Yüksek güçlü IGBT'ler için kapı sürme devresi

Abstract

IGBT anahtarlama elemanlarının SOA (Emniyetli çalışma bölgesi İng: Safe Operating Area) bölgesi içerisinde çalışması, sistemdeki di_C/dt'den (kollektör akım değişim hızı) kaynaklı gürültülerin azaltılması, anahtarlama kayıplarının ve bunun sonucu oluşan IGBT'lerin sıcaklık değişimlerinin kontrolünün yapılabilmesi için kapı sürme devrelerinin tasarımı büyük önem taşımaktadır. IGBT anahtarlama geçişlere bakıldığında iki önemli elektriksel stres görülmektedir: Bunlardan birincisi, iletime geçiş esnasında IGBT paralel diyotundan dolayı oluşan yüksek akım aşımlarıdır. İkincisi ise kesime geçiş esnasında sistemdeki kaçak endüktanslardan dolayı IGBT uçlarında oluşan gerilim aşımlarıdır. IGBT'lerin anahtarlandığı çevirici sistemini etkileyen diğer önemli bir etken olan elektromanyetik yayınım durumu bu iki problemden kaynaklanmaktadır. Sürekli çalışmada ise jonksiyon sıcaklığı ve sıcaklıktaki değişimler sistem güvenliğini etkilemektedir. Yüksek ve çok fazla aralıkta değişen sıcaklıklar IGBT'lerde ömür problemine neden olmaktadır. Sıcaklık artışlarında IGBT'nin anahtarlama kayıplarını azaltmak sıcaklık değişimini azaltmak için gerekli bir durumdur. Bu tez çalışması IGBT'lerde aktif kapı sürme algoritması ile yukarıda bahsedilen elektriksel ve termal etkenleri iyileştirmektedir. Akım ve gerilim değişimlerinin kontrolünü birbirinden bağımsız yapmak suretiyle IGBT anahtarlama kayıplarını yalnızca gerilim değişimini değiştirerek düşürmek bu tez çalışmasının temel algoritmasını oluşturmaktadır. Yalnızca gerilim hızını değiştirmek IGBT kesime geçiş sırasında gerilim ve akım aşımlarını ve sistemdeki EMI (Elektromanyetik Girişim İng: Electromagnetic Interference) problemlerini değiştirmez. Çünkü bu hususlar akım değişim hızının değişimiyle alakalıdırlar. Tez çalışması kapsamında IGBT iletime ve kesime geçiş aralıkları kollektör akımı ve kollektör-emiter gerilimi ve kapı gerilimi açısından incelenmiştir. Anahtarlama geçişlerinin her bir aralığına etkiyen faktörler incelenmiş ve formülleriyle verilmiştir. IGBT aktif sürme algoritması IGBT kapı gerilimini uygun anahtarlama aralıklarında istenilen seviyeye getirmeye dayalı çalışmaktadır. Bu davranışı görmek adına öncelikle ANSYS Simplorer ortamında benzetim çalışması yapılmıştır. Benzetim çalışması ile IGBT'nin anahtarlama geçişleri örnek bir modül için nominal akım ve gerilim değerlerinde incelenmiştir. Bunun için de örnek modülün benzetim ortamında modellemesi gerçeklenmiştir. Çalışmada IGBT'nin geçişleri inceleneceği için yapılan modelleme dinamik modellemedir. Modellemenin doğruluğunu analiz etmek için gerçek ortamda IGBT tetiklenmiş, dalga şekilleri çıkartılmıştır. Aynı elektriksel değerlerde benzetim ortamında dalga şekilleri çıkartılmış, gerçek verilerle karşılaştırılmıştır. Tez çalışması kapsamında tamamıyla analog köntrollü bir aktif sürüş tekniği geliştirilmiş ve bir donanım üzerinde gerçeklenmiştir.