Güç Elektroniği #02 | Güç Yarı İletkenleri: Diyot, Tristör, MOSFET, IGBT ve Anahtarlama Kaybı

Eğitmen: Dr. Süleyman Burak ÇELİK

Geçen derste 24 volttan 12 volta yüzde 95 verimle indik; kayıp yaklaşık 3.16 vattı. Bugün bu işi yapan anahtarları tanıyoruz. Açılışta 3D animasyonda geçen dersin anahtarlamalı kartından iki tane var: ikisi de aynı led şeridini 12 voltta 5 amperle besliyor; tek fark, soldaki anahtar saniyede yüz bin kez açılıp kapanıyor, sağdaki bir milyon kez. Ledler aynı parlaklıkta yanıyor; ama soldaki soğutucu yaklaşık 33 derecede kalırken sağdaki 85 dereceye yaklaşıyor. Aynı anahtar, aynı akım: sağdaki neden ısınıyor? Her hesap adım adım, hiçbir işlem atlanmadan. Bu derste: - Denetlenebilirliğe göre üç grup: diyot (devre açar ve kapatır), tristör (kapı açar, devre kapatır), kontrollü anahtarlar (BJT, MOSFET, GTO, IGBT) - Diyot: ileri yönde yaklaşık 1 V; ters yönde kırılmaya kadar akım yok; ideal kabul; ters toparlanma (t_rr); Schottky (0.3 V, en fazla 50–100 V), hızlı toparlanan ve şebeke frekanslı diyotlar - Tristör: kapı darbesiyle iletime geçer ve kilitlenir; kapıdan kapatılamaz; akım sıfırın altına itilince keser; AC'de her yarım periyotta kendiliğinden; t_q - İdeal ve gerçek anahtar: geçişte gerilim ve akım birlikte büyük; her geçişte W = ½ · V_d · I_o · t_c; saniyede f_s kez; iletim kaybı - Kayıpların hesabı: 24 V, 5 A, 100 kHz, D = 0.5; t_c(on) = 50 ns, t_c(off) = 70 ns; ½ · 24 · 5 = 60 W; 60 · 100000 · 120 ns = 0.72 W; r_DS(on) = 20 mΩ: 0.1 V, 0.25 W; MOSFET 0.97 W; Schottky 0.75 W; toplam 1.72 W - Frekans 10 kat olunca: 1 MHz'de anahtarlama kaybı 7.2 W, MOSFET 7.45 W; 8 °C/W soğutucu: 25 + 0.97 · 8 ≈ 32.8 °C ve 25 + 7.45 · 8 ≈ 84.6 °C - Kontrollü anahtarlar: BJT (akımla sürülür, kazanç 5–10), MOSFET (gerilimle sürülür, en hızlı; gerilim değeri 2 kat olunca r_DS(on) ≈ 6 kat), GTO (binlerce volt ve amper, yavaş), IGBT (kolay sürülür, az düşüm, yaklaşık 1 μs) - Üç klasik tuzak Bölümler: 0:00 Geçen ders ve bugün 0:26 Aynı kart, iki frekans 0:58 Üç grup anahtar 1:27 Diyot 2:10 Tristör 2:50 İdeal ve gerçek anahtar 3:34 Kayıpların hesabı 4:57 Frekans 10 kat olunca 5:49 Kontrollü anahtarlar 6:42 Üç tuzak 7:08 Özet ve sıradaki ders Sıradaki derste güç elektroniğinin temel devre kavramlarına geçiyoruz: ortalama ve etkin değer, güç, bobin ve kondansatörün kararlı durumdaki davranışı. Kaynak kitap: Mohan, Undeland, Robbins — Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3. baskı — Bölüm 2 (konu sırası ve kavramlar). Örnekler özgündür. Elektrik-Elektronik, Mekatronik, Enerji ve Makine Mühendisliği öğrencileri için Güç Elektroniği serisinin ikinci dersi.