MOSFET ve IGBT

Power mosfet yani güç mosfetleri, SMPS lerde en çok kullanılan anahtarlama elemanlarıdır. BJT transistörleri anlatmama sebebim az kullanılıyor olmalarıdır. Mosfetler BJT lerden yaklaşık 10 kat daha yüksek anahtarlama yapabilme kabiliyetleri vardır ve dizaynda kullanılmaları daha kolaydır.
Mosfet voltaj kontrollü bir anahtarlama elemanıdır. Mosfeti sürebilmek için mosfetin, saturation ve cutoff yani doyum ve kesim alanlarında çalıştırılıyor olması gerekmektedir. Bunu yapabilmek için mosfetin gate-source uçları arasına yeterli miktarda voltaj uygulanmalıdır. Gate-source uçları arasındaki voltaj ile yani Vgs ile drain den geçen akım Id arasındaki ilişkiye transconductance yada iki yer arasındaki iletkenlik gibi birşeye bağlıdır diyebiliriz.

Elektronları iletme şekline göre iki tür mosfet vardır. Biri p-type yani p tipi mosfet, diğeri n-type yani n tipi mosfettir. Bu iki mosfetin arasındaki fark elektronları iletme şeklinin farklılığıdır. Çok detaya girmeden anlatılacak olursa, n-type mosfetler p-type olanlardan daha hızlıdır. Yani elektronları iletme hızı p-type olanlardan daha hızlıdır. N-type mosfetler çok daha sık kullanılmaktadır.

Birde mosfetlerin iç yapıları yine elektronları taşımak için kullandıkları metod türüne göre ikiye ayrılır. Biri enhancement mode yani artış modu, diğeri depletion type yani tüketim modu mosfetlerdir. Depletion type olanlar güç mosfeti olarak kullanılmamaktadır ve nadiren tek mosfetli düşük güç uygulamalarında kullanılmaktadır. Asıl odaklanmamız gereken n-type enhancement mode mosfetlerdir.

Farkını anlatacak olursak, enhancement mode n-type olanlarda, Vgs gerilimi 0 iken, Ids akımı da 0 olmaktadır. Fakat depletion mode n-type olanlarda ise, Vgs gerilimi 0 iken Ids akımı 0 değildir. 0 yapabilmek için Vgs ye negatif voltaj uygulamak gerekmektedir.

Yukardaki resimde n-type enhancement mode mosfetin saturation, doyum ve cutoff, kesim alanlarını görmektesiniz. Cutoff çizgisinde yani Ids akımının 0 a çok yakın olduğunu görebilirsiniz. Saturation bölgesinde ise, Vgs ye bağlı olarak Ids akımının değiştiğini anlayabilirsiniz. Eğer siz mosfetten max akım geçişi isterseniz o zaman Vgs ye +5V ile mosfetin izin verdiği max Vgs voltajı arasında gerilim uygulayabilirsiniz. Fakat ideal olarak 5 ile 10-12V yeterlidir diyebiliriz.

Cutoff Region – Kesim Alanı

Resimdeki gibi bir mosfet ve devremiz olduğunu varsayarsak cutoff alanında iken;

1) Vgs voltajı 0 olduğundan dolayı mosfetin Ids tarafı açık devre olarak davranmaktadır. Böylece drain den source kısmına akım geçmeyecektir.

2) Vgs voltajı belli bi eşik voltajı olan Vth değerini geçmediği sürece mosfet cutoff alanında kalacaktır.

3) Ids akımı olmadığı için RL üzerinde voltaj kaybı olmayacaktır böylelikle tüm DC baradaki gerilim yani VDD, direk olarak mosfetin üzerinde kalacaktır. Mosfet seçerken dikkat etmemiz gerekende mosfetin VDS geriliminin uygulanacak DC gerilimden daha büyük olması zorunluluğudur. Ayrıca mosfetin Ids akımının da aynı şekilde en fazla geçecek olan Ids akımından daha büyük olması gerekmektedir.

Saturation Region – Doyum Alanı

1) Vgs voltajı Vth eşik voltajından daha büyüktür.

