Çift darbe testi ile güç MOSFETlerinde, parazitik etki ve anahtarlama kayıplarının uygulamalı tespiti ve Monte Carlo yöntemi ile güvenilirlik analizi

Abstract

Günümüz dünyasında artan bilimsel gelişmelerle birlikte elektronik cihazlar daha küçük, daha hızlı ve daha verimli hale gelmiştir. Transistörler, modern elektronik ve teknoloji devriminin temel bileşenlerinden biridir ve sayısız uygulamanın merkezinde yer alır. Güç yönetimi ve kontrol sistemlerinde kullanılan transistörler, enerji verimliliğini artırarak endüstriyel cihazlardan yenilenebilir enerji sistemlerine kadar geniş bir yelpazede yaygın olarak kullanılır. Motor sürücülerin tasarımı sırasında göz önüne alınan ana kriterler verim, boyut ve maliyettir. Bunlar birçok parametreye bağlı olsa da çalışma sırasında açığa çıkan ısının ana kaynağı olan güç kayıplarının büyük bir kısmı yarı iletken anahtarlama elemanları tarafından oluşturulmaktadır. Bu elemanların doğru seçimi ve etkin kullanımı, sistemin genel performansını doğrudan etkiler. Ayrıca, soğutma sistemlerinin tasarımı ve yerleşimi de bu kayıpların yönetilmesinde kritik bir rol oynar. Yarı iletken malzemelerin termal özellikleri ve anahtarlama hızları, sürücülerin verimliliğini belirleyen önemli faktörlerdir. Yüksek verimli güç dönüştürücüleri ve eviricilerde, MOSFET ve IGBT gibi transistör türleri, yüksek anahtarlama hızları ve düşük kayıpları ile öne çıkar. İletim ve anahtarlama sırasında güç kayıpları nedeniyle ısı açığa çıkar. Bu kayıpların büyük bir kısmı, transistörlerin anahtarlama sırasında sergilediği davranışlardan kaynaklanır. Güç kayıplarını en aza indirmek ve ideal tasarımı oluşturmak için kayıpların tasarım aşamasında öngörülmesi ve hesaplanması büyük önem taşır. Bu çalışmada, ilk olarak MOSFET'lerin yapısı ve çalışma prensipleri incelenmiştir. Ardından dinamik karakteristikleri ve seçim kriterleri ele alınmıştır. Güç MOSFET'lerinde iletim direnci, yükselme zamanı, düşme zamanı ve kapasitelerin etkisini görmek için birbirine yakın değerlerde iki MOSFET, çift darbe testi ile incelenmiş ve deneysel sonuçlar, benzetim ile hesaplama sonuçlarıyla desteklenmiştir. Bütün sonuçların birbirine paralel olarak gösterdiği IAUS260N10S5N019T seri numaralı MOSFET'in belirtilen koşullarda daha verimli olduğudur. Ardından MOSFET'lerin güvenilirliğini değerlendirmek için Monte Carlo analizi ve en kötü durum analizi yöntemleri kullanılmıştır. Monte Carlo analizi ile sıcaklık, besleme gerilimi ve üretim toleransları gibi parametreler, belirlenen aralıklar içinde rastgele değişim göstererek olası sonuçların istatistiksel dağılımı elde edilir. Bu sayede, MOSFET'in gerçek dünya koşullarında performansındaki olası sapmalar ve arıza olasılığı öngörülür. Bu sayede, cihazın güvenli çalışma sınırları belirlenmiştir. Bu iki yöntemin bir arada kullanılmasıyla, MOSFET tasarımlarının güvenilirliği artırılarak elektronik sistemlerin kararlılığı ve performansı en üst düzeye çıkarılmıştır. Paralel MOSFET'lerin akım dağılımını incelemek için, ilk olarak birbirine dört paralel kol bulunan ve her kolda iki seri bağlı MOSFET'in ve sürücü kartının şema ve devre baskı kartı tasarımı yapılmıştır. Tasarım sırasında dikkat edilmesi gereken noktalara değinilmiştir. Yol kalınlıkları belirtilen 22 kW güç seviyesi için hesaplanmış ve sıcaklık artışı dikkate alınmıştır. Anahtarın iç yapısından kaynaklanan doğal parazitik etkiler olduğu gibi devre yapısından eklenen parazitik etkiler de mevcuttur. Bu tez çalışmasında, devre ile ilgili olan, yani MOSFET kaynak bağlantılarına ait parazitik etkiler, MOSFET'ler arası kaçak endüktanslar ve anahtarlama döngüsü kaçak endüktansı incelenmiş ve akım bağlanma etkisi olup olmama durumuna göre matrisler çıkartılmıştır. Benzetim ve test sonuçları, akım dağılımının nasıl gerçekleştiğini ve parazitik etkilerin bu dağılıma olan etkisini göstermiştir. Farklı kapı dirençleri ve sönümleyici kapasitelerle yapılan karşılaştırmalar sonucunda hangi değerlerin kullanılacağına karar verilmiştir. 14,7 Ω kapı direnci, kayıpların en uygun düzeyde olduğu ve tepe değerlerini de aynı şekilde dengeli bir hale getirdiği için, 50 nF sönümleyici kapasite kayıpların artmasını kapı direncine göre daha az etkilediği için yüksek seçilmiş, bu sayede gerilim dalgalanmaları ve ani gerilim değişimi (dv/dt) azaltıldığı için seçilmiştir. Sonuçların yorumlanması bölümünde, elde edilen veriler ışığında akım dağılımının iyileştirilmesi için öneriler sunulmuştur. Bu çalışmalar, paralel MOSFET'lerin daha verimli ve güvenilir bir şekilde kullanılmasına katkı sağlamaktadır.