IPD (Akıllı Güç Cihazı) Diğer Adıyla Elektronik Şalter Nedir?

IPD nedir?

Bir IPD (Intelligent Power Device / Akıllı Güç Cihazı), dahili koruma devreleri bulunan yüksek performanslı bir yarı iletken şalterdir ve örneğin endüktif yüklerde ortaya çıkan enerjiyi absorbe edebilecek yapıdadır.

Bölgeye bağlı olarak IPS (Intelligent Power Switch / Akıllı Güç Şalteri), Smart Switch (Akıllı Şalter) veya High-Side/Low-Side Şalter olarak da adlandırılabilir.

IPD Özelliği 1 (MOSFET ile karşılaştırma)

Yarı iletken şalterler düşünüldüğünde akla ilk gelen bileşenler genellikle MOSFET'lerdir.

Ancak tek bir MOSFET şalter olarak kullanıldığında, bağlı devrede bir kısa devre meydana gelirse MOSFET'in kendisi arızalanabilir.

Buna karşılık IPD'ler; aşırı akıma ve ısınmaya karşı koruma sağlayan ve enerjiyi (örneğin endüktif yüklerden gelen enerjiyi) absorbe eden devrelere sahiptir. Bu sayede kısa devre gibi anormal koşullardan kaynaklanan arızalar oluşmadan şalter işlevselliğini sürdürebilirler.

Mosfet Tabanlı IPD Akıllı Güç Cihazı (Elektronik Şalter)

IPD Özelliği 2 (Sigortalar ile karşılaştırma)
Sigortalar, aşırı akıma karşı koruma sağlayan bileşenlerdir.
Mekanik sigortalar, aşırı akım durumunda devreyi açarak akım akışını durdurur. Ancak normal çalışmaya devam edebilmek için değiştirilmeleri gerekir.
Bir IPD, yarı iletken sigorta olarak kullanıldığında, bileşen aşırı akım gibi anormallikleri algılar ve akım akışını keser. Ayrıca (örneğin MCU'ya) bildirim gönderme işlevine de sahiptir; bu özellik arıza nedeninin analizinde etkili olabilir. Bunun yanı sıra IPD'ler kendiliğinden sıfırlanabilir (self-resetting) özelliğe sahiptir, bu nedenle değiştirilmelerine gerek yoktur.

IPD Özelliği 3 (Mekanik röle ile karşılaştırma)
Röleler, harici bir sinyal yardımıyla elektrik devrelerini AÇMA/KAPAMA işlevi gören bileşenlerdir.
Mekanik röleler mekanik kontaklara sahip olduğundan, ömür ve güvenilirlik açısından endişeler söz konusudur. Ayrıca röleler, anahtarlama sırasında genellikle mekanik bir ses üretir.
Buna karşılık IPD kullanan yarı iletken röleler mekanik kontaklara sahip değildir; bu da daha uzun ömür, daha yüksek güvenilirlik ve daha sessiz çalışma sağlar. Ayrıca gövdesi küçük ve hafiftir ve reflow lehimleme ile monte edilebilir. IPD, açma/kapama röle işlevinin yanı sıra aşırı akımı algılayan bir koruma özelliğine de sahiptir

DC-DC Dönüştürücü (Konvertör)'nün Temelleri

         DC/DC dönüşümü, modern elektronik sistemlerin tasarımı için temel öneme sahiptir. Bu nedenle geliştiriciler verimlilik, güvenli çalışma, maliyet etkinliği vb. açısından ilgili tüm hususlar hakkında bilgi sahibi olmalıdır. Fortune Business Insights tarafından yayınlanan bir rapor, DC/DC dönüştürücüler için küresel pazarın 2021'de 9,7 milyar dolardan 2028'de yaklaşık 19,2 milyar dolara çıkacağını ve bu dönemde yıllık bileşik büyüme oranının %10,2 olacağını öngörmektedir. Bu büyümeyi yönlendirecek sektörler arasında otomotiv endüstrisi, yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik üretimi ve tüketici elektroniği yer alıyor.

Önemli Topoloji Türleri

      DC/DC dönüştürücülerde karar aşamasının belirli faktörlere tabii olduğu çok sayıda topoloji vardır. Başlarda tasarlandığı haliyle doğrusal (lineer) dönüştürücüler (değişken bir doğru akım şeklindeki girişin direnç üzerinden bir gerilim düşüşü yardımıyla sabit bir doğru akım şeklinde çıkışa dönüştürüldüğü) önemli güç kayıpları ve ısıyı dağıtma ihtiyacı nedeniyle çok sınırlı seçenekler sunuyordu. Ancak anahtarlamalı güç kaynağı çözümlerinin ortaya çıkmasıyla birlikte daha yüksek verimlilikler elde edilebilmiş ve sistemin toplam boyutu küçültülmüştür. Tranzistör devreleri, anahtarlama mekanizmasının anahtarlama frekansına bağlı olan bir çıkış gerilim seviyesi üzerinden gerilim regülasyonu için kullanılır.

 

Şekil 1: Buck ve boost dönüştürücülerin temel topolojilerinin ve anahtarlama dalga biçimlerinin şematik gösterimi

      Anahtarlamalı dönüştürücüler günümüzde yaygın olarak kullanılsa da, doğrusal karakteristikli muadillerinin yararlı olmaya devam ettiği uygulamalar hala mevcuttur. Doğrusal dönüştürücüler, örneğin test ekipmanı veya haberleşme donanımı gibi cihazlara ait sinyal bütünlüğünün önemli olduğu durumlarda daha faydalı bile olabilir.

     İlk olarak iki tip DC-DC dönüştürücüye, yani buck ve boost dönüştürücülere bakacağız. Buck dönüştürücüler DC girişinden daha düşük bir DC çıkışı sağlamak için kullanılabilir. Farklı gerilim baraları sağlamak için kullanılabilirler, böylece hassas elektronik bileşenler aksi takdirde onlara zarar verebilecek gerilim artışlarına maruz kalmazlar. Bir buck dönüştürücüdeki anahtarlama mekanizması yüksek frekansta açılıp kapanır ve enerjiyi bir bobinde depolayarak çıkış dalga biçimini daha az dalgalı hale getirir.

Buck Dönüştürücü

         Yüksek güç seviyelerinde, elektronik bileşenler üzerindeki elektrik yükünü birden fazla anahtar ve indüktör arasında dağıtmak için çok fazlı buck dönüştürücüler kullanılabilir. Daha yüksek verimlilik için, Schottky diyot yerine düşük  ileri yönde ileri yönde iletim direncine sahip bir MOSFET kullanan senkron doğrultuculu buck dönüştürücüler iyi bir seçimdir.

 Buck dönüştürücülerin aksine, boost dönüştürücülerin çıkış gerilimi  giriş geriliminin üzerine çıkartılır. Bu çalışma şekli örneğin elektrik motorlarını çalıştırmak istediğinizde faydalı olabilir. Kural olarak, giriş voltajının 4 ila 5 katı gerilim artışları mümkündür, ancak bunun ötesine geçilmemesi tavsiye edilir.

