Güç Elektroniği Temel Bilgileri — Yarı İletken Anahtarlar Kullanarak Gerilim, Akım ve Frekansı Dönüştürme

Duvar prizinden gelen alternatif akımı (AC) bir bataryanın doğru akımına (DC) dönüştürmek, bu batarya DC'sini tekrar bir motorun üç fazlı alternatif akımına (AC) dönüştürmek, bir güneş panelinin voltajını şebekeye eşleştirmek — güç elektroniği bunların hepsini halleder. Voltajı bir direnç üzerinden ısıya dönüştürerek düşürmek yerine, MOSFET'ler ve IGBT'ler gibi yarı iletken anahtarları yüksek hızda değiştirir ve gerekli dalga formunu sentezlemek için enerjiyi geçici olarak indüktörlerde ve kapasitörlerde depolar.

BLDC motor örneği

Kontrol döngüsü örneği

Resimler: Outrunner (1sfoerster, CC BY-SA 3.0) / PID kontrol bloğu diyagramı (Arturo Urquizo, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Temsili motor ve kontrolör örnekleri.

0. 30 Saniyelik Özet

• Bir güç yarı iletkeni "gücü yükselten bir bileşen" değildir; yüksek hızda akımın akıp akmayacağını veya engellenip engellenmeyeceğini seçen elektronik bir anahtardır.

• Eğer D, bir anahtarlama periyodunun T_s'e harcanan kısmını temsil ediyorsa, ideal bir Buck dönüştürücü V_o=D V_{in} verir. Gerçek bir cihazda, iletim kaybı, anahtarlama kaybı ve manyetik bileşenlerdeki kayıpların hepsi önemlidir.

• Bir invertör, DC'yi PWM ile ince parçalara ayırır ve ortalama olarak bir sinüs dalgası sentezler. Bir motorda, tork ve hızı kontrol etmek için voltaj, frekans ve faz değiştirilir.

• SiC ve GaN, yüksek voltaj toleransı, yüksek hızlı anahtarlama ve yüksek sıcaklıkta çalışma hedefleyebilen malzemelerdir, ancak kapı sürücüsü, parazitik endüktans, EMI ve maliyet tasarımı zorlaştırır.

• Bir güç dönüştürücü, yalnızca verimlilikle tamamlanmış bir ürün değildir; termal direnç, yalıtım, kısa devre koruması, kontrol yazılımı, şebeke standartları ve bakım kolaylığı da bir araya gelmelidir.

1. Anahtarlama Yoluyla "Ortalama Değer" Oluşturma

Bir DC kaynağı V_{in} ile seri olarak bir anahtar S yerleştirin ve her periyodun T_s içinde DT_s süresi boyunca açık bırakın. Yük yeterince büyük bir indüktör taşıyorsa, yük tarafından görülen ortalama voltaj

Anahtarın kendisi yalnızca 0 V veya V_{in} çıkışı verse bile, indüktörün akımı geçişleri yumuşatır ve kapasitörün voltajı ortalama değeri korur. Güç elektroniğinin temel mantığı budur.

Diyagram: Duskcoil. Anahtarın dikdörtgen dalga formu L ve C ile düzleştirilerek yüke ortalama bir voltaj verilir. Anahtarlama frekansını yükseltmek pasif bileşenlerin küçülmesini sağlar, ancak kayıpları ve EMI'yi artırır.

2. Temsili Topolojiler Arasında Seçim

Buck, Boost, Buck-Boost

Buck (adım aşağı) şu amaçlarla kullanılır: Örneğin, bir bataryadan gelen 12 V'luk bir hat; Boost (yükseltme) devresi, güneş pili veya yakıt pilinin düşük voltajını yüksek bir DC bağlantısına yükseltir; Buck-Boost devresi ise giriş voltajının üstüne veya altına dönüştürür. İdeal sürekli iletim modunda, ilişkiler şöyledir:

Görev döngüsü D 1'e yaklaştıkça, ideal Boost voltajı sonsuza gider, ancak gerçek bir cihazda, anahtar voltaj değeri, diyot ters toparlanması, indüktör doygunluğu ve kontrol kararsızlığı, bundan çok önce sınırlamalar getirir. Yüksek voltaj ve yüksek güçte, basit tek kademeli bir dönüşüm yerine, aralıklı, izole LLC veya DAB (Çift Aktif Köprü) gibi topolojiler tercih edilir.

