GENEL MÜDÜR YARDIMCISI
Fuji Electric firması Invertör sektörü için; daha küçük ebatlarda, azaltılmış kayıplar ve performans artırıcı 7. Nesil X serisi IPM ve IGBT’leri geliştirdi. 7. nesil X serisi çip ve kontrol entegreleri kullanılarak eski ürünlere oranla %10 kayıplarda azalımın yanında ürünün 150C’de sürekli çalışabilmesine olanak sağlandı. Bu sayede cihazın çıkış akımında %31’lik bir artış da oluştu. Geleneksel koruma fonksiyonlarına ilaveten dahili sıcaklık uyarı fonksiyonu invertörlerin durma risklerini ortadan kaldırmaktadır. Ayrıca kısa kol koruması aktif edildiğinde yarı iletken cihazların yüksek geriliminden bozulmasını engellemek için frenleme IGBT’si bağımsız olarak çalıştırılabilmektedir. Enerji ihtiyacının arttığı günümüzde geliştirilen ürünlerin daha az enerji ile daha büyük güçlerde iş yapabilmesi her sektörün önem göstermesi gereken konudur. Fuji Electric yıllar içerisinde geliştirdiği yarı iletken ürünlerinde sektöre yön verici bir firma oldu. Inverter sektörünün en önemli ürünlerinden olan IGBT ve IPM ailesinde 7. jenerasyon ürünleri ile Fuji Electric daha performanslı, kayıpları azaltılmış ve ebat olarak minimalize edilmiş yeni seri ürünlerini sahaya sürdü.
Invertör pazarındaki küçük ebatlı ürün ihtiyacına paralel olarak Fuji, P639, P638 ve P644
üç yeni kasada ürettiği ürünleri pazara sunuyor. Daha önceden üretilmiş olan 5 farklı kasanın yanına eklenen bu ürünler sayesinde aile genişlemektedir. P639, P629 oranla %27 küçültüldü. P644 ailesi P626 ile aynı kasada fakat 7’li IGBT olarak sunulmaktadır. P644 ailesi ise P638 ailesinde aynı akım kapasitesinde %54 küçük ebatla sağlıyor.
Yüksek akım kapasiteli cihazlar, ısıyı hızlı transfer edebilmek için yüksek termal iletkenlik sağlayan materyallere ihtiyaç duyarlar. Fuji X serisi IPM’ler ile sektörün ihtiyaç duyduğu yüksek akım ve yüksek gerilim ürünlerine de olanak sağladı. V serisi IGBT’lerde 600 voltta 400 ampere, 1200 voltta ise 200 ampere kadar çözüm varken, X serisinde bu değerler 600 voltta 450 ampere, 1200 voltta ise 300 ampere kadar yükseltildi. Bu sayede geliştirilen yeni nesil cihazlarda önemli bir ebat küçülmesi sağlanabilmektedir.
X serisi kullanılan yeni nesil çip ve kontrol entegreleri sayesinde bir önceki seri olan V serisine göre kayıplarda %7 azalmaya olanak sağladı. Çalışma sıcaklığını 125 °C’den 150°C’ye çıkararak daha yüksek sıcaklıkta çalışmaya başladı. X serisi ürünler V serilerine göre %31 çıkış akımında artış sağlıyor.
X serisi aynı zamanda endüstride ilk olarak sıcaklık uyarı fonksiyonunu koruyucu olarak sunan cihazdır. Bu sayede kullanıcı IGBT’nin aşırı ısındığını alarmdan anlayarak cihazda acil durdurma sürelerini kısaltmakta ve cihazın efektif kullanımına destek vermektedir.
”X serisi IPM’ler alçak kol koruma anında frenleme IGBT’sinin yalnız
çalışabilme imkanı sunan yeni alarm çıkış fonksiyonu özelliğine de sahiptir.”
Genel Fonksiyon ve Özellikleri
Güç çevirici cihazlarının verimini artırmak için IPM’in kayıplarını azaltmak çok önemlidir. Bu kayıplarda belirleyici unsurlar mIPiMttedre kullanılan yarı iletken çip, serbest bırakma diyotları ve bu IGBT’yi sürmek için kullanılan kontrol devreleridir.
