AR-GE ve TEKNİK DESTEK MÜDÜRÜ
Güç elektroniği yüksek akım ve gerilimlerin yönetilmesini sağlayan kontrol sistemlerini üreten bir uzmanlık alanıdır. Bu alan içerisinde motor kontrolü, kesintisiz güç kaynağı, kaynak makinası, enerji iletimi gibi birçok farklı uygulama alanı bulunuyor. Her uygulamanın kendine özel sorunları ve zorlukları var. Bu sorunları aşmak için farklı malzemeler geliştirilmiştir. Bu yazımızda daha çok motor kontrolü üzerinde duracağız. Güç elektroniğinde en çok kullanılan malzemelerden birisi anahtarlama elemanlarıdır. Anahtarlama elemanları temel olarak BJT (Bipolar Junction Transistor), FET (Field-Effect Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ve Tyristor ana başlıkları içerisindedir. Bu ana başlıkların içerisinde birçok farklı teknoloji çeşitleri mevcuttur. Hedeflenen uygulamaya göre bu malzemelerden birisi seçilmelidir. BJT’ler, emitter, base, collector pinlerine sahiptir. Emitter-collector arasından geçecek olan akım gateemitter arasından geçen akıma bağlıdır. FET’ler ise drain, gate, source pinlerine sahiptir. Drain-source arasından geçecek olan akım gatesource pinleri arasındaki gerilime bağlıdır. FET’ler daha yüksek frekanslarda çalışabilirken BJT’ler düşük frekanslarda çalışabilir. BJT’lerin akım kapasitesi FET’lere göre daha yüksektir.
IGBT’ler BJT ve FET’lerin iyi özelliklerinin birleşiminden oluşan bir malzemedir. IGBT Gate, Emitter, Collector pinlerinden oluşur. Gate pini FET’lerde olduğu gibi gerilimle tetiklenirken akım kapasitesi BJT’lerde olduğu gibi yüksektir. Çalışma frekansı ise BJT’lerden yüksek FET’lerden düşüktür. MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) en çok kullanılan FET türüdür. Bunun yanında son yıllarda geliştirilmiş olan SiCFET’ler (Silicon Carbide FET) yüksek akım, gerilim ve frekans sağlıyor. Genel olarak yüksek akım ve gerilim, orta frekans (20KHz) için IGBT, yüksek akım, gerilim ve yüksek frekans için ise SiCFET. Orta ve düşük gerilim için MOSFET kullanımı yaygındır. Bu ürünlerin kesiştiği değerler aralıkları olabilir, yapılan uygulamanın özellikleri ve maliyet hedeflerine göre doğru ürün seçimi yapılmalıdır. Tyristor ürünleri Gate, Anot ve Katot pinlerine sahiptir. Diğer ürünlerden farklı olarak Gate pinine tetik geldiği zaman sürekli iletimde kalmaktadır ancak Anot ve Katot pinleri arasındaki gerilim O volta düştüğü zaman resetlenir. Bu işleme mühürleme (latching) deniyor. İki Tyristor’ün birbirlerine ters olarak paralel bağlandığı ürün ise Triac’tır. Triac her iki kutupta da çalışabilir. Triac daha çok AC gerilim için tercih edilir, sinüs sinyalleri sürekli kutup değiştirdiği için her iki kutupta da tetiklenebilmesi gerekiyor. Dimmer uygulamaları Triac’ın en çok kullanıldığı uygulamalardır. Özdisan Elektronik IXYS, FUJI ve PANJIT markalarıyla bu ürünleri kullanıcılarına sağlıyor.
“Maliyet olarak uygun olmalarına rağmen indüksiyon motorlarının dezavantajı hız kontrolünün zor olması ve mıknatıslı motorlara göre verimlerinin daha düşük olmasıdır.”