Doğrultucular ve güç faktörü düzeltmesi

Bir diyot köprüsü ile AC'yi doğrultmak, kapasitör girişli bir beslemenin voltaj dalga formunun tepesine yakın büyük bir akım darbesi çekmesine neden olur. Düşük güç faktörü, dağıtım ekipmanının taşıması gereken akımı artırır, bu nedenle Boost tipi bir devre kullanılır. PFC (güç faktörü düzeltme) devresi, giriş akımını sinüs dalgasına daha yakın hale getirmek için kullanılır. Veri merkezi güç kaynakları, EV hızlı şarj cihazları ve endüstriyel invertörlerin tümü aynı anda verimlilik ve harmonik düzenlemelerini karşılamalıdır.

İnvertörler ve üç fazlı motorlar

Üç fazlı iki seviyeli bir invertör, DC bağlantı voltajından üç fazlı bir voltaj sentezleyerek, tamamlayıcı bir düzende 6 anahtarı (üst ve alt) çalıştırır. Üst ve alt anahtarları aynı anda açmak DC bara kısa devre yapacağından, birkaç yüz ns ila birkaç µs'lik bir ölü zaman eklenir. Temsili modülasyon şemaları arasında, ortalama voltajı oluşturmak için referans bir sinüs dalgasını üçgen bir taşıyıcıya karşı karşılaştıran sinüzoidal PWM ve DC voltaj kullanımını artırmak için üç faz boyunca sıfır dizili bir bileşen enjekte eden uzay vektörlü PWM (SVPWM) bulunur.

Kalıcı mıknatıslı senkron bir motorda, eksen akımı, Rotor akısına dik olan akım, tork üretir. Basitleştirilmiş bir tork denklemi şöyledir:

burada p kutup çifti sayısı, \psi_f kalıcı mıknatıs akısı ve i_q q eksen akımıdır. Akım döngüsü birkaç kHz'de kontrol edilir ve rotor açısı ya bir konum sensöründen ya da sensörsüz tahmin yoluyla elde edilir. Bir EV'de, aynı invertör düşük hızda yüksek tork, yüksek hızda alan zayıflaması ve rejeneratif frenleme arasında geçiş yapar.

3. Si, SiC ve GaN Arasında Seçim

Silikon MOSFET'ler/IGBT'ler olgunlaşmış olup maliyet ve güvenilirlik açısından güçlüdür. SiC MOSFET'ler yüksek voltaj toleransı, düşük kayıp ve yüksek sıcaklıkta çalışma için uygundur ve EV ana sürücü invertörlerinde, güneş ve depolama için PCS ünitelerinde ve demiryolu yardımcı güç kaynaklarında giderek daha fazla kullanılmaktadır. GaN HEMT'ler yüksek hızlı anahtarlama ve düşük kapı yükünde mükemmeldir ve yüksek frekans ve küçük boyutun avantaj sağladığı alanlarda güçlüdürler — yüz volt sınıfı AC adaptörler, sunucu güç kaynakları, kablosuz güç aktarımı.

Anahtarlama kayıpları genel olarak iki türe ayrılır.

R_{on} açık direnç, t_{on/off} geçiş süresi ve f_s anahtarlama frekansıdır. Frekansı artırmak manyetik bileşenleri küçültür, ancak anahtarlama kaybı, kapı sürücü kaybı ve EMI artar. SiC/GaN cihazlarının parazitik kablolama endüktansı, anahtarlama hızı arttıkça voltaj aşımına daha kolay dönüştüğü için, tasarımda paket, yerleşim, kapı direnci ve snubber'lar birlikte hesaba katılmalıdır.