2) Mosfet tamamen on halinde yani Ids kısmı kısa devre halinde gibidir.

3) İdeal durumda Vds arasında mosfet doyum alanında iken voltaj kalmaz fakat Rdson direncinden dolayı Vds uçlarında voltaj elbette görülecektir. Rdson direnci mosfetin on durumunda olduğu yani Ids akımına izin verdiği durumda iken drain ve source arasında gösterdiği dirençtir. İşte bu direnç mosfetin ısınmasına yol açan dirençtir ve bu direncin küçük olduğu mosfetler seçilmesi ısıya dönüşen güç kayıplarını düşürecektir.

Mosfetin hızı işte bu saturation ve cutoff alanlarına ne kadar hızlı girebildiği ve bu alanlardan ne kadar hızlı çıkabildiğine bağlıdır.

MOSFET Giriş Empedansı ve Miller Efekti

Mosfetin giriş empedansı yani gate ucundaki empedans çok yüksek olmaktadır. Vgs 10V iken, gate akımı nanoamper civarında olabilir.

Tüm mosfetlerin içinde gate-source ve gate-drain arasında belli değerlerde kapasitans vardır. Ayrıca drain-source arası bi kapasitans bulunur. Fakat mosfetin anahtarlama hızını, performansını belirleyen gate-source ve gate-drain kapasitanslarıdır.

Bu kapasitanslar mosfetlerin datasheetlerinde yazar ve çok önemlidir diyebiliriz. Coss kapasitansı drain-source kapasitansıdır fakat direkt olarak çok fazla bi etkisi yoktur. Ciss ve Crss yani sırasıyla gate-source ve gate-drain kapasitansları daha önemlidir ve hesaplanabilir etkileri vardır. Crss kapasitansının diğer bi adı Miller kapasitansıdır.

Yukardaki grafikte mosfetin dalga formlarını görmektesiniz. Miller kapasitans etkisinden dolayı Ig akımının turn on olurken impulse olarak yani darbeli bi şekilde yüksek akım çektiğini görebilirsiniz.

Gate-source, gate-drain kapasitanslarını da kıyaslayacak olursak, gate-drain kapasitansı yani Miller kapasitansı daha önemlidir. Mosfet on olduğu zaman, yani üzerinden akım geçirmeye başladığı zaman, drain voltajı, gate kapasitansına giden akımla birlikte azalmaya başlar. Drain deki voltajın azalmasıyla birlikte C2 şarj olmaya ve C1 i şarj etmesi beklenen gate akımını da çekmeye başlar. Daha hızlı drain deki voltaj düşümü, daha hızlı ve yüksek bir şekilde gate den akım çekilmesi demektir. Turn on yani açılma sırasında, mosfetin gate empedansı çok düşer. Daha önce dediğim gibi ilk başta fazla akım çekmesinin sebebide budur.

Mosfetin iç yapısı, gate akımını limitlemektedir. Bu yüzden Miller efekti sadece turn on sırasında ve genelde yüksek voltaj uygulamalarında, turn on delay, yani mosfetin açılması sırasında bi gecikmeye yol açmaktadır. IGBT ler daha düşük miller kapasitansına sahiptir.

Gate Akımı Hesaplanması

C1 = Ciss ve C2 = Crss olarak datasheetlerde geçebilmektedir.

dV kısmı 10V olarak yani gate-source arasına verdiğimiz Vgs voltajıdır.

tr = trise süresi diye geçer. Yani mosfetin on oluncaya kadar ki geçen zamandır.

C1 ve C2 lerin birimi faraddır. Vcc = Vdc dir. C2 deki akım, I2, I1 den daha büyük olacağı için I1 ihmal edilebilir.

Ig = I1 + I2

MOSFET Body Diode

Mosfetlerin drain-source uçlarına paralel olacak şekilde, Drain kısmına ters polarlanmış yani reverse biased olmuş şekilde diyot bulunur. Bu diyot mosfetin uçlarında ters gerilimin oluşmasını önlemek içindir. Bu diyot normal rectifier doğrultucu diyotlardan daha hızlı olmasına rağmen schottky hızlı diyotlardan daha yavaştır.