 Elektriksel Yalıtım

Flyback ve Forward Dönüştücü

        Normal buck ve boost dönüştürücüler birçok uygulama için uygundur ancak giriş ve çıkış toprakları birbirine bağlı olduğundan galvanik izolasyon sağlamazlar. Bazen örneğin tıbbi cihazlarda olduğu üzre bu bağlantıları kesmek gerekir  İşte bu noktada forward veya flyback topolojisine sahip dönüştürücüler devreye girer. Bir flyback dönüştürücü düzenlemesinde, devrenin primer ve sekonder taraflarının sargıları birbirinden izole edilir ve bir indüksiyon bobini (karşılıklı akuplaj endüktansı ) üzerinden bağlanırlar.  Anahtarlama sırasında enerji bu bobinin hava boşluğunda depolanır (ayrı bir endüktör kullanılmaz). Forward (ileri) dönüştürücüde de benzer bir prensip kullanılır, ancak primer ve sekonder taraflar gerçek bir transformatör ile ayrılır. Enerji doğrudan bu trafo üzerinden çıkış endüktörü kapasitör ve yüke aktarılır ve bir hava boşluğu endüktivitesi üzerinde depolanmaz (bu tasarımda trafoda hava boşluğu yoktur) . Bu sayede daha yüksek bir verimlilik seviyesine ulaşılır, ancak daha yüksek maliyetler ve esneklik eksikliği gibi dezavantajların da kabul edilmesi gerekir.

Murata NXJ1 DC/DC Dönüştürücü

Manyetik Elemanlara Tasarımda  İhtiyaç Duyulmaması 

       Elektriksel olarak yalıtılmamış dönüştürücüler de devreye indüktör veya transformatörlerin dahil edilmesi gerekli değildir. Bunun yerine, anahtarlamalı kapasitör şemaları kullanılabilir. Anahtarlama ve diyot üzerindeki gerilim kayıpları verimliliği etkilemesine rağmen, senkron doğrultuculu devreler ve daha modern MOSFET'lerin kullanımı verimlilikte daha yüksek değerlerin elde edilmesini sağlar.

Yüksek Güç Uygulamalarında Disk Kondansatörler

Yüksek kapasitans değerleri gerektiren yüksek gerilim uygulamaları özel kondansatör teknolojileri gerektirir. Yüksek gerilim disk kapasitörleri, 50 kV'a kadar çalışma gerilimi, 5000 pF üzerinde kapasitans, düşük endüktans ve %0,5'in çok altında bir dağılım faktörü (DF) gerektiren uygulamalarda kullanılır. Tipik uygulamalar arasında enerji depolama ve lazer boşalması yer alır. X-ray sistemleri, yüksek gerilim güç kaynakları, parçacık hızlandırıcılar ve iyon pompaları gibi bir çok uygulamada yarım dalga gerilim katlayıcıları  kullanılır. Gerilim katlama için kullanılan bu devreler iki diyot, iki kapasitör ve bir AC giriş gerilim kaynağından oluşur.

 Yarım Dalga Gerilim Katlayıcı

Yarım dalga gerilim katlayıcının devre şeması Şekil 1'de gösterilmiştir. Pozitif yarım dalga süresince D1 diyotu, içinden akım akacak şekilde ileri yönde kutuplanmıştır. Bu akım C1 kondansatörüne akar ve onu giriş gerilimi nin tepe değeri (VM) ‘ne şarj eder. Ancak, D2 diyotu ters yönde kutuplanmış olduğu için C2 kondansatörüne akım akmaz. D2 diyotu C2 kondansatörüne akacak akımı engeller. Bu nedenle, C1 kondansatörü pozitif yarım dalga sırasında elektriksek yük olarak dolarken, C2 kondansatörü dolmaz.

  

Şekil 1: Yarım dalga gerilim katlayıcının devre şeması 

 Negatif yarım dalga süresince D1 diyotu ters yönde kutuplanmıştır.  Bu nedenle, negatif yarım dalga süresince C1 kondansatörü dolmaz.  Aksine bu kondansatörde depolanmış olan yük (Qm) boşalır.

 Negatif yarım dalga süresince, D2 ileri yönde kutuplanmıştır,  böylece giriş gerilimi VM ve C1 kondansatörünün gerilimi VM, C2 kondansatörününün gerilimine eklendiğinden C2 kondansatörü 2 VM değerine kadar dolar. Bu nedenle, C2 kondansatörü negatif yarım dalga süresince hem giriş besleme gerilimi VM hem de C1 kondansatöründeki gerilim tarafından doldurulur.  Nihai durumda  C2 kondansatörü 2VM büyüklüğünde bir gerilime sahip olacaktır.  Çıkış tarafından devreye bir yük bağlanırsa, C2 kondansatöründe  2VM gerilim altında depolanmış yük boşalır ve çıkışa doğru akar.

 Bir sonraki pozitif yarım dalga süresince D1 diyotu ileri ve D2 diyotu tıkama yönünde kutuplanmıştır.  Bu nedenle C1 kondansatörü VM’ ye kadar  dolarken C2 kondansatörü dolmadan kalır.  Ancak C2 kondansatöründe depolanan yük boşalır ve çıkış yüküne akar. Yarım dalga gerilim katlayıcı böylece çıkış yüküne 2VM'lik bir gerilim sürer.

 Excimer lazer

Eksimer lazerin çalışma prensibi, bir eksimer molekülündeki lazer etkisine dayanır. Bu, etki molekülün bağlı (birleşik) bir uyarılmış , ancak itici (ayrışan) bir temel duruma sahip olmasına dayanmaktadır. Ksenon ve kripton gibi soy gazlar çok inerttir ve normalde kimyasal bileşikler oluşturmazlar. Bununla birlikte, uyarılmış bir durumda (elektrik boşalmaları veya yüksek enerjili elektron ışınları tarafından tetiklenme durumunda ) kendileriyle (excimer) veya flor ve klor gibi halojenlerle (exciplex) geçici olarak bağlı moleküller oluşturabilirler. Bu şekilde uyarılan bağ, fazla enerjisini kendiliğinden veya uyarılmış emisyonla serbest bırakabilir, bu da temel durumda çok hızlı bir şekilde (bir pikosaniye mertebesinde) iki tane bağlanmamış atoma geri ayrışan güçlü bir itici molekülle sonuçlanır. Bunun sonuncunda da pompalama meydana gelir (Bkz : population inversion ).

 Uyarılmış durum bir elektriksel boşalma ile başlatılırsa, temel devre topolojisi tipik olarak bir kondansatör bankası olan depolama kondansatörünün bir flaş lambasında kullanılacağı şekilde oluşturulabilir.

  Darbeli uygulamalarda kondansatörleri doldurmak için en yaygın kullanılan yöntemler tam ve kısmi boşalmadır. Adından da anlaşılacağı gibi, tam boşalmada kondansatör her boşalmada sıfıra kadar boşaltılır.  Akabinde akım beslemesi etkinleştirilir, kondansatör ayarlanan gerilime kadar doldurulur ve boşalma döngüsü tekrarlanır. Yüksek gerilim kesme anahtarı genellikle bir SCR veya daha yüksek gerilimli uygulamalar için bir tiratrondur.

 Kısmi boşalmada, kondansatörden yüke boşalma esnasında devreyi açıp kapatmak için katı hal anahtarları kullanılır ve bu durum devre tasarımcısının temin edilen enerji ile birlikte darbe genişliğini değiştirmesine olanak tanır. Uygun olarak boyutlandırılan kondansatör genellikle her boşalmada enerjinin yalnızca küçük bir yüzdesinin kondansatörden eksilmesine olanak sağlayacak kadar büyük seçilir. Bu nedenle bu durumda "kısmi boşalma" terimi kullanılır.

 Her iki durumda da, güç kaynağının boyutunu belirlemek ve şarj süresini hesaplamak için standart formüller kullanılabilir. Bir uygulama için gereken enerji miktarını tahmin etmenin en kolay yolu bu formülleri kullanmaktır.

Sonuç

Disk kapasitörler oldukça basit bir prensibe dayanır, ancak modern üretim yöntemleri sayesinde çok zorlu uygulamalarda bile tercih edilmektedirler. Yüksek gerilimde sahip olduğu özellikleri ve kısa dolma boşalma  süreleri sayesinde hızlı bir şekilde yüksek güç sağlayabilirler ve bu nedenle modern üretim sistemleri için uygundurlar.