Şekil 2’de IGBT çiplerinin enine kesitini göstermektedir. 7. nesil IGBT ve 6. nesil IGBT’lerde de bulunan trench gate yapısı yanında, arka zeminde alan durdurma (field stop) tabakalı ince film IGBT kullanılıyor. 6. nesil ile karşılaştırıldığında 7. nesil IGBT’ler, kollektör emiter scattoürr asyon voltajında iyileşme ve çip kalınlığını da incelterek kapatma (turn-off) kayıplarını da azaltmaktadır.
(Akıllı güç modülleri) IPM’ler, IGBT’lere göre daha fazla yüzey optimizasyonu sağlamaktadır. Bu IPM’ler için entegre kısa devre koruma fonksiyonu sayesinde özel bir iyileştirme geliştirilmiştir. Bu sayede aynı kapama kayıplarında 7. nesil IGBT-IPM’ler 6. nesile göre 0,15 volt ile 0,25 volt daha az anahtarlama gerilimine ihtiyaç duymaktadır.
Yüzey minyatürize edildiğinden azalan voltaj gerilimleri kısa devre akımlarının artmasına sebep olabilmektedir. Bu nedenle trade-off özelliği kısa devre koruması hızlandırılarak geliştirildi. Sonuç
olarak X serisi IPM’ler anahtarlama sırasında oluşan turn-on kayıplarını azaltmak için anahtarlama sürme akım fonksiyonu ile destek sağlıyor. Bu fonksiyon sayesinde IGBT’yi yüksek sıcaklıklarda daha yüksek akım ile sürme ve anahtarlama kayıplarını azaltma özelliği kazandırıldı. Daha fazlası olarak
IGBT çip sıcaklıkları gerçek zamanlı takip edildiğinden optimum zamanda anahtarlama yapılabiliyor. Sürme akım değeri de optimize edilerek trade-off anahtarlama kayıplarının gürültüyü artırması ihtimalinin de önüne geçildi.
Şekil 3, IGBT gate sürücü devresinde sürme akım fonksiyonu sayesinde açma (turn-on) kayıplarının azalmasını gösteriyor. Bu fonksiyon açma kayıplarının %24 azaltılmasını sağladı.
Şekil 4, 650 volt /150’a IPM in inverter uygulamasındaki güç kayıplarının simülasyonunu göstermektedir. Şekilde de görüleceği gibi V serisi IPM’e göre 5 kHz de güç yayılımı yaklaşık %11 10 kHz de ise %7 iyileştirilmektedir.
Koruyucu Fonksiyon Karakteristikleri
Tablo 1 ise X serisi IPM’lerin konvansiyonel V serisi IPM’lerle karşılaştırmasını göstermektedir. X serisi IPM’lerin özellikleri arasında, yüksek hız kısa devre koruma fonksiyonu, geliştirilmiş alarm çıkış fonksiyonu, dahili sıcaklık uyarı çıkış fonksiyonu ve alarm sırasında bağımsız frenleme yer almaktadır.
Bölüm 3.1’de belirtildiği gibi IGBT çiplerinin yüzey yapısının minimize edilmesi IGBT karşılaştırmalarını geliştirecek ve çip performansını maksimize edecektir. Fakat IGBT çip üzerindeki kısa devre akım seviyesi yükseldiği için kısa devre koruma fonksiyonunu, hatalı yükselmeler olmadan hızlandırmak gerekiyor. Bu nedenle kısa devre akımlarında, oluşan tepe akımlarını bastırmayı hızlandırmaya ilaveten kapatma gecikme zamanı da “hatalı yükselmelerden kaynaklı oluşabilecek arızaları önlemek için” optimize edilmiştir.
Ayrıca X serisi IPM’ler her alarm nedenini tanımlama aralığını 0,1ms den 1.1 ms’ye kadar genişleten endüstrideki ilk alarm-sebep belirleme işlevini kullanmaktadır. Böylelikle alarm-sebep tanımlama işlevi için tanımlanabilirlik artmaktadır.
X serisi IPM’ler alçak kol koruma anında frenleme IGBT’sinin yalnız çalışabilme imkanı sunan yeni alarm çıkış fonksiyonu özelliğine de sahiptir.
Geleneksel IPM’lerde alçak kolda anormal bir durum algılandığında oluşan alarm çıkışı devre algoritması ,le aktive edilerek tüm kısa kol çalışmaları durdurulmaktadır. Bu durumda frenleme IGBT side duracaktır. Bu da frenleme devresinin dönen motordan yenilenen enerji oluşumunu önleyecek ve P_N voltajının artmasına sebep olacaktır.