Elektrik motorları sürme yöntemi olarak fırçalı ve fırçasız olmak üzere iki ana gruba ayrılabilir. Bu ana grupların içerisinde birçok alt grup mevcuttur. Motorların hareket edebilmesi için dönen bir manyetik alana ihtiyaç duyulur. Fırçalı DC motorların Rotor ismi verilen hareketli kısmında sargılar, Stator ismi verilen dış kısımda ise sabit mıknatıslar bulunur. Kömür ismi verilen iletken parçalar vasıtasıyla sargılara elektrik verilerek manyetik alan oluşması sağlanır. Bu manyetik alan ile motor hareket ettiğinde kömürün enerji verdiği sargı değiştiği için hareketli bir manyetik alan oluşturulur. Fırçalı motorlar en basit yapıda ve düşük maliyette olan motorlardır. Dezavantajı ise ısınma sorunu, sürtünmeden dolayı kayıpların fazla ve ömrünün kısa olmasıdır. Fırçasız motorlar ise iki farklı yapıda olabilir. İndüksiyon tipi motorlarda sargılar Stator kısmında olup Rotor kısmında ise bakır çubuklar bulunur. Bu motorlar genellikle 3 faz şehir şebekesini kullanarak şebeke frekansında dönen bir manyetik alan oluşturur, Rotor kısmındaki bakır çubuklarda oluşan kısa devre akımı sonucunda zıt bir manyetik alan oluşturarak hareket sağlanır. Bu motorlarda Stator’da dönen manyetik alan ile Rotor’un dönme hızı senkron olmayabilir. Rotor dursa bile Stator’daki manyetik alan dönmeye devam edecektir. Bu yüzden bu motorlar asenkron motor olarak da anılır. Maliyet olarak uygun olmalarına rağmen indüksiyon motorlarının dezavantajı hız kontrolünün zor olması ve mıknatıslı motorlara göre verimlerinin daha düşük olmasıdır. Fırçasız motorların bir diğer türü ise sabit mıknatıslı motorlardır. Bu motorlar diğer motorlara göre daha yeni bir teknoloji ve verimliliği ve sürtünen parçalar olmadığı için kullanım ömürleri oldukça yüksek. Günümüzde kullanımları oldukça artmış durumda. BLDC (Brushless DC Motor) motor denilince genellikle akla bu motorlar geliyor. Mıknatıslı BLDC motorlar elektronik sürücü kartı vasıtasıyla sürülebiliyor. Inner Rotor tipinde olan BLDC motorlarda sargılar statorda mıknatıslar rotorda konumlanmıştır. Outer BLDC motorlarda sargılar rotorda mıknatıslar statorda bulunuyor. Bu motorlarda hareketli kısım Stator’dur. Elektrikli Scooter’larda kullanılanmotorlar bu türe örnek gösterilebilir. BLDC motorlarda hall effect sensörler vasıtasıyla mıknatısların bulunduğu hareketli kısmın konumu algılanarak sarılarda oluşturulan manyetik alan senkron hale getirilir. İndüksiyon motorlarında dönen manyetik alan şehir şebekesinin sinüzoidal yapısı kullanılarak sağlanır. BLDC motorlarda ise bu dönen manyetik alan DC bir gerilim kaynağından H Bridge devresi yardımıyla elde edilir. H Bridge 6 adet MOSFET veya IGBT’den oluşur. BLDC motorlarda 3 adet faz sargısı bulunur. bu sargılara 120 derece açı farkıyla enerji verilmesi gerekir. Sinüs sinyalinde olduğu gibi sargılara verilen elektrik 180 derece bir kutup değiştirmesi gerekir. Sinyaller arasındaki açı farkları ve yön değiştirme işlemi bir işlemcinin 6 kanal PWM çıkışı ile sağlanır. İşlemcinin PWM çıkışları doğrudan IGBT’lere bağlanamayacağı için bir IGBT veya MOSFET sürücü entegreye ihtiyaç duyulur. Motor akımının ölçülmesi, kısa devre durumlarında IGBT’lerin korunması ve IGBT’lerin aşırı ısıdan korunması için ek devrelere ihtiyaç duyuluyor. FUJI Elektronik’in geliştirmiş olduğu IPM modüller tüm bu devreleri ve 6 adet IGBT’yi tek bir paket içerisinde toplamış durumda. Bu şekilde harici malzeme sayısını oldukça azaltarak maliyet ve boyut avantajı sağlamakta, Driver IGBT uyum sorunu yaşanmıyor. IPM modüller soğutucu monte edilebilen yapısı sayesinde IGBT’lerin soğutulmasını kolaylaştırır. Sıcaklık sensoru çıkışı ile IPM’in sıcaklığı takip edilebilir. FAULT çıkışı sayesinde hata durumları tespit edilebilir. Akım algılama girişi vasıtasıyla motor akımı sınırlanabilir ve kısa devrelere karşı korunabilir. Özdisan Elektronik FUJI markası ile müşterilerine destek veriyor.
“FUJI Elektronik’in geliştirmiş olduğu IPM modüller tüm bu devreleri ve 6 adet IGBT’yi tek bir paket içerisinde toplamış durumda. Bu şekilde harici malzeme sayısını oldukça azaltarak maliyet ve boyut avantajı sağlamakta, Driver IGBT uyum sorunu yaşanmıyor.”