 

Silisyum Karbür'ün Gelecek Nesil Elektrikli Araçlarda Kullanımı

Tesla tarafından kısa bir süre önce ucuz maliyetli yeni nesil araçlarda Silisyum Karbür (SiC) kullanımının %75 oranında azaltılacağı duyurulduğunda SiC'nin EV pazarındaki geleceği sorgulanır hale gelmiştir. SiC, yüksek güç verimliliği, voltaj ve akım kayıplarını azaltma yeteneği ve termal verimliliği artırırken motor boyutunu ve ağırlığını azaltma kapasitesi nedeniyle EV'ler için pratik bir alternatif sunmaktadır.

 SiC'nin hızlı büyümesi, bu geniş bant aralıklı malzemenin potansiyelini göstermiş olup  SiC pazarının hızla büyümesi için yeni fırsatlar yaratmaya devam etmektedir. Sonuç olarak, yarı iletken üreticileri, beklenen talep artışını karşılamak için kapasite artırımına yönelik önemli yatırımlar yaptılar.

Silikon Karbür Yonga Plakası (Kaynak : İnfineon)

 SiC, tipik silikon teknolojisine göre yaklaşık 5 kat daha fazla termal iletkenliği, 10 kat daha fazla arıza (breakdown ) voltajı ve 3 kat daha yüksek bant aralığı nedeniyle mühendislere birçok fırsatlar sunar. Fiziksel ve elektriksel özellikleri nedeniyle SiC cihazları, yüksek voltaj, yüksek güç uygulamaları için mükemmel seçimlerdir. Ek olarak, SiC daha yüksek anahtarlama frekanslarında çalışmak için daha uygundur, bu da indüktörler gibi pasiflerin boyutunu düşürmeye yardımcı olur ve güç dönüştürücü (konvertörler) tarzı cihazların ağırlığını büyük ölçüde azaltır. Şekil 1'de bir silisyum karbür levhası (wafer) gösterilmektedir.

  STMikroelektronics

ST, Tesla veya diğer otomobil üreticilerinin duyurularına işaret etmekten kaçınmaya dikkat ederken, silisyum karbürün kapasite ve teknoloji geliştirmesine önemli yatırımların yapmış bir firma olarak büyüme beklentilerinde veya geniş bant aralığı stratejisinde herhangi bir değişiklik yapmadığı bilgisini kamuoyuyla paylaşmıştır.

 STMicroelectronics (ST) Güç Transistörü Makro Bölümü stratejik pazarlama müdürü Filippo Di Giovanni’nin ifadesiyle : "Birçok otomobil üreticisi ile, kısıtlanmış güç kapasitesi ve azaltılmış performansa sahip pazara dönük yeni nesil bir elektrikli aracın geleceği tartışıldı. Belki de bu, daha yüksek üretim hacimleri ile daha düşük maliyetli pazar segmentlerine hitap etme çabası olarak görülmelidir. Normalde  bu araçlar silikon IGBT'lerle çalışır, bu nedenle kısmi bir çözüm olarak bile olsa bu araçlarda SiC kullanma olasılığı, SiC MOSFET'leri üreten ve satan şirketler için iyi bir haber olma özelliği taşıyor çünkü bu tür bir hareket toplam SiC pazarını daha da genişletecektir”  

 IGBT'ler, şehir arabaları gibi sınırlı menzilli araçlar için envertörlerde iyi performans gösterebilen yaygın güç yarı iletkenleridir. Bununla birlikte, IGBT'ler entegre bir anti-paralel diyottan yoksundur ve bu nedenle ek bir diyot çipi gerektirir. Buna karşılık SiC MOSFET'ler, ek bir doğrultucuya ihtiyaç duymaksızın dahili bir gövde diyotu ile üretilirler.

 “"ST'de, hazırlık aşamasında olan yüzden fazla SiC ile ilgili projemiz var ve teknik, satış ve kapasite projeksiyonlarımızla ilgili olarak herhangi bir endişemiz bulunmuyor.  Hibrit araçların bile şarj istasyonlarına ve enerji depolama sistemlerine ihtiyaç duyduğunu da belirtmekte fayda var. SiC MOSFET'ler verimlilik açısından bu uygulamalar için hala en iyi seçimdir," diye ekliyor  DiGiovanni.

 Gelecekte güç elektroniği pazarında SiC'nin hakimiyetine meydan okuyabilecek diğer gelişmekte olan malzemelerle ilgili olarak ST, GaN'yi SiC'nin tamamlayıcısı olarak görüyor. Kart alanını en aza indirmek için indüktörlerin ve kapasitörlerin boyutunu azaltmak maksadıyla daha yüksek frekanslarda anahtarlama yapabilen DC-DC dönüştürücüler ve yerleşik şarj cihazları gibi uygulamalarda kullanılması  ciddi ölçüde verimli olabilir.

  "800V'a doğru evrilen bara gerilimleri için otomobil üreticilerinin 1200V anahtarlama cihazlarına ihtiyacı var. Bununla birlikte, GaN hala 650V ile sınırlıdır, bu nedenle bu eviricilerde GaN kullanmak yeni çok-seviyeli topolojiler gerektirecektir. Öte yandan, dikey GaN hâlâ gelişmiş Ar-Ge laboratuvarlarıyla sınırlıdır ve  halen bu teknolojinin sanayide yaygına hale gelmesinde hâlâ çok uzağız” diyor Di Giovanni.

 ONSEMİ        

Tesla'nın SiC'yi benimsemesi, söz konusu teknoloji için yüksek düzeyde endüstriyel doğrulama sağlamış oldu . SiC'nin sağladığı performans avantajlarını pekiştirirken aynı zamanda otomotiv uygulamaları için sağlamlık ve güvenilirliğin yeterince iyi olduğunu doğruladı.

 Onsemi and Power Solutions Group Otomotiv Cer Çözümleri Başkan Yardımcısı ve Genel Müdürü Bret Zahn,  " Onsemi'nin görüşü, silisyum karbürün önümüzdeki yıllarda hızla artmaya devam edeceği yönünde. "Müşterinin belirli bir uygulama için ihtiyaç duyduğu performansa bağlı olarak, SiC veya Si kullanımına duyulan ihtiyaç değişebilmekte.  Bu nedenle her iki teknolojiyi de en uygun fiyat noktasında desteklemek önemlidir. Söylemeye gerek bile duymuyorum ama  SiC'nin hacmi önümüzdeki yıllarda hızla artmaya devam edecek ve gelecekteki hacimlerin kabaca %75'i otomotiv cer uygulamaları için olacak. Bununla birlikte, IGBT  gibi silikon tabanlı güç elektroniği öğelerinin bazı sınırlamaları vardır. IGBT'nin en büyük dezavantajı, ileri yönde iletime geçtiği gerilim (knee-voltage ) nin, ki bu değerin altında cihazın akıttığı akım değeri oldukça düşüktür, yük akım miktarlarının nispeten düşük olduğu hafif yükler altında düşük verimlere sebep olmasıdır. Elektrikli araçlar tipik olarak bu hafif yük koşullarında uzun süre çalışmakta olup, IGBT tabanlı envertörlerle sürülürken standart sürüş profillerinde yüksek kayıplara ve düşük menzile maruz kalmaktadır. Öte yandan SiC MOSFET'ler, düşük akımlarda bile aynı direnç değerine sahip saf dirençler olarak çalışır. Hafif yükler için cihaz verimliliği SiC MOSFET'lerde önemli ölçüde daha yüksektir ve bu da Dünya Uyumlaştırılmış Hafif Araçlar Test Prosedüründe (WLTP) yaklaşık %10 menzil artışı sağlar.  IGBT'nin ikincil bir dezavantajı, anahtarlama verimliliğinin daha yüksek pil gerilimlerinde çok daha fazla düşüyor olmasıdır. Pi voltajı 400V'tan 800V'a ve daha yükseğe çıkmaktayken bu durum daha belirgin hale gelir.  SiC MOSFET'ler yüksek gerilimlerde verimli anahtarlama sağlamaya devam eder çünkü tek kutuplu  (unipolar ) çalışma korunur. Bu eksikliklere rağmen, IGBT'ler Si'nin bipolar iletim ve cazip fiyatı yönünden verimli tam yük/aşırı yük çalışması kriterini sağlar. Bu durum bu öğeleri SiC MOSFET'lerin genel performans başarısının tam olarak değerlendirilmediği düşük güçlü araçlar ve bu araçlarda bulunan yardımcı dingillere yönelik olarak tercih edilen maliyet duyarlı envertörlerde cazip hale getirmektedir. GaN'ın SiC'den bile daha yüksek verimliliğe sahip olan ve kullanımı her gün daha fazla artan bir malzeme olduğunun farkındadır. Ancak, GaN günümüzde yanaldır ve yaklaşık 650V maksimum voltajlarla sınırlıdır. Otomotiv pazarı hızlı şarjı kolaylaştırmak için 800V sistem gerilimine sahip sistemlere doğru ilerlerken, 1200V SiC güç modülleri ideal bir çözüm sunabilmektedir. Bugünkü GaN teknolojisi ile  gerilim ve yapısal sınırlamaların üstesinden gelmemize daha uzun yıllar olduğunu tahmin ediyoruz. GaN'ın SiC için zorlu bir rakip olacağı bir gün kesinlikle gelecek," dedi.

