IGBT ve MOSFET Anahtarlama için DESAT Koruması

Instagram: @lentark

IGBT’ler (Insulated Gate Bipolar Transistor) ve MOSFET’ler (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), güç elektroniği uygulamalarında kullanılan anahtarlama elemanlarıdır. Bu bileşenlerin zarar görmesini önlemek için birçok farklı koruma yöntemi uygulanır. DESAT (desaturation / doyumdan çıkma) koruması da bu yöntemlerden biridir. Bu koruma yöntemi, anahtarlama elemanında oluşabilecek aşırı akım veya kısa devre durumlarını algılayarak, herhangi bir hasar meydana gelmeden önce sürücünün anahtarlama elemanını kapatmasını sağlar. DESAT koruması hakkında daha fazla bilgi edinmek isteyenler için detaylı açıklamalar aşağıda sunulmuştur.

1. IGBT ve MOSFET Anahtarlama için DESAT (Desaturation) Korumasına Giriş

Güç elektroniği uygulamalarında IGBT ve MOSFET gibi yarı iletken anahtarlama elemanları vazgeçilmez bir role sahiptir. Bu bileşenler, enerji dönüşümü ve kontrolü açısından kritik öneme sahiptir ve özellikle yüksek güçlü uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Ancak bu elemanların güvenilir ve verimli şekilde çalışabilmesi için çeşitli koruma mekanizmalarının sisteme entegre edilmesi gerekir. Bu koruma yöntemlerinden biri de DESAT (desaturation / doyumdan çıkma) korumasıdır.

Adından da anlaşılacağı üzere DESAT koruması, IGBT veya MOSFET’in doyum durumunu izleyerek anahtarlama elemanını bu durumdan kaynaklanabilecek risklere karşı korur. Doyum durumu, IGBT veya MOSFET’in nominal çalışma koşullarının dışına çıkarak aşırı akım akışı nedeniyle zarar görebileceği bir çalışma bölgesini ifade eder. Bu durum, Şekil 1’de bir IGBT’nin çıkış karakteristik eğrisi üzerinde, Şekil 2’de ise bir SiC MOSFET üzerinde gösterilmiştir.

Şekil 1: Örnek bir IGBT çıkış karakteristik eğrisi üzerinde desatürasyon durumunun gösterimi. [1]

Desatürasyon, IGBT veya MOSFET’in doğru çalışma bölgesinde çalışmadığı bir durumu ifade eder. Bu durum, anahtarlama elemanının iç direncinin artmasına, aşırı ısınmasına ve sonuç olarak kalıcı hasar oluşmasına neden olabilir. Buna karşılık aşırı akım durumlarında DESAT koruma devresi devreye girer, sürücü sinyalini hızlı bir şekilde LOW seviyesine çeker ve bileşeni olası hasarlara karşı korur.

DESAT korumasının SiC MOSFET’lerde kullanılması mümkündür; ancak SiC MOSFET’ler için en uygun koruma yöntemi her zaman DESAT koruması değildir. SiC MOSFET’lerin kısa devre dayanım süresi (SCWT), IGBT’lere kıyasla daha kısadır. Ayrıca hızlı anahtarlama kabiliyetleri nedeniyle Id akımındaki değişimler çok hızlı gerçekleşir. Bu nedenle olası bir kısa devre durumunun algılanmasında zamanlama kritik öneme sahiptir. SiC MOSFET’ler için akımın bir şönt direnç üzerinden izlenmesi genellikle daha uygun bir koruma yöntemi olarak kabul edilir. [2]

SiC MOSFET’lerde Vds arttıkça akım artmaya devam eder. Bu durum, yüksek güç kaybı ve buna bağlı ısınma nedeniyle elemanın daha hızlı arızalanmasına yol açabilir. Ayrıca SiC MOSFET’ler, çok daha hızlı anahtarlanabildikleri için maksimum güç kaybı noktasına IGBT’lere göre daha erken ulaşabilir. Bu nedenle SiC MOSFET kullanılan tasarımlarda, bu elemanların kendine özgü özellikleri dikkate alınmalı ve cihaz ömrünü ve güvenliği sağlamak için daha hızlı tepki veren koruma yöntemleri tercih edilmelidir.

