DESAT Koruması

Instagram: @lentark

IGBT (Yalıtkan Kapılı Bipolar Transistör) ve MOSFET'ler (Metal-Oksit-Yarıiletken Alan Etkili Transistör) güç elektroniği uygulamalarında kullanılan anahtarlama elemanlarıdır ve bu bileşenlerin zarar görmemesi için birçok koruma yöntemi vardır. DESAT (desatürasyon) koruması, bu koruma yöntemlerinden sadece biridir ve anahtarlama elemanının aşırı akım/kısa devre durumunu algılayarak henüz hasar oluşmadan sürücünün anahtarlama elemanını kesim durumuna getirmesini sağlar. İşte DESAT koruması hakkında ilgililer için detay bilgiler.

Güç elektroniği uygulamalarında, IGBT ve MOSFET gibi yarı iletken anahtarlamalı cihazlar vazgeçilmez bir role sahiptir. Bu komponentler, enerji dönüşümünde ve enerji kontrolünde kritik öneme sahip olup, yüksek güçlü uygulamalarının vazgeçilmezidir. Ancak bu bileşenlerin güvenilir ve etkin bir şekilde çalışabilmesi için çeşitli koruma mekanizmalarının entegre edilmesi gerekir. Bu koruma stratejilerinden biri de DESAT (doyma) korumasıdır.

DESAT koruması, adından da anlaşılacağı üzere, IGBT veya MOSFET'in doyma durumunu izleyerek bu durumun oluşabileceği risklere karşı cihazı koruma altına alır. Doyma, IGBT veya MOSFET'in nominal çalışma koşullarının dışında, aşırı akım geçişi nedeniyle zarar görebileceği bir durumu ifade eder. Figür 1’de bu durum bir IGBT ve Figür 2’de bir SiC MOSFET çıkış karakteristiği grafiği üzerinden görselleştirilmiştir.

Figür 1: Örnek bir IGBT çıkış karakteristiği grafiği üzerinden desatürasyonun gösterilmesi. [1]

Desatürasyon, IGBT'nin veya MOSFET'in doğru bir şekilde çalışmaması durumudur. Cihazın iç direncini artırır, ısınmasına yol açar ve en nihayetinde bileşene kalıcı olarak zarar verir. Buna karşılık aşırı akım durumlarında, DESAT koruma devresi devreye girerek sürücü sinyalini hızla keser ve bileşeni potansiyel hasardan korur.

DESAT korumasının SiC MOSFET’ler ile kullanımı, mümkündür; ancak SiC MOSFET’ler için en iyi koruma seçeneği olduğu söylenemez. SiC MOSFET'ler, IGBT'lere göre daha kısa bir kısa-devre dayanım süresine (short-circuit withstand time – SCWT ) sahiptir. Çok hızlı anahtarlama yetenekleri Id akımında hızlı değişimlere sebep olur bu nedenle olası bir kısa devre sorununu tespit etmek için zamanlama kritiktir. Shunt-direnci ile akım izleme metodu ile aşırı akım tespiti SiC MOSFET'ler için en iyisidir.[2]

SiC MOSFET'te, akım Vds arttıkça artmaya devam eder, bu da yüksek güç dağılımı ve sonuçta oluşan ısı nedeniyle cihazın daha hızlı bir şekilde bozulmasına neden olur. Ayrıca, SiC MOSFET'ler çok daha hızlı bir şekilde anahtarlandıkları için IGBT'lerden daha erken maksimum güç dağılımı noktasına ulaşır.

Figür 2: Örnek bir SiC MOSFET’in çıkış karakteristiği grafiği üzerinden desatürasyonun gösterilmesi. [2]

IGBT ve MOSFET sürücülerinde DESAT koruması gibi kısa devre korumaları, cihazın güvenli bir şekilde çalışmasını sağlamak için kritik bir öneme sahiptir. Bu korumanın nasıl çalıştığı, hangi durumlarda devreye girdiği ve DESAT korumasının uygulamalara nasıl entegre edildiği blogda ele alınmıştır.

IGBT’lerde aşırı akım, doyum bölgesinden aktif bölgeye geçiş yaptığı bir "desatürasyon" durumuna yol açmaktadır. Bu olgu, genellikle kısa devre olayları sonucunda cihazın maksimum sınırlarının hızla aşıldığı sırada meydana gelir. Bir IGBT desatüre olduğunda maksimum güç sınırında çalışır, bu da aşırı ısınmaya ve hasarlara yol açar. Bu nedenle, Ic olarak belirtilen akımı kontrol ederek IGBT'nin çalışma noktasını doyum bölgesi içinde tutmak büyük bir önem taşır.

Power SiC MOSFET’lerde ise durum biraz farklıdır.  Figür 2’de de görüldüğü gibi aşırı akım, doğrusal (Omik) bölgeden doyum bölgesine geçiş yaptığı bir "desatürasyon" durumuna yol açmaktadır. Bu olgu, kısa devre olaylarında meydana gelebildiği gibi cihazın açılma ve kapanma anlarında da meydana gelebilir. Bunun ile birlikte SiC MOSFET’lerin daha kısa bir SCWT’ye sahip olduğu da hatırlanırsa aşırı akım ve kısa devre gibi durumlarının tespit edilmesinde zamanlamanın ne denli önemli olduğu tekrar belirtilebilir. Bu sebeple DESAT koruması yerine sönt-direnci ile akım izleme metodu aşırı akım tespiti SiC MOSFET'ler için çok daha iyidir. Tabi sönt direnci yönteminin de yüksek güç kaybı gibi bir negatif etkisi bulunmaktadır.