Onsemi firmasına göre, piyasaya çok sayıda yeni SiC alt tabaka  (substrate) tedarikçisi girdiği için SiC alt tabaka kalitesi çok önemli hale gelmektedir. Firma yetkilisi şöyle sürdürüyor konuşmasını: 

"Bu tedarikçilerin çoğunda gördüğümüz sorun, alt tabakalarının kalitesinin düşük olması ve çoğunun çip seviyesinde çok düşük verimle sonuçlanacak ciddi kristal kusurluluğuna sahip olmasıdır. Düşük hacimlerdeki düşük verim, yüksek hacimlerde daha da düşük verime yol açıyor, çünkü en deneyimli SiC alt tabaka tedarikçileri bile düzgün bir kaliteyi korurken ölçeklendirmede zorlanmaya devam ediyor.

OEM'ler, yarı iletken tedarikçileriyle daha güçlü bağlantılara ihtiyaç duyduklarını ve bunları Tier-1  satıcılarına bırakamayacaklarının yeni yeni farkına varıyorlar. Yakın dönemde yaşanan otomotiv sektöründeki yarı iletken chip problemi bu tür ilişkilerin önemini artırıyor. ICE otomobillerden  EV'lere geçiş süreci araç yarı iletken donanımında artış gerektiriyor.  OEM'ler yarı iletken uzmanlığından yoksundur. Tier-1 bağımlılığının arttığı uzun yıllar boyunca BMW, Mercedes-Benz, VW, Stellantis, GM, Ford ve diğerleri gibi "geleneksel" OEM'ler, şirket içi mühendislik yetkinliklerini, Tier-1 kontratlarını projelendirerek yöneten teknik program yöneticileriyle değiştirdi.

Geleneksel OEM'ler Tesla, Rivian, NIO gibi gelişmekte olan OEM'lerle rekabet edebilmek için kurum içi mühendislik yeteneklerini geliştirmek üzere daha güçlü yarı iletken tedarikçi ortaklıklarına ihtiyaç duymaktadır. Volkswagen, HKMC ve BMW, onsemi'nin en verimli elektrikli araçları tasarlamalarına ve üretmelerine yardımcı olmak için anlaştığı birkaç geleneksel OEM ortağı arasında yer alıyor"

WOLSPEED

Tesla'nın duyurusuna cevaben Wolfspeed yarı iletken firması, bunu düşük maliyetli bir model sunma ve elektrikli araçları herkes için daha erişilebilir hale getirme çabası olarak olumlu görüyor.

Wolfspeed Otomotiv Satışları Başkan Yardımcısı Frank Ferrante:

 "Geleceğin bu düşük güçlü araç platformunun silisyum karbürün faydalarını an itibarıyle görüyor olması , işimiz için son derece olumlu ve SiC'nin uzun ömürlülüğüne olan güvenimizi güçlendiriyor" diyor. 

IGBT türünde geleneksel silikon tabanlı cihazlar onlarca yıldır güç dönüştürme tarafında yaygın bir biçimde  kullanılmaktadır. IGBT'lerle karşılaştırıldığında SiC güç cihazları %5-15 daha fazla menzil ve buna göre de batarya maliyetlerinde önemli tasarruflar sunar.  Ferrante, otomotiv OEM'lerinin performans ve maliyetleri her zaman dengede tuttuğunu başardığını ve gelecekte de bunu yapmaya devam edeceklerini kabul ediyor.

Güç elektroniği pazarında SiC ile rekabet edebilecek yeni yarı iletken teknolojiler ve malzemelerle ilgili olarak Wolfspeed, "GaN'ı tamamlayıcı bir teknoloji olarak görüyor. GaN, düşük güçlerde  AC'den DC'ye dönüştürmede son derece faydalıdır ve her yerde daha küçük, daha verimli güç kaynaklarına ihtiyaç vardır." diye ekliyor. Kendisi yine: 

"Mesele sadece elektrikli araçlar değil - dünya bugün ürettiğimiz enerjiyi mümkün olduğunca verimli kullanmaya odaklanmış durumda ve Wolfspeed'in ürünlerine ait uygulamaların listesinin her geçen gün daha da büyüdüğünü görüyoruz. Isı pompaları ve servo sürücülerden elektrikli trenlerde görev yapan invertör ve enerji depolama sistemlerine  kadar, silisyum karbürün benimsenmesinde olağanüstü bir artışın devam ettiğini görüyoruz. Silisyum Karbür gibi geniş bant aralıklı yarı iletkenler teknolojisine olan talep, sektörümüz için gerçekten de hayatta bir kez karşılaşılabilecek bir fırsattır." diyerek sonlandırıyor konuşmasını. 

Cer Motorlarında Kullanılan Temel Güç Kontrol Yöntemleri

Temel olarak, kollektörlü doğru akım motorunun kontrolü için gerilim ve manyetik alanlar kullanılır. Gerilimin değiştirilerek kontrol sağlanmasında, cer motorunun terminal gerilimi kontrol edilmektedir

Cer  (Demiryolu elektrikli tahrik )teknolojisinde bu amaçla aşağıdaki araçlar kullanılabilir:

-Değişken gerilimli cer motorlarına güç sağlamak için gerilim kademeli transformatör. Bu ekonomik yöntem, bugün hala faaliyette olan hemen hemen tüm eski AC demiryollarında bulunabilir.

-Cer motoruna ait çok kademeli devreye seri ön dirençler.  D.C gerilimle çalışan eski raylı sistemlerin tümünde, gerilim değiştirmek amacıyla bir trafo bulunmadığından, yüksek kayıplar nedeniyle bu ekonomik olmayan yöntemin kullanılması gerekiyordu.

-Cer motorlarının yeniden gruplandırılması. Cer motorlarının - hıza bağlı olarak - seri veya paralel bağlanması, DC demiryollarının devreye seri ön dirençlerindeki kayıpları azaltmak için yararlı, yaygın olarak kullanılan ek bir önlemdir.