Şekil 2: Örnek bir SiC MOSFET’in çıkış karakteristik eğrisi kullanılarak desatürasyon durumunun gösterimi. [2]

IGBT ve MOSFET sürücülerinde kullanılan DESAT benzeri kısa devre koruma yöntemleri, sistemin güvenli çalışması açısından kritik öneme sahiptir. Bu korumanın nasıl çalıştığı, hangi durumlarda devreye girdiği ve DESAT korumasının uygulamalara nasıl entegre edildiği bu blog yazısında ele alınmaktadır.

2. DESAT Durumunun Nedeni

IGBT’lerde aşırı akım, elemanın doyum bölgesinden aktif bölgeye geçmesine neden olarak “desatürasyon” durumunu oluşturur. Bu durum genellikle kısa devre olayları sonucunda, elemanın maksimum sınırlarının çok hızlı şekilde aşılmasıyla meydana gelir. Bir IGBT desatürasyona girdiğinde maksimum güç sınırında çalışır; bu da aşırı ısınmaya ve hasara yol açabilir. Bu nedenle Ic olarak ifade edilen akımın kontrol altında tutulması ve IGBT’nin çalışma noktasının doyum bölgesi içinde kalmasının sağlanması büyük önem taşır.

Güç SiC MOSFET’lerinde ise durum biraz farklıdır. Şekil 2’de görüldüğü üzere aşırı akım, elemanın lineer (omik) bölgeden doyum bölgesine geçmesine neden olarak “desatürasyon” durumunu oluşturur. Bu durum kısa devre olayları sırasında ortaya çıkabileceği gibi, elemanın açılma ve kapanma anlarında da meydana gelebilir. SiC MOSFET’lerin kısa devre dayanım süresinin (SCWT) daha kısa olduğu dikkate alındığında, aşırı akım ve kısa devre gibi durumların algılanmasında zamanlamanın ne kadar kritik olduğu tekrar vurgulanmalıdır. Bu nedenle SiC MOSFET’lerde DESAT koruması yerine, akımın şönt direnç yöntemiyle izlenmesi çok daha etkili bir çözümdür. Ancak şönt direnç yönteminin yüksek güç kaybı gibi bir dezavantaja sahip olduğu da unutulmamalıdır.

3. DESAT Durumunun Algılanması

Aktif bölgeye geçiş, Şekil 1’de gösterildiği gibi “Current Knee” olarak adlandırılan bölgeyle başlar. Bu bölgeyle birlikte Ic akımındaki artış hızı azalırken, anahtarlama elemanının iletim durumundaki gerilim düşümü olan Vce’nin artış hızı yükselir. DESAT koruma devreleri, aşırı akım durumlarını algılamak ve IGBT’yi korumak amacıyla genellikle anahtarlama elemanının iletim anındaki Vce seviyesini izler.

En yaygın kullanılan aşırı akım ve kısa devre koruma mekanizmalarından biri DESAT korumasıdır. Bu yapı, anahtarlama elemanı iletim durumundayken Vce seviyesini izler ve Vce’nin önceden belirlenmiş bir eşik seviyesine ulaşıp ulaşmadığını kontrol eder. Örneğin Şekil 3’te gösterildiği gibi, önceden belirlenmiş bir çalışma noktasına (A noktası) karşılık gelen Vdesat gerilim seviyesi eşik değer olarak kabul edilerek Vce seviyesi takip edilir. Genellikle VDESAT eşiği, Vce artışının hızlandığı “Current Knee” bölgesindeki bir noktadan seçilir. Eğer “Current Knee” bölgesi çalışma sınırlarının dışında kalıyorsa, eşik seviyesi anahtarlama elemanının çalışma noktasındaki Vce seviyesinden makul bir uzaklıkta seçilir. Örneğin bu seviye, diğer sistem parametrelerinin zorlanma göstermeden dayanabileceği kadar çalışma noktasından uzak; ancak anahtarlama elemanının sınırlarına yaklaşmayacak kadar da yakın olacak şekilde belirlenir.

İletim sırasında izlenen VCE veya VDS seviyesi seçilen DESAT eşiğinin üzerine çıkarsa DESAT koruması devreye girer. Ardından gate driver kontrollü bir kapatma süreci başlatır ve hata durumunu kontrol sistemine bildirir. DESAT koruması yalnızca sistem güvenliğini sağlamakla kalmaz, aynı zamanda anahtarlama elemanının gereksiz zorlanmasını önleyerek elemanın çalışma ömrünün uzamasına da katkı sağlar.

