GÜÇ ELEKTRONİĞİ NEDİR? YARI İLETKEN MALZEMELER

GÜÇ ELEKTRONİĞİ NEDİR?

Dünyanın enerji ihtiyacı artarken, üretilen gücün doğru bir şekilde verimli kullanılması gerekir. Güç seviyesi ve kullanılma amacı bakımından çok farklı alanlarda uygulamalar yapılmakla beraber elektriksel gücün denetiminde ve dönüşümünde kullanılan yarı iletken güç devreleri yeni bir mühendislik alanı oluşturmuştur. “Güç Elektroniği” olarak isimlendirilen bu alan elektrik, elektronik, bilgisayar, mekatronik, biyomedikal, haberleşme mühendisliği gibi uygulamaları da kapsamaktadır.

Güç elektroniğinde bir kaynaktan başka bir kaynağa veya yüke aktarılan elektrik gücü denetlenir. Güç aktarımı yapılırken akım ve gerilimin farklı formlarda güç kalitesi ve verimliliği düşmeden, istenen özelliklere belirli oranlarda sahip olması beklenir. Büyük güçlerin aktarımında yüksek kayıplar oluşabilir. Oluşan kayıpların olabilecek en düşük seviyeye indirilmesi ve oluşturacağı ısıl enerjinin yarıiletken ve diğer devre elemanlarından uzaklaştırılarak devrelere ısıl koruma yapılması gerekir.

Güç Elektroniğinde Anahtarlama

Güç denetimi genelde anahtarlama yapılarak gerçekleştirilir. Anahtarlama işlemi, bilinen yarıiletken elemanlar ve özel amaçlı üretilen güç elemanları ile yapılır. Yarıiletken anahtarlarının iletim-kesim hızlarının, yani anahtarlama hızlarının yüksek olmasından dolayı güç dönüşümü ve denetiminde büyük avantajlar sağlar. Dolayısıyla çok hızlı, kısa sürede dönüşüm gerçekleşir. Hareketli parçaları olmayan bu elemanların güç kayıpları son derece düşüktür. Hacimlerinin küçük olması ve ömürlerinin çok uzun olmasından dolayı bu devrelerin kullanımını yaygınlaştırmıştır. Örnek olarak tristörler, MVA mertebelerindeki güçleri mikro saniyeler içerisinde açıp kapayabilmektedir. Dolayısıyla günümüz teknolojisinde tristör gibi güç elektroniği devre elemanlarını seri veya paralel bağlayarak büyük güçlerde dönüşüm, anahtarlama, kontrol ve denetim yapılabilmektedir.

Güç elektroniği elemanlarınında bazı dezavantajları vardır. Bunların başında ise açma kapama anında olumsuz salınım ve bozunumlar oluşturmaları gelir. Bu yüzden güç elektroniği devrelerinin bulunduğu elektrik sistemlerinde harmonikler meydana gelir. Bunu önlemek için salınım önleyici düzeneklerle beraber tasarlanırlar.

Yarı İletken Teknolojisi

Elektrik devrelerindek kullanılan yarı iletkenlerdeki valans elektronları, iletkenlik özelliğinde önemli rol oynarlar. Küçük bir miktar enerji alan bu elektronlar çekirdeğin çekiminden kurtularak serbest hale gelirler. Bu enerji, sıcaklık etkisiyle de sağlanabilir. Elektronu ayırabilecek ve pratikte birkaç eV (1 eV=1,6.10^-19 Joule) sağlandığı takdirde katottan elektronlar ayrılır. Yarı iletken malzemeler, belirli koşullar meydana geldiğinde iletken veya yalıtkan hale geçerler. Güç elektroniği teknolojisi yarı iletken malzemeler üzerine kurulmuştur. Çünkü kontrol edilebilir bir elektrik akımı yapılır.

En çok kullanılan yarı iletken malzemeleri Silisyum (Si) ve Germanyum (Ger) elementleridir. Bunların son yörüngelerinde dört elektron bulunur. Silisyum, Germanyum’a göre daha çok kullanılır. Eğer Silisyum, Arsenik (As) gibi bir element ile elektron alışverişi yaparsa, silisyum bir elektron alır ve negatif duruma geçer( Si-5). Bu duruma N tipi (Negative) yarı iletkenlik denir. Bor elementiyle yaparsa, bir elektron verir ve pozitif davranır (Si+3). Bu duruma da P tipi (Positive) yarı iletkenlik denir. Sonuçta N tipinde fazladan elektron, P tipinde ise boşluk oluşur. P kutbuna anot denirken N kutbuna katot denir. Fazladan bekleyen elektronlar, bu boşluklara gittiğinde anottan katota bir elektron alışverişi sağlanmış olur. Buna PN tipi birleşimi (P-N Junction) denir. Böylelikle örneğin diyot gibi bir devre elemanın akım yönü anottan katoda doğru olur. PN, NP, PNP, PNP gibi birleşimler mevcuttur ve bu birleşimlere göre birçok güç elektroniği devre elemanları üretilmektedir.

Güç Elektroniği Devre Elemanları

Aşağıda en çok kullanılan güç elektroniği devre elemanları verilmiştir.

• Diyotlar
• LED (Light Emitting Diode, özel tip diyot)
• Transistörler (güç transistörleri, darlington, iki kutuplu eklem transistörleri gibi özel tip transistörler)
• Güç MOSFET’leri (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors)
• IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, özel tip transistör)
• Tristörler (SCR; Silicon Controlled Rectifier, yarıiletken denetimli doğrultucu)
• TRIAC (çift yönlü kapıdan denetimli tristör, özel tip tristör)
• Özel tip Tristörler (MCT: Metal Controlled Thyristor, IGCT: Integrated Gate Commutated Thyristor)

Güç Elektroniği Devreleri

Aşağıda en çok kullanılan güç elektroniği devreleri verilmiştir.

• Doğrultucular (Alternatif akımdan doğru akıma dönüştüren devreler – AC/DC Rectifier)
• Eviriciler (Doğru akımdan alternatif akıma dönüştüren devreler – DC/AC Inverter)
• Doğru akım kıyıcı devreleri (Belli değerdeki doğru gerilimi başka değerdeki bir doğru gerilime dönüştüren devreler – DC/DC Chopper)
• Alternatif akım ayarlayıcı devreleri (Belli değerdeki alternatif gerilimi başka değerdeki bir alternatif gerilime dönüştüren devreler – AC/AC Chopper)
• Frekans konvertörleri (Gerekirse hem AC gerilimi hem de gerilimin frekansını değiştiren devreler – VFC Variable Frequency Converter)

Elektronik Anahtarlama ile Güç Denetimi Uygulamaları

Genelde elektroniğin olduğu her cihazda güç elektroniği devreleri bulunur. Bunlardan bazıları; ısıtma ve soğutma sistemleri, ses ve kayıt sistemleri, elektrikli ev aletleri, alarm ve uyarı sistemleri, güç kaynakları, elektrokimyasal düzenekler, elektrikli araçlar, enerji üretimi, iletimi ve dağıtımı, elektronik röleler, raylı ulaşım sistemleri, ark ocakları, proses fabrika otomasyonu, aydınlatma sistemleri, trafik sinyalizasyon sistemleri, haberleşme, radyo TV sistemleri, hidrolik sistemler, radar ve sonar sistemleri, elektrik makinelerinin kontrolü, hava taşıt güç sistemleri gibi birçok donanımda kullanılmaktadır.