-Hassas ayarlanabilir motor gerilimi üretmede görev ve cer sisteminde görev yapan taşıtının üzerinde yer alan döner konvertör grupları. Düşük verimlilik ve yüksek ağırlığı nedeniyle (lokomotifte üç kez elektrik/mekanik enerji dönüşümü) kontrol tekniği yönünden çok faydalı olan besleme şekli giderek daha az kullanılır hale gelmiştir. Bugün artık hemen hemen hiç kullanılmaktadır.

- Güç elektroniği öğeleri içeren faz açısı kontrollü akım konvertörü. Alternatif akımla çalışan cer sistemlerinde kademesiz kontrole imkan sağlar. Eskiden bunların yerine civa buharlı doğrultucular kullanılırdı.

-Tristörlerle yapılmış DC kıyıcı. Davranışı, doğru akım gerilim seviyesini değiştirme işi üstlenmeye yarayan bir transformatörünkine karşılık gelir ve doğru akım demiryollarının kademesiz, ekonomik kontrolünü sağlar.

- Kademesiz kontrol için manyetik amplifikatör (transdüktör). Geçmişte, cer motoru beslemesinden ziyade yardımcı yardımcı ekipmanı kontrol etmek için kullanılıyordu. Artık günümüzde aktüatör göreviyle karşımıza çıkmamaktadır.

- Kaymalı Fırça Ayarı  ve konvertör görevi gören metadin gibi bazıları özel tasarım makinelere sahip diğer çeşitli seçenekler artık günümüzde geçerli değildir.

Komütatör motorun hızı, sabit akımda (ve dolayısıyla değişmeyen ikaz altında ve yine sabit torkta) motor gerilimi (terminal gerilimi ile kabaca orantılı olduğundan, cer motoru sıfır hız noktasına kadar tüm hız aralığında gerilim ile kontrol edilebilir.

İkaz alan kontrolünde ikaz akımı belli sınırlarda ayarlanabilir. Bu, sabit motor geriliminde kısıtlı bir alan içerisinde devir sayısının kontrolünde ayrıca bir imkan sağlar. Kural olarak, ikaz alanının zayıflatılmasıyla hızın yükseltilmesi prensibinden faydalanılır.

Alternatif akım asenkron motor, sadece besleme frekansının değiştirilmesi ile de uygun biçimde kontrol edilebilir. Alternatif akım senkron motor için ise bu tek seçenek olarak karşımıza çıkmaktadır. Kimi zaman kullanılan döner frekans konvertörlerinin yerine bugün statik konvertörler almıştır. Lineer motorlar da aynı şekilde kontrol edilmektedir. Konvertör yüksek kalitede ve pahalı güç elektroniği bilgisi ve malzemesi gerektirir. Bu cihazlar cer sistemlerinde yer alan tüm kuvvetli akım sistemlerinde, ve yine dizel-elektrikli cer taşıtlarında kullanılırlar.

Raylı Taşımada Cer Sistemi

Güç Elektroniğinde Komütasyon Olayı

Genelde güç elektroniği çalışmalarında okuyucunun olayı genel hatlarıyla anlaması adına güç anahtarlarının anahtarlama yaptığı sırada akım ve gerilim arasında herhangi bir gecikme olmadığı kabul edilerek bu durum her zaman idealize edilmiştir.. Bu gerçekte böyle olmuyor elbette. 

Devre elemanlarının en ideal kabul edilebilir durumlarında dahi bağlantı ve iletkenlerden kaynaklanan parazit endüktanslar ve kapasitanslar nedeniyle idealden uzak bir anahtarlama davranışıyla karşılaşabiliriz. Bu bağlantıların göz ardı edilmesi halinde, izin verilen elektriksel sınırlar aşılacağından devre elemanlarının zarar görmesi söz konusu olabilir. 

Anahtarlama yapılırken ortaya çıkan komutasyon kısaca akım yollarının anahtarlar üzerinden değiştirilmesi olayıdır. Bu olay esnasında iki anahtar arasında devre elemanları için zararlı olabilecek çok kısa süreli ve geçici hal olaylarına neden olan kısa devre meydana gelmektedir. 

Şimdi kısaca komütasyon olayını bir buck yani gerilim düşürücü devre üzerinden birazcık daha açalım.

Güç Elektroniğinde Komütasyon Olayını Modellemede Anahtarlar için  LsD ve  LsT Parazitik Endüktansları Kullanılır. 

İlk olarak, transistör ve diyotun ideal bir anahtarlama davranışında bulunacaklarını varsayalım, ancak diyot ve transistöre ait akım yollarında  LsD ve  LsT parazitik endüktansları dikkate alacağız. Ayrıca bilelim ki  bu indüktanslar birkaç nH civarındadır.
Yukarıda verilen ŞEKİL’den de açıkça anlaşılacağı üzere transistörden akan akım devredeki endüktanslar nedeniyle  bir anda kesilemeyecektir..Aynı şekilde böyle bir girişim yüzünden, transistörün elektriksel gerilim sınırının aşılması ve dolayısıyla tahrip olmasına neden olunacaktır. Güç devre elemanlarını bu tür bir tahribata karşı devre yapısında koruyan önlemlere snubber koruma devresi adı verilir.

IGBT'lerin Özellikleri

IGBT Kollektör-Emitör jonksiyonunda bipolar tranzistörlerde olduğu gibi asgari bir eşik gerilimi düşmektedir. Anma akımında bu değer tıkama gerilimine bağlı olarak 1,7 ila 3 volt arasında değişir. 

Bu değerler IGBT’lerin alçak gerilimde tercih edilen komponentler olmasına mani olur.

Yüksek akımlarda anahtarlama kayıpları, yüksek tıkama alan gerilimine sahip olan alan etkili tranzistörlere kıyasla daha düşüktür. 

IGBT alan etkili tranzistöre benzer şekilde gerilim kontrollü bir anahtarlama elemanıdır. 

IGBT İç Yapısı

Güç Mosfetlerinin tersine , Punch-Through IGBT’ler (PT-IGBT) akım taşıma kapasitesinin artırılması amacıyla paralel olarak bağlanamazlar. Punch-Through olmayan IGBT’ler (NPT-IGBT) buna karşın güç mosfetleri gibi pozitif sıcaklık katsayısına sahip olduklarından paralel olarak bağlanabilirler. Çoğu IGBT yüksek güç modülünde de bu şekilde bir bağlantı mümkündür. 

IGBT ters yönde sınırlı ölçüde tıkama yapabilmektedir. Çoğunlukla muhafaza kısmında Emitör ve kollektör arasına ters yönde iletime geçen bir koruma diyodu konur. Diğer türlü ihtiyaç durumunda bir harici koruma diyodu ile de takviye yapılabilmektedir. 

Güç mosfetlerindeki durumun tersine olarak, yüksek anahtarlama kayıpları özellikle de kesme durumunda bir zayıflık olarak göze çarpar. 

IGBT’lerin en çok göze çarpan üstünlükleri, yüksek  gerilim ve akım sınırlarıdır:

100 MW büyüklüğündeki güçler için bu değerlerin üst sınırı sırasıyla 6500 volt ve 3600 Ampere mertebelerindedir. Anahtarlama kayıpları ile sınırlandırılmış azami frekans 200 kHz civarındadır.

Şarj Cihazları

Aküleri koruyarak hızlı ve tam bir şekilde şarj edebilmek için çoğu zaman bir gerilim kaynağını (mesela smps güç kaynağı gibi)  akünün iki kutbu arasına bağlamak yeterli olmayacaktır. 