4. Termal Tasarım, Yalıtım ve Koruma Ürünü Belirler

Birleşim sıcaklığı T_j, kasa sıcaklığı T_c ve termal direnç ile R_{th,jc}, kararlı durum yaklaşımı şöyledir:

Soğuk plaka, termal macun, ısı emici ve soğutma sıvısı akış hızı dahil olmak üzere, T_j en kötü durumda nominal değerinin altında tutulmalıdır. Bir EV invertöründe, soğutma sıvısı giriş sıcaklığı, kısa süreli aşırı yüklenme, rejenerasyondan kaynaklanan ısı ve hatta tuzlu su ve titreşim, ömrü etkiler.

Yüksek voltajlı bir bataryada, kaçak ve açıklık mesafeleri, izolasyon izleme, ön şarj, sigortalar, kontaktörler ve deşarj direnci bir araya getirilir. Kısa devre koruması sadece "ne kadar hızlı o kadar iyi" değildir; yarı iletken tahrip olmadan önce gücü güvenilir bir şekilde keserken, yanlış bir tetikleme üzerine çalışmayı durdurmayı önleyen zaman koordinasyonuna ihtiyaç duyar. Kontrol yazılımı izleme mekanizmaları, çift akım algılama ve fonksiyonel güvenlik standartları (ISO 26262, IEC 61508, vb.) da devrenin bir parçası olarak tasarlanmıştır.

5. Kullanım Alanları

6. Güncel Araştırmaları Okumak İçin Bir Bakış Açısı

Araştırma sadece "yapmaya" odaklanmıyor "Daha hızlı anahtarlama." SiC kapı güvenilirliği ve kısa devre dayanımı, GaN'nin dinamik açık direnci, 3D güç modüllerindeki termal yollar, manyetik malzemelerdeki yüksek frekans kaybı, dijital kontrolde öngörücü kompanzasyon ve geniş bant aralıklı cihazlar için EMI azaltımı konularında eş zamanlı olarak ilerleme kaydediliyor. Sistem düzeyindeki araştırmalar da önemlidir - dönüştürücüleri modüler hale getirerek arıza sonrasında bile çalışmanın devam etmesini sağlayan çok fazlı aralıklı bağlantı, araçları şebekeye bağlayan V2G, DC dağıtımı ve kablosuz güç aktarımı.

Bir makaledeki verimlilik grafiğini okurken, yalnızca nominal çalışma noktasını değil, yük oranını, giriş voltajını, soğutma koşullarını, anahtarlama frekansını ve ölçüm bant genişliğini de kontrol edin. Aynı %99 rakamı, 1 kW'lık bir güç kaynağına göre 1 MW'lık bir invertörde 100 kat daha fazla ısı kaybını temsil eder. Bir ürün seçerken, yalnızca tepe verimliliğine değil, ağırlıklı ortalama verimliliğe, gerçek yük profiline, kullanım ömrüne, bakım kolaylığına ve EMI test sonuçlarına öncelik vermek daha iyidir.

7. Özet

Güç elektroniği elektrik enerjisini ayrıştırır "Yarı iletken açma/kapama", "manyetik bileşenlerde enerji depolama", "kondansatörlerle düzeltme" ve "kontrol yazılımında geri besleme" gibi kavramlara ayrılır ve ihtiyaç duyulan voltaj, akım ve frekansa yeniden birleştirilir. Buck denklemini veya PWM'yi ezberlemek sadece başlangıç noktasıdır; nihai performans, kayıp, ısı, yalıtım, EMI, koruma, standartlar ve kontrol döngüsü zamanlamasının birleşimiyle belirlenir.

Referanslar

• IEC — Güç elektroniği ve elektrik güvenliği standartları
• IEEE Güç Elektroniği Topluluğu
• Wolfspeed — SiC teknoloji kaynakları
• Infineon — Geniş Bant Aralıklı yarı iletkenler
• NREL — Güç elektroniği araştırması