Aktif bölgeye geçiş, Figür 1'de gösterildiği gibi, kırılma akımı “Current Knee” olarak bilinen bir bölge ile başlar. Bu bölge ile birlikte, Ic akımının artış hızı azalır ve anahtarlama elemanının iletim durumdaki voltaj düşümü olan Vce seviyesinin yükselme hızı artar. DESAT koruma devreleri ise genellikle anahtarlama elemanının iletim sırasındaki Vce seviyesini IGBT’yi korumak amacıyla aşırı akım durumunun tespitinde kullanır.

En yaygın kullanılan aşırı akım ve kısa devre koruma mekanizmalarından biri DESAT korumasıdır. Bu yapı, Vce'nin önceden belirlenmiş eşiğe ulaşıp ulaşmadığını tespit edebilmek için iletim durumundaki anahtarlama elemanının Vce seviyesini takip eder. Örneğin Figür 3’de gösterildiği gibi belirlenmiş bir çalışma noktasına (A noktasına) karşılık gelen Vdesat voltaj seviyesini eşik değer olarak değerlendirerek Vce seviyesini takip eder. Genellikle, VDESAT eşiği, kırılma akımı bölgesinden, Vce’nin artışının hızlandığı bir noktadan seçilir. Eğer kırılma bölgesi çalışma sınırlarının dışında ise eşik seviyesi, anahtarlama elemanın çalışma noktasındaki Vce seviyesinden makul bir uzaklıkta seçilir. Örneğin, diğer sistem parametrelerinin stres göstermeden dayanabileceği kadar çalışma noktasına uzak ve anahtarlama elemanının sınırlarına yaklaşmayacak şekilde de yakın seçilir.

Vdesat'ın Vce,q'dan küçük olduğu bir senaryo ortaya çıkarsa, DESAT koruması devreye girer ve anahtarlama elemanının güvenli bir şekilde kapatılmasını sağlar. Ve bu durum ile ilgili bir hata sinyalini kontrol mekanizmasına gönderir. Bu sayede, cihaz olası zararlardan korunur.

Figür 3: Q noktasında çalışan bir IGBT’nin çıkış karakteristiği grafiği üzerinden A eşik noktasının gösterilmesi.

Figür 4’de bir DESAT korumasının yapısı gösterilmiştir.

Figür 4: Uygulama seviyesinde DESAT koruma yapısının gösterilmesi.

IGBT’nin kesimde olduğu, dolayısı ile herhangi bir aşırı akım probleminin olmadığı durum için koruma devresinin çalışması Figür 5’deki gibi olacaktır.

Figür 5: IGBT’nin kesimde olduğu durumda şarj akımının yönü.

IGBT’nin iletimde olduğu, herhangi bir aşırı akım problemin olmadığı, durum için koruma devresinin çalışması Figür 6’daki gibi olacaktır.

Figür 6: IGBT’nin iletimde olduğu ve aşırı akım probleminin olmadığı durumda şarj akımının yönü.

IGBT’nin iletimde olduğu ve bir aşırı akım problemin olduğu durum için koruma devresinin tepkisi Figür 7’deki gibi olacaktır.

Figür 7: IGBT’nin iletimde ve aşırı akım probleminin olduğu durumda şarj akımının yönü.

Figür 7’deki olayın gerçekleşmeye başlamasından bir süre sonra (kapasitans değeri tarafından belirlenir), A ve COM noktaları arasındaki gerilim Vds geriliminin üzerine çıkar ve karşılaştırıcı DESAT'ın tespit edildiğinin bilgisini kontrol mekanizmalarına iletir.

Cds kondansatörünün şarj olma süresi DESAT durumunun ne kadar geç kontrol sistemine bildirileceğini belirler. Gecikme süresi denklem 1’e göre hesaplanır.

Bu tarz bir gecikme gürültü, voltaj dalgalanmaları ve geçişleri gibi birçok yanlış tetiklenme durumu için bir filtre görevi görmektedir. Ancak bu değerin anahtarlama elemanının SCWT‘sinden daha uzun olmaması gerekmektedir.

DESAT eşik voltajı (Vth), diyotların iletimi durdurduğu voltajdır. Bu eşiğin geçilip geçilmediğine göre sistem için Vce'nin yüksek olup olmadığı sonucuna varılır. DESAT eşik voltajı denklem 2’e göre hesaplanır. [4]

DESAT koruma devresi ayrık bileşenler kullanılarak oluşturulabilir, ancak birçok modern IGBT sürücüsü ve MOSFET sürücüsü, DESAT koruma özelliğine sahiptir. Bu özellik genellikle entegre bir DESAT durumu algılayıcısı ve hızlı tepki mekanizmasıyla birleştirilir. DESAT algılayıcısı, bileşen üzerindeki gerilimi izler ve belirli bir eşik değerini aştığında koruma devresini etkinleştirir.

IGBT ve MOSFET bileşenlerinin korunması, güç elektroniği sistemlerinin güvenilir ve uzun ömürlü olmasını sağlar. DESAT koruması, bu bileşenleri potansiyel zararlı koşullardan koruyarak ciddi arızaların ve bileşen hasarlarının önlenmesinde yardımcı olur. Bu nedenle, yüksek performanslı elektronik sistemlerde DESAT koruma özelliği oldukça kritiktir.

Lentark Elektronik

Web Sitesi 1           : www.lentark.com

Web Sitesi 2           : www.lentarkstore.com

E-posta                   : info@lentark.com

• [1] Grafiğin ait olduğu ürün: CM600DU-24NF MITSUBISHI IGBT.
• [2] TI, “IGBT & SiC Gate Driver Fundamentals.”, Q4 2021, p28.
• [3] Grafiğin ait olduğu ürün: ROHM, BSM300D12P3E005 SiC Power Module.
• [4] TI, “How can we adjust the DESAT detection threshold?”