Öncelikle şarj akımını doğru bir şekilde belirleyebilmek önem arzeder: Bu akım yeterince hızlı bir şarj için gereken büyüklükte ama  aynı zamanda da aküyü aşırı ısınmaya ve yüklenmeye uğratmayacak kadar da yüksek bir değerde olmamalıdır. Tavsiye edilen en yüksek şarj akımı akü tipine bağlıdır. Çok derin boşalmış lityum tip akülerde en baştan düşük bir akım seçmek doğru bir yaklaşım olabilir. Şarj akımının büyüklüğü göreceli olarak şarj gerilimine ve söz konusu gerilim altındayken de şarj durumu ve sıcaklığına bağlı olduğundan çoğu şarj cihazı sabit akım kaynağı (en azından şarj sona erinceye dek) gibi çalışır. Şarj gerilimi, istenen şarj akımına ulaşılıncaya dek otomatik olarak belli sınırlar dahilinde regüle edilirler. Sonra şarj gerilimi şarj sırasında yavaşça yükselir ki bu yükseliş hızı şarjın son safhalarında daha da hızlıdır. 

Şarj Cihazı

Aküyü aşırı yüklememek için şarj durumu otomatik olarak izlenmelidir; Şarj cihazı tam bir şarj sonrasında ya şarj akımını tamamıyla keser ya da dengeleme yüklemesine geçer. Devreden çıkarmadaki kriter çoğunlukla belli bir yükleme gerilimine ulaşılmış olması (şarj sonu gerilimi) ya da gerilimin gazlaşma tepesini (tam bir şarjın olduğuna işaret eder) geçmesinin ardından tekrar düşmeye başlamasıdır. 

Çoğu şarj cihazı fazladan bir takım kriterlere göre çalışmaktadır. Bu kriterler arasında örneğin, darbeli yükleme yöntemlerinde düzgün ve kısa aralıklarla şarj duraklamaları sırasında ölçülen boşta gerilimler, akülerin geçmiş süresi ya da sıcaklığı, hatta çoğu zaman akü içerisindeki gaz basıncı sayılabilir. Buna karşılık en elverişli olmasa da en basit çözüm sabit akım regülasyonuna ilave olarak, istenilen şarj sonu gerilimine yönelik gerilim sınırlaması yapmaktır. 

Şarj süreçlerinin ayrıntıları her bir akü tipi için farklı olduğundan, şarj cihazı da her bir tip için farklı olmalıdır. Mesela NiMH veya NiCd aku için uygun olan bir şarj aleti Alkali Mangan (tekrar şarj edilemeyen tipteki) aküleri canlandırmak için kullanılamazlar. Çünkü burada hücre gerilimleri daha yüksektir ve ölçülen şarj akımı daha düşüktür. NiCd aküler için tasarlanmış bir cihaz da muhtemelen NiMH aküyü aşırı yükleyecektir, çünkü gazlaşma tepesi daha düşükte meydana gelmektedir. Çok sayıda akıllı şarj cihazı içerisinde elektriksel karakteristiğini kullanarak kendisine bağlı akü tipini otomatik olarak devreden ayıran ve şarj parametrelerini buna uygun olarak ayarlayan elektronik devreler içerir. Diğer cihazlar el ile farklı akü tiplerine uygun olarak ayarlanabilir. Daha kompleks şarj stratejileri kural olarak mikroprosessörler yardımı ile gerçekleştirilebilir.

IC L4978 Entegresi ile Düşürücü Kıyıcı (Buck Konvertör ) Devresinin Pratik Şekilde Gerçekleştirilmesi

Uzun zamandır entegre devreler ile ilgili bir post oluşturmadım. Şimdi güç elektroniği konusunda meraklı olanlar için bir devre veriyorum. Basitçe anlatacak olursak bir regülatör devresi (L4978 ) yardımıyla buck converter yani düşürücü kıyıcı yapmak isteyenler için fikir vermesi açısından güzel bir devre görseli ve gerekli görülen açıklamalar aşağıda verilmektedir. 

L4979 Entegresi ile Düşürücü Kıyıcı Devresi Oluşturma (Daha net görmek için tıklayın)

IC L4978 regülatör entegresi yüksek frekansta (90-110 kHz) çalışır. Anahtarlama frekansı R1/C2 direnç-kapasitör kombinasyonu ile belirlenir. Osilatör iki tane çıkış sinyali üretmektedir. Biri Darbegenişlik Modülatörü (PWM) için taşıyıcı görev gören testeredişi formunda bir gerilim ile PWM mantığının işlemesi için gerekli bir saat sinyali. 

Depolayıcı endüktör görevini L1 toroidi görmektedir. D1 diyodu fly-back olarak çalışırken kıyıcınun sürekli modda çalışmasını sağlamaktadır. C8 depolama kondensatörünün düşük ERS (eşdeğer seri direnç ) değerli olması gerekmektedir. Yoksa kayıpların büyük olması nedeniyle fazla ısınma dolayısıyla devreye bozucu etkide bulunması ihtimali vardır. 

Çıkış gerilimi R3/R4 gerilim bölücüsü vasıtası ile kontrol çevriminin geri beslemesi üzerinde programlanabilir (Burada 5 volt). Kumanda sinyali bir hata sinyali kuvvetlendiricisi (Giriş Pin 8, çevrim filtresi Pin 7-R2/C4) üzerinden geçer ve PWM modülatörünün modülasyon sinyali olarak iş görür. Kontrol sinyalinin büyüklüğü değiştiğinde PWM’in çalışma çevrimi de değişecektir. Dahili mosfet tranzistörlerinin devrede kalma süresi ve böylelikle aktarılan enerjinin büyüklüğü PWM lojik devresine ait RS-flip flopunun set edilmesinde kullanılan saat sinyaline ve PWM modülatörünün resetleme anına bağlıdır. 

C6 harici kondensatörü, Mosfet anahtarlama tranzistörlerinin sürücü katının oluşturulması için tasarlanmış olan bir Bootstrap devresine aittir. Devrenin yumuşak şekilde yol alması, pin 2 de bulunan yumuşak başlatma kondensatörü ile sağlanır. 

Düşürücü kıyıcılar, yüksek şebeke geriliminin bulunduğu ama düşük işletme gerilimleri ile yüksek akımlarına ihtiyaç duyulan yerlerde uygulama alanı bulurlar. Örnek olarak Bilgisayar ana kartlarında CPU nun beslenmesi , LCD televizyonlarında arka plan aydınlatmaya ait besleme geriliminden ekran için ihtiyaç duyulan video sinyalinin üretilmesinde kullanılırlar.

Buck (Düşürücü) Kıyıcılar

Teori ve Temel Devreler

Yüksek bir doğru gerilim (örn. 24 volt)’den düşük bir çalışma gerilim(5 volt)’i elde etmek istiyorsak sabit gerilim regülatörünün kullanılmasıyla, giriş ve çıkış gerilimleri arasındaki farkın çok yüksek olmasından kaynaklı olarak çok ciddi bir güç kaybı ortaya çıkacaktır. Buck kıyıcılar ise % 95 lere varan bir verimliliğe sahiptir ve devresinin sadeliği sayesinde çok uygun bir çözüm sağlama potansiyeline sahiptir. Kıyıcı kelimesi burada DC-DC dönüştürücü manasında kullanılmaktadır. 

Bu kıyıcılarda genel olarak iki tür çalışma modu söz konusudur:

Sürekli Mod:

Bir kıyıcı tam yük altında çalışırken çoğunlukla bu moddadır. L endüktansı üzerinden geçen akım hiçbir surette sıfıra düşmez.

Anahtar (tranzistör ) iletime sokulduğunda endüktörü üzerinde depolanan enerji daha da artarken, anahtar devreden çıkarıldığında bu enerji azalmaktadır. Bu modda endüktör üzerindeki akım hiçbir zaman sıfıra düşmemektedir. 

Aşağıdaki grafikte sürekli  modda çalışan bir Buck kıyıcının 2 fazı birlikte görsel olarak verilmektedir. 

