aktığı bir yapıya sahiptir. Ancak, tristörler ileri yönde kutuplanmış gerilimi tutup iletmeyebilirler. Tristörler, ileri yönde kutuplandıklarında gate ucundan kısa süreli bir pozitif akım darbesi uygulanarak iletime geçebilirler. Bu durumda, tristör bir kez iletime geçtiğinde kilitlenir ve gate darbesi gittiğinde bile iletimde kalır. Tristörlerin tekrar kesime götürülmesi için ise anot ve katoduna ters yönde gerilim uygulanması gerekmektedir.
BJT’ler, akım kontrollü elemanlardır. Kollektör (C) kısmından emiter (E) kısmına doğru akım akarken, yeterli büyüklükte bir baz (B) akımı sağlandığında BJT’ler iletim durumuna geçer. Bu durum, büyük bir baz akımı sağlayacak bir kontrol devresi gerektirir. Dikkat edilirse, tristörlerde akım darbesi bir kez geldiğinde eleman sürekli iletimde kalıyordu; ancak burada akım darbesi kesildiğinde eleman iletimden çıkar.
MOSFET’ler gerilim kontrollü elemanlardır. Yeterli bir kapı geriliminde (Gate) eleman tümüyle iletimdedir. Kapı-kaynak gerilimi (Vgs) eşik değerinden düşük olduğunda ise açık anahtar gibi kesimdedir. İletim durumunda olmaları için sürekli olarak uygun kapı-kaynak gerilimi uygulanmalıdır.
GTO’lar, tristörler gibi kapı akım darbesi ile iletim durumuna geçirilebilirler. Ancak, GTO’ların kesime sokulma şekli tristörlerden farklıdır. GTO’lar, kesime sokulurken yeterince büyük negatif yönde kapı akım darbesi uygulanmalıdır.
IGBT’ler, MOSFET, BJT ve GTO özelliklerinin birleşiminden oluşan elemanlardır. MOSFET gibi IGBT’yi anahtarlamak için küçük bir enerji gerektiren yüksek empedanslı kapısı bulunmaktadır. BJT gibi, düşük iletim gerilimlerine sahiptirler ve GTO’ya benzer şekilde negatif gerilimleri tutmak için tasarlanabilirler.
Kontrollü anahtarların karşılaştırmalı özellikleri aşağıdaki gibidir:
Tüm bu elemanların güç kapasiteleri ve anahtarlama hızları farklıdır. Kullanılacakları alanlardaki ihtiyaçlar doğrultusunda doğru elemanlar seçilerek güç elektroniği devreleri tasarlanır. Bu devreleri kontrol eden devreler ayrıca tasarlanır ve her elemanın kontrolü için gerekli hesaplamalar yapılır. Ayrıca, devrede kullanılan elemanlara göre gerekli olan soğutma sistemleri de yine yapılan hesaplamalar doğrultusunda belirlenir.
Bu elemanların kullanımlarını basit bir örnekle açıklarsak; bir elektrik motorunun belirli konumlarda hızının anlık olarak yavaşladığını düşünelim. Ancak, motorun daha verimli çalışmasını istiyoruz. Bu noktada, bahsedilen kontrollü anahtarların tetikleme özelliği sayesinde, motorun yavaşladığı bölgelerde ek güç aktarımı yapılarak motorun hızının artırılması sağlanır. Bu tarz uygulamalar, kontrollü anahtarların tetikleme açısının hesaplanması ile gerçekleştirilir ve böylece kontrollü anahtarlar devrede sürekli kalmadan verimli çalışmış olurlar.
Herkese iyi çalışmalar dileriz!
Kaynak: Güç Elektroniği – Ned Mohan / Tore M. Undeland / William P. Robbins
Yapay zeka araçları hayatımıza hızla girdi. ChatGPT, Gemini, Copilot… Bunları artık iş yerinde, evde, okulda…
Modern futbol dünyasında kulüpler iki temel strateji arasında bir seçim yapmak zorunda kalıyor. Ajax, Benfica…
Futbol sadece sahadaki 22 oyuncudan ibaret değil. Tribünlerdeki binlerce insan, oyunun gidişatını doğrudan etkiliyor. Türkiye’de…
Futbolda genellikle kupaları başının üstüne kaldıranları ve parıldayan "Altın Top" (Ballon d'Or) ödüllerini alanları hatırlamak…
Meta’da sular durmuyor: yüzlerce çalışan işten çıkarılıyor; gelişmeleri takip edin, güvenilir bilgilerle durumu özetleyin.
Roketsan’dan Tayfun ve SOM haberleri; güncel teslimatlar sürüyor, savunma teknolojisinde ilerleme ve güncel gelişmeler bu…