X serisi IPM’lerde kısa kol da oluşacak anormal durumdan oluşan hata çıkışında frenleme IGBT’si çalışmaya devam edebilmektedir. Sonuç olarak X serisi IPM’ler bu sorunu ortadan kaldırabilmektedir. Ayrıca bu durum ana güç kaynağındaki motordan gelen güç yenilemesinin neden olduğu P_N gerilimindeki artışı bastırır ve yarı iletken cihazların aşırı gerilimden bozulmasını önler. Dahası frenleme IGBT sinde bir anormallik olduğunda, frenleme IGBT’si ve diğer alçak koldaki invertörler her zamanki gibi korunmaktadır.
3.3 Sıcaklık Uyarı Çıkış Fonksiyonu
(Bazı modellerde uygulanabilmektedir.) X serisi IPM’ler endüstrideki ilk sıcaklık alarm çıkış fonksiyonuna sahip IPM’lerdir.
Bu çıkış fonksiyonu IGBT çipindeki sıcaklığı görüntülemekte ve IPM kullanıcılarına sıcaklık belirlenen limit değerlerin üzerine çıktığında çipin aşırı sıcaklık durumunun alarmını vermektedir.
Şekil 5 sıcaklık uyarı çıkış fonksiyonunun çalışma esnasındaki dalga formlarını göstermektedir. Çip aşırı sıcaklık koruma fonksiyonu, IGBT’nin çip sıcaklığı 175°C’yi aştığında bir alarm vermek ve anahtarlama işlemini durdurmak için kullanılır. Buna mukabil sıcaklık uyarı çıkış fonksiyonu, IGBT’ nin anahtarlama işleminin sıcaklık uyarısı verilirken devam etmesini sağlar. Özellikle bir takım tezgahı veya asansör gibi cihazların soğutma arızası varsa, (kanat tıkanması, fan arızası vb.) X serisi IPM’ler içindeki IGBT çip sıcaklığı 150°C’yi aştığında bir sıcaklık uyarı sinyali verecektir. Sinyali alan ekipman, IPM’e uygulanan yük akımını azaltarak IGBT çip sıcaklığının 175°C’yi geçmesini engelleyerek durmayı önler. Bu sayede çalışma devam eder ve cihaz tamiri uygun bir zamanda yapılabilir.
4. Yüksek Sıcaklık Kayıpları Azaltmanın Etkisi
Tablo 2 X serisi ve V serisi IPM’lerin çalışma sıcaklık karşılaştırmasını göstermektedir.
X serisi IPM’ler V serisi IPM’lerle karşılaştırıldığında Tvjop değerini 125°C’den 150°C’ye, naksimum çip sıcaklığını ise 150°C’den 175°C’ye yükseldi.
Tvjop: (Çalışma esnasındaki çip jonksiyon sıcaklığı)
Tcmax (Maksimum kasa sıcaklığı)
Tvjmax ( Maksimum çip jonksiyon sıcaklığı)
Yüksek sıcaklıkta çalışabilme, X serisi IPM’lerin 7. Jenerasyon paketleme teknolojisinde bulunan yüksek ısıya dayanıklı jel ve yüksek güvenirlik lehim özellikleri sayesindedir. Ayrıca IPM’ deki kontrol entegresi, yüksek sıcaklıkta sıcaklık ve elektromigrasyona duyarlı olmayan bir devre tasarımı dikkate alan bir düzen tasarımı uygulayarak yüksek sıcaklıklarda çalışmayı mümkün kılıyor. Sonuç olarak daha ağır yük koşulları altında ve daha düşük ısı dağıtımı yapılan güç dönüştürme ekipmanlarında uygulanabilir.
Şekil 6, IPM bir güç dönüştürme elamanı olarak işlev gören inventöre bağlandığında inventör çıkış akımı ve çip jonksiyon sıcaklığının bir karşılaştırmasını gösteriyor. X serisi IPM’ler V serisi IPM’lerle kıyaslandığında IGBT çip jonksiyon sıcaklığının sürekli çalışma anında artırılması ve güç kayıplarının azaltılması sayesinde çıkış akımını %31 artırabiliyor.