Buck Kıyıcılarda Sürekli Modda  Akım Gerilim Grafiği 

1.Faz: Anahtar devreye girdiğinde L endüktörü üzerinde giriş gerilimi UE ve çıkış gerilimi UA. arasındaki fark kadar bir gerilim uygulanmış olur. Bobinden (endüktör ) doğrusal olarak artan bir akım akar. Bu şekilde bobinin manyetik alanında bir enerji depolanmış olur. 

Buck (Düşürücü) Kıyıcı 1.faz (Sürekli Mod)

2. Faz: 

Anahtarın açılmasının ardından bobinin anahtar tarafındaki gerilimi düşerek koruma diyodunun devreye girmesine neden olur. Şimdi, bobinin kutupları tersine dönerek, depoladığı enerjiyi doğrusal olarak azalan bir akım şeklinde tüketmeye başlar. Bobinin akımı sıfıra düşmeden,anahtar tekrar iletime geçerek bobinin anahtar tarafındaki gerilimini giriş gerilimi mertebesine çeker. Koruma diyodu (D) tıkamaya geçer ve böylelikle yeni bir şarj fazı başlamış olur.

Buck  (Düşürücü) Kıyıcı  2. faz (Sürekli Mod )

Kesintili Mod 

3.Faz:  

Düşük yük altındaki çalışma halinde, gereksinim duyulan enerji o denli düşüktür ki normal bir anahtarlama çevrimindekinden daha kısa bir sürede aktarılabilirler. Bu durumda bobin (L endüktör) üzerinden akan akım değeri sıfıra düşerken enerjisini tümüyle devreye vermektedir. Bu anahtarlama çevriminin üçüncü fazında çıkış gerilimi, yük depolayan bir kondensatör tarafından tamponlanır. 

Buck (Düşürücü) Kıyıcı 

Aşağıdaki grafikte kesintili modda çalışan bir Buck kıyıcının 3 fazı birlikte görsel olarak verilmektedir.

Buck Kıyıcılarda Kesintili Mod Akım Gerilim Grafiği 

                                        

Güç Elektroniği ve Motor Sürücüleri (Soru Cevap Şeklinde)

Güç elektroniği ve motor sürücülerinin kontrolü, elektrik makineleri , doğrultucular, otomatik kontrol ve mikroelektronik gibi alanların tümünü ilgilendirmektedir. Elektrikli tahrik sahasının inceliklerinin anlaşılabilmesi ve geliştirilmesi bu farklı disiplinlerin optimal şekilde terkibinin yapılabilmesiyle münkün olabilir. Teorik ilişkilerin bir bütüne ulaştırılabilmesi için elimizden geldiğince sizlere soru cevap şeklinde hazırlayacağım bu çalışmayla, endüstriyel bir planlama ve ölçeklendirme çalışmasında eksiksiz bir çözümleme kabiliyeti kazanacağınıza inanıyorum. Sorularımızı sıralamaya başlayabiliriz: 

Elektromekanik Prensipler

1- Mekanik hareket denklemlerini bir örnekle açıklayınız. 

Bu denklemler, ivmelenme torkunun mil devrinin zaman içerisindeki değişimiyle orantılı olduğunu söyler. Bu formülde oransal katsayımız sistemin atalet momentidir. Şimdi çoğu kişi bilmeyebilir ama eskiden dedelerimizin kullandığı kollu zımpara taşları vardı. Bu kol çevrilince kocaman yuvarlak, tekerleğe benzeyen bir zımpara taşı dönerek bıçak orak vs gibi aletleri bilememizi sağlardı. (Memlekette bizim orada kösdere derler. Babamın motorlu olanından var.) 

Kollu Zımpara Taşı (Kösdere ) 

Bu zımpara ( bileği ) taşını kolu çevirerek döndürmeye başladığımızda yarıçap üzerinden sabit bir tahrik kuvvetine maruz kalan taşın hızı doğrusal olarak artmaya başlayacak, bu kuvveti kaldırdığımızda ivmelenme ve dolayısıyla hız değişimi giderek azalıp sıfır olacaktır. Bu tabii ki taşın hızının duracağı anlamına gelmez , aksine sadece (iyi yataklanmış bir bilye sistemine sahip ise ) mil hızı sabit kalacak bu sabit hızda dönmeye devam edecektir. İdeali bırakıp fiziksel dünyaya dönersek, zımpara taşına uygulanan tahrik kuvvetinin sürtünme kuvveti kadarlık bir kısmı eksilecektir ki bu durumda hızlanma için kalan net kuvvet , çok ciddi şekilde küçük bir değerde olacaktır. Küçük bir zımpara taşının, büyük bir taşa kıyasla, her iki durumda da eşit büyüklükte uygulanan tahrik kuvveti altında belli bir dönme hızına daha çabuk ulaşması sistemin atalet momentini daha önemli hale getirmektedir. 

2-İş makinelerinde kullanılan motorlar belli bir hız seviyesine nasıl getirilirler? 

Dönme sayısındaki artışın en fazla olduğu hal, ivmelenme olayı boyunca sabit değerde tutulan azami dönme momenti ile sağlanan ivmelenme halidir. Bundan sonuç olarak hareket denklemi uyarınca lineer bir hızlanma ortaya çıkmaktadır. İstenen hız değerine ulaşıldığında, tahrik momenti direnç momentine eşit olacak şekilde moment değeri sıfıra çekilmelidir. Elektrikli tahrik tekniğinde küçük mekanik zaman sabitleri nedeniyle bu tür dinamik olaylar sadece elektronik denetim devreleri (kaskat kontrol/denetim) ile gerçekleştirilebilmektedir. 

3- Elektrikli Dişli Motor nedir ve elektrikli doğrudan tahrik motorlara kıyasla hangi üstünlüklere sahiptir?

Dişli motorlarda yüksek hızlı bir rotor ile dönme sayısını düşürmede ve dönme momentini artırmakta kullanılan bir dişli mekanizması vardır. Dişli motorun üstünlüğü rotoru yavaş dönen doğrudan tahrikli motorlara göre daha yüksek bir güç-ağırlık oranına sahip olmasında yatar. 

4- Dönme momentinin bir motorun güç-ağırlık oranı ve tasarım büyüklüğü üzerindeki etkisi nasıldır?(Örnek vererek izah edin)

Devir sayısının aksine, dönme momenti motorun tasarım büyüklüğüne ve dolayısıyla güç-ağırlık oranına doğrudan etki eder: Yani aynı güçteki yüksek hızlı bir motor, düşük hızlı bir motora göre daha küçük ve hafiftir. Bu sadece elektromotorlar için böyle değildir. Diğer tüm tahrik formlarında da böyledir. Böylelikle, bir kamyonun aynı beygir gücündeki içten yanmalı motoru bir yarış aracının motorundan daha büyük ve ağır olduğunu söyleyebiliriz. Yine basit bir örnek vermek gerekirse , bir boksörün ağırlığı ve kas miktarı uzun mesafe koşucusuna göre daha fazladır. 

5- Üç fazlı Motor Sürücülerinin doğru akım motoru sürücülerine olan üstünlüğü, sürüş tekniği yönüyle nelerdir?

Doğru akım sürücülerinin en büyük zayıflığı mekanik bir akım komütatörüne sahip olmalarında yatar. Bu nedenle fırçaların çıkardığı kıvılcımlardan kaynaklı olarak çok ciddi aşınma ve yorulmalara maruz kalırlar. Buna karşılık üç fazlı veya alternatif akım sürücüleri bakım işlemlerine gerek duyulmaksızın oldukça sağlam bir şekilde imal edilirler. Öyle ki bir yıl gibi bir süre boyunca çalışan bir motor için bile bakım gerekli değildir. Bundan başka, alternatif akım sürücüleri ile dakikada 10000 devir gibi yüksek devirlere çıkabilmek mümkün olabilmektedir. Yüksek işletme güvenliği, sağlamlık, patlamaya karşı koruma, ve bakım gerektirmemesi gibi özellikleri nedeniyle bu sürücüler zamanla klasik doğru akım motor sürücülerinin yerini almaktadır. Güç elektroniğinin gelişmesine paralel olarak, bu trendin giderek güçlenmesi söz konusudur. 