Özellikle half ve full bridge topolojilerinde, motor drive devreleri ve endüktif yükler body diode un yavaşlığından dolayı sorun çıkartabilirler. Bu sorunu ortadan kaldırmak için drain source uçlarına paralel olacak şekilde, drain e diyotun katodu gelecek şekilde bağlanır.

Ayrıca D1 deki diyot gibi seri bi diode body diode a ters gerilim esnasında gelecek akımı önlemek için de kullanılabilir. Fakat bu diyodun da schottky diyot gibi hızlı bi diyot olması gerekmektedir.

IGBT

Yukardaki resimde solda IGBT nin iç yapısını ve sağda mosfet ile aynı şekilde eşdeğerini görmektesiniz. IGBT de yer alan BJT nin on olduğu zamanki durumu sağda mosfette sadece diyot ile gösterildiğine dikkat edin. IGBT ler hem mosfet hem de bjt transistörlerin özelliklerini barındırmaktadırlar.

IGBT lerin mosfet ve bjt lere göre üstünlüğü, on sırasında voltaj düşümünün az olması ve yüksek gate direncidir diyebiliriz. Ayrıca birden çok mosfet yada bjt kullanmak yerine tek igbt kullanılabilmektedir.

IGBT Çeşitleri

İki tane IGBT türü vardır bunlar; PT ve NPT IGBT leridir.

PT IGBT leri, iç yapısında N+ katmanı bulunduran IGBT lerdir. NPT olanlar ise bu katman bulunmaz.

NPT igbt leri daha yüksek VCEon değerine sahiptir. PT olanlar daha yüksek anahtarlama hızına sahiptir. Fakat NPT olanlar PT olanlara göre daha sağlam yapıdadır.

Uygun IGBT Seçimi

1) Yüksek anahtarlama hızı mı yok sağlamlık, dayanıklılık mı önemli ?

2) Maksimum çalışma voltajı nedir ? IGBT max olarak VCEs değerinin %80 inin engellemelidir. Collector-emitter arası max olarak 0.8 x VCEs değeri olmalıdır.

3) PT olan mı yoksa NPT olan mı seçilmeli ? Anahtarlama yüksek hızda olacaksa PT olan daha iyi seçim olacaktır. Fakat aradığınız dayanıklılık ve kısa devreye karşı sağlamlık ise NPT daha iyi bi seçim olacaktır. Fakat SMPS lerde genelde kısa devre dayanıklılığı aranmamaktadır.

4) Akım değeri nasıl seçilmelidir ? Soft switching yani yumuşak anahtarlama olan uygulamalarda IC2 değeri esas alınabilir. Hard switching sert anahtarlamalı uygulamalarda aşağıdaki frekans akım grafiği baz alınabilir.

Quasi resonant, phase shifted full bridge vs gibi devreler soft switch diye geçerler. ZVS tekniği yani zero voltage switching, sıfır voltaj anahtarlama tekniğini kullananlar bu gruba girerler. Diğerleri hard switching olarak geçer.

Benzer Yazılar

YAZAR : Admin

Elektronik Mühendisi / E.Üni. Kalibrasyon Lab. Sorumlusu / Biyomedikal Kalibrasyon Laboratuvarı Sorumlu Müdürü (Sağ.Bak.) / X-Işınlı Görüntüleme Sistemleri Test Kontrol ve Kalibrasyon Uzmanı (Sağ.Bak.) / Ultrason-Doppler Sistemleri Test Kontrol ve Kalibrasyon Uzmanı (Sağ.Bak.) - Hatalı veya kaldırılmasını istediğiniz sayfaları diyot.net@gmail.com bildirin

BU YAZIYI DA İNCELEDİNİZ Mİ ?

MOSFET ve IGBT Sürme

Mosfet ve igbt gibi anahtarlama elemanlarının yüksek frekansla çalıştırdığımız zaman, anahtarlama işlemlerini, açılıp kapanma işlemlerini …

Bir cevap yazın