Şekil 3: Q noktasında çalışan bir IGBT’nin çıkış karakteristik eğrisi üzerinde A eşik noktasının gösterimi.

4. DESAT Koruması Nasıl Çalışır?

Şekil 4’te bir DESAT koruma yapısının temel devre yapısı gösterilmektedir.

Şekil 4: DESAT koruma yapısının uygulama seviyesinde gösterimi.

IGBT kapalı durumdayken ve dolayısıyla herhangi bir aşırı akım durumu söz konusu değilken, koruma devresinin çalışması Şekil 5’te gösterildiği gibi olacaktır.

Şekil 5: IGBT kapalı durumdayken şarj akımının yönü.

IGBT iletim durumundayken ve herhangi bir aşırı akım durumu söz konusu değilken, koruma devresi Şekil 6’da gösterildiği gibi çalışır.

Şekil 6: IGBT iletim durumundayken ve aşırı akım durumu yokken şarj akımının yönü.

IGBT iletim durumundayken bir aşırı akım problemi oluşması durumunda, koruma devresinin tepkisi Şekil 7’de gösterildiği gibi olacaktır.

Şekil 7: IGBT iletim durumundayken ve aşırı akım oluştuğunda şarj akımının yönü.

Şekil 7’de gösterilen durum başladıktan bir süre sonra, bu süre kapasitans değerine bağlı olarak belirlenir, A ve COM noktaları arasındaki gerilim Vds geriliminin üzerine çıkar. Bu durum DESAT karşılaştırıcısı tarafından algılanır ve ilgili bilgi kontrol mekanizmalarına iletilir.

• Koruma Gecikmesi

Cds kondansatörünün şarj süresi, DESAT durumunun kontrol sistemine ne kadar sürede bildirileceğini belirler. Gecikme süresi Denklem 1’e göre hesaplanır.

IGBT DESAT Koruma Gecikmesi Denklemi.

Bu gecikme; gürültü, gerilim dalgalanmaları ve anahtarlama geçişleri gibi birçok hatalı tetikleme durumuna karşı filtre görevi görür. Ancak bu değer, anahtarlama elemanının kısa devre dayanım süresinden (SCWT) daha uzun olmamalıdır.

• DESAT Eşik Gerilimi

DESAT eşik gerilimi (Vth), diyotların iletimi kestiği gerilim seviyesidir. Bu eşik seviyesinin aşılıp aşılmadığına göre sistemdeki Vce değerinin yüksek olup olmadığı belirlenir. DESAT eşik gerilimi Denklem 2’ye göre hesaplanır. [4]

IGBT DESAT Koruma Eşik Gerilimi Denklemi.

5. Uygulamada DESAT Koruması

DESAT koruma devresi ayrık devre elemanları kullanılarak oluşturulabilir. Bununla birlikte, günümüzde birçok modern IGBT ve MOSFET sürücüsü DESAT koruma özelliğiyle birlikte gelir. Bu özellik genellikle entegre bir DESAT durumu algılama yapısı ve hızlı tepki mekanizması ile birlikte çalışır. DESAT algılama devresi, anahtarlama elemanı üzerindeki gerilimi izler ve belirli bir eşik değerin aşılması durumunda koruma devresini aktif hale getirir.

6. Sonuç

IGBT ve MOSFET bileşenlerinin korunması, güç elektroniği sistemlerinin güvenilirliği ve uzun ömürlü çalışması açısından büyük önem taşır. DESAT koruması, bu bileşenlerin potansiyel olarak zarar verici çalışma koşullarına karşı korunmasına yardımcı olur; ciddi arızaların ve bileşen hasarlarının önüne geçer. Bu nedenle DESAT koruma özelliği, yüksek performanslı elektronik sistemlerde kritik bir role sahiptir.

7. Kaynakça

[1] Grafiğe karşılık gelen ürün: CM600DU-24NF Mitsubishi IGBT.

[2] TI, “IGBT & SiC Gate Driver Fundamentals.”, Q4 2021, s. 28.

[3] Grafiğe karşılık gelen ürün: ROHM, BSM300D12P3E005 SiC Power Module.

[4] TI, “How can we adjust the DESAT detection threshold?”