.............................DEVAM EDECEK.............................

Doğrudan Moment Kontrolü ( Direct Torque Control ) Nedir?

Bilenler bilir. Asenkron/ endüksiyon motorlarında kullanılan farklı kontrol teknikleri mevcuttur.  V/F kontrol bunlardan en ünlüsü ve  tercih edilenidir. Üç fazlı motorlarda sıkça karşılaştığımız bir kavram olan 'Doğrudan Moment Kontrolü'  motorun ürettiği tork/moment çıktısını ve devamında tabii ki mil hızını gerilim/akım girdilerinden faydalanarak tahmine dayanan , yine aynı şekilde frekans kontrollü bir tekniktir.

Evet bu teknik, klasik hız/frekans kontrollü tekniklere  kıyasla biraz daha geliştirilmiş bir tekniktir.  İzah edelim:

Klasik V/F kontrollü sistemlerde aslolan gerilim ile frekans arasındaki ilişkiden yararlanarak  direk olarak motorun hızını değiştirmektir. Bunun tersi de doğrudur. Moment sabit iken hızda değiştirilebilir de.Bu sayede, örnek verecek olursak, bir asansörde kullandığımız kabin hızı hep 1 m/sn olarak sabit kalırken içerideki yolcu sayısı yani moment değişebilir ve bu kontrol şekli bizi bir dereceye kadar tatmin edebilir.  İstenirse motor hızının geri besleme yoluyla kontrol şemasına dahil edilmesi ile daha iyi bir kontrol de sağlanabilir(kapalı çevrim).Dikkat edilirse sabit hızlarda moment değişimlerine adapte olan bir teknikle karşı karşıyayız. Şimdi bu tekniği asgari ölçüde bildiğinizi kabul ederek anlatımıza devam edelim....

Doğrudan Moment / Tork kontrolü nasıl bir tekniğe dayanır ? Bu soruyu şöyle cevaplandırmak sanırım yerinde olacaktır:

Doğrudan Moment /Tork Kontrol Sistemlerine Ait  Blok Şema

Doğrudan Moment / Tork kontrolü  kısaca DMK (ing: DTC) tekniğinde temelde sadece gerilim ve akım bilgisini kullanarak bir tork kontrolü sağlanmaktadır. Burada stator gerilimlerinin entegrali alınarak bir akı bağı (flux linkage ) hesabı yapılır. Sonra bu akı bağı vektörü ile ölçülen motor akımının vektörel çarpımları üzerinden bir tork hesap edilir.  Akım ve gerilim bilgileri alınırak akı, dolayısı ile moment  tahmini olarak hesaplanır, Bu bloğun çıkışinda üretilen bilgi sırasıyla akı ve moment histeresiz kontrolörlerine  daha doğrusu karşılaştırıcılarına aktarılır.  Burada referans değerler ile karşılaştırılan değerler daha sonra anahtarlama için gerekli sinyalleri üreten ve motorun karakteristiklerine ait verileri taşıyan vektör seçim tablosunu taşıyan işaret üreticiye gönderilir. Burada şekli inceleyince sorabileceğiniz bir soru var.  Akı sektörü nedir?  Yukarıdaki şekle göre bu sektör bilgisi de tabloyu taşıyan işaret üretecine gidiyor. Sektör yani burada işaret edilen şekliyle akı sektörü, akı vektörlerinin diyagram üzerinde gösterilişine ait olan bir bölgeye karşılık geliyor. Şeklini fikir sahibi olmanız için veriyorum. 

Vektörel Akı Sektörü (Dilimi )

Sektör türkçede bildiğiniz gibi dilim manasına geliyor. Akının vektörel yani yönlü  olarak diyagramda hangi sektör ya da dilim de olduğu bilgisine göre seçim tablosu diğer bilgilerle gerekli işlemleri yaparak anahtarlama bilgisini üretiyor. Kısaca doğrudan tork kontrolü bu şekildedir.

Bu tip bir sürüş tekniği ile durma halindeki bir asansörü V/f tekniğine göre çok daha hızlı ve büyük momentlerle kaldırabilirsiniz.  Hızlı şekilde yüksek moment üretmesi istenen motor uygulamalarında tercih nedenidir. Burada unutulmaması gereken şey, bu tekniğin asıl işi torku kontrol etmektir. Eğer sürücünüzün üzerinde hız kontrolü de olmasını isterseniz değişik hız kontrolörlerinin de DTC ile birlikte çalışabileceğini bilmeniz yeterli olacaktır. DTC tekniğinde:

• Tork kontrolü için mil çıkışından bir hız veya pozisyon geri besleme işaretine ihtiyacınız olmayacaktır. Daha gelişmiş bir algoritma kullanılacak ise  böyle bir işaret kullanılabilir. 
• V/F Hız kontrolünde olduğu gibi gerilim ve frekansı kontrol edecek bir modülatör kullanma ihtiyacı bulunmamaktadir.  Bu sayede sistem aradan bu donanımın çıkması sebebiyle çok daha hızlı tepki verebilir hale gelmiş olur.
• Adım kontrolü durumunda ani sıçrama (overshooting) yaşanmaz. Bu sayede aşırı akım koruma sistemlerinin gereksiz  ani açma yapmasının önüne geçilmiş olur. 
• Değişken frekans kontrollü sistemlere göre daha düşük anahtarlama kayıplarına sahiptir. (anahtarlama sadece akının histeresiz bandı dışına çıktığında yapıldığından)
• Bu teknik moment uygulamalarında çok etkilidir. Saniyede  yaklaşık 40000 defa moment karşılaştırması yaptığı için adaptasyon yeteneği mükemmeldir. 
• Bu teknik ile bir motorun ürettiği maksimum moment yaklaşık dört katına yükseltilebilir. 
• Sistem genel olarak (hızlı tepki verme özelliğine sahip olduğu gibi)  son derece düşük hata yani sapmalarla çalışır. 

Geyti Diac 'lı Triak Kontrollü Faz Kıyıcı Dimmer

Arkadaşlar, bugün sizlere çok basit bir faz kıyıcı devresinin nasıl çalıştığını anlatmaya çalışacağım. Bu devrede bir diac kullanılmıştır.

Geyti Diac 'lı  Triak Kontrollü  Faz Kıyıcı Dimmer

 Diac dediğimiz yarı iletken elemanın özelliği belli bir azami gerilimi ulaştığından tıpkı bir parafudr gibi direncinin azalmasıdır. Diac üzerindeki gerilime ulaşılması gereken süre bir kondansatör ve direnç kolu üzerinden ayarlanmaktadır. Şöyle başlayalım: 

Gerilim uygulandıktan sonra,C1 kondansatörü R1 direnci üzerinden dolmaya başlar. 

Diac’a ait azami gerilim değeri olan 37 volta ulaşıldığında diac iletime geçer. Dolmuş olan kondansatör triac gate’ini darbeli bir şekilde iletime sokar ve yük direnci üzerine gerilimini alarak beslenmeye başlar. R1 direncini değiştirerek ateşlemeye ait süre geciktirilebilir ki böylece yüke, besleme geriliminin daha düşük bir kısmı uygulanmış olur. Bu devre evlerde aydınlatma anahtarlarında da kullanılan faz kıyıcı dimmer devrelerinde kullanılabilmektedir.