Geçici voltaj yükselmelerinin ve dalgalanmalarının elektronik devreler üzerindeki etkisi, sinir bozucu küçük arızalardan devre bileşenlerine zarar verebilecek yıkıcı sonuçlara kadar değişir. Bu tür geçici olayların nedenleri, yıldırım, statik elektrik ve indüklenen deşarj dahil olmak üzere çok çeşitlidir (Şekil 1).
Şekil 1: Geçici akım, korumasız elektronik cihazlarda ciddi hasara neden olabilecek yıldırım, statik elektrik veya indüklenmiş deşarjdan kaynaklanabilir. (Resim kaynağı: Littelfuse Inc.)
Bu tür geçici olaylar, yüzlerce volttan onbinlerce volta kadar değişen tepe voltajlarına ve kiloamper seviyelerine ulaşan akımlara sahip, yüzlerce nanosaniyeden milisaniyeye kadar değişen sürelerde darbeler üretebilir.
IC'lerin ve işlemcilerin minyatürleştirilmesi ve güç kaynağı voltajının azaltılması, onları elektriksel geçici olaylara karşı daha duyarlı hale getirir. Bu özellikle motor, direksiyon, frenleme, klima ve eğlence gibi birden fazla elektronik sistem tarafından kontrol edilen araçlar için geçerlidir.
Hassas devreleri korumak amacıyla korumalı kablolama, filtreler, ark bastırma ve kenetleme cihazları dahil olmak üzere çeşitli tasarım stratejileri geliştirilmiştir. Koruma ve filtreleme pasif tasarımı benimserken ark bastırma ve kelepçe koruması aktif mekanizmaları benimser. Kıvılcım boşlukları, gaz deşarj tüpleri, tristörler ve diğer ark söndürme cihazları, devreyi korumak için geçici akımları toprağa yönlendirir. Ark söndürme cihazı aktif durumdayken korunan ekipman çalışmaz, ancak geçici durum ortadan kalktığında ekipman normal şekilde çalışabilir.
Kenetleme cihazları, empedansı değiştirerek korunan cihaz boyunca sabit bir voltajı koruyan metal oksit varistörleri (MOV'ler), Zener diyotları ve geçici voltaj bastırma (TVS) çığ diyotlarını içerir. Bu teknolojiler tek tek veya aynı anda kullanılabilir. TVS diyotları, hızlı yanıt hızları ve yüksek güç dağılımları nedeniyle kenetleme cihazları olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır.
Geçici voltaj bastırma diyotu
TVS diyotu, kenetleme cihazı olarak kullanılan bir çığ diyotudur. Uygulanan voltaj çığ kırılma voltajını aştığında, aşırı akımı yönlendirecek ve voltajı sabit bir potansiyelde tutacak veya sıkıştıracaktır. Uygulanan voltaj arıza değerinden düşük olduğunda otomatik olarak sıfırlanır.
TVS diyotları, tek kutuplu geçişleri önlemek için tek yönlü cihazlar olarak kullanılabileceği gibi, herhangi bir polaritedeki geçici geçişleri önlemek için çift yönlü cihazlar olarak da kullanılabilir (Şekil 2). Çift yönlü cihazlar simetrik olabilir, aynı genliğe sahip herhangi bir polarite gerilimini kenetleyebilir veya asimetrik olabilir, geçici olayların polaritesine bağlı olarak farklı gerilim seviyelerine kenetlenebilir.
Şekil 2: Üç TVS cihazının mevcut voltaj arıza özellikleri ve şematik sembolleri. (Resim kaynağı: Littelfuse Inc.)
Tek yönlü bir TVS diyotunun çalışma prensibi, basit bir diyotunkine benzer. Diyotun arıza voltajını (VBR) aşıncaya kadar ileri yönde öngerilimli olduğunda iletir ve ters yönde öngerilimli olduğunda iletken değildir. Uygulanan voltaj VBR'yi aştığında diyot iletir ve terminallerindeki voltajı kelepçe voltajında (VC) korur. Bu diyotun dağıtabileceği maksimum güç, tepe darbe akımı (IPP) x VC'dir.
Çift yönlü bir TVS diyotu, arka arkaya iki diyota eşdeğerdir. Arıza gerilimi (VBR) herhangi bir yönde aşılmadığında yalnızca küçük bir ters kaçak akım (IR) akar. Bu işlem simetriktir çünkü iki öngerilim koşulu altında arıza gerilimi genlikleri aynıdır.
Asimetrik TVS diyotların işlevi çift yönlü cihazlarınkine benzer, ancak arıza voltajları (VBR1 ve VBR2) farklıdır.
Asimetrik TVS diyot
Asimetrik TVS diyotlara neden ihtiyaç duyulduğunu merak ediyor olabilirsiniz. Bu bileşenler silikon karbür (SiC) MOSFET'lerdeki kapı sürücülerini korumak için tasarlanmıştır. SiC'nin hızlı anahtarlama hızı nedeniyle bu sürücüler, geçici aşırı gerilimlerin neden olduğu hasara eğilimlidir. Araç şarjı için kullanılan SiC MOSFET'e veya çekiş invertörüne bir göz atalım (Şekil 3).
Şekil 3: SiC MOSFET anahtar kapısı sürücülerini korumak için kullanılan asimetrik TPSMB1505CA TV'ler. (Resim kaynağı: Littelfuse Inc.)
Asimetrik Littelfuse TPSMB1505CA TVS, MOSFET'lerin kapı sürücüsünü korumak için kullanılır. Kapı sürücüsünün iki durumu vardır; Açık durumdaki geçit voltajı -5 ile 10 V arasındadır, kapalı durumda ise -10 V'nin altındadır. TPSMB1505CA'nın anma katot (K) ile anot (A) arası arıza voltajı 16,7 ile 18,5 V arasındadır ve maksimum sıkıştırma voltajı 24,4 V'dir. Bu yönde Ipp 24,6 A'dır ve geçici darbe süresi 10 ile 1000 ms'dir.
TVS'nin A'dan K'ya arıza voltajı 6,8 ila 7,4 V ve maksimum sıkıştırma voltajı 11,5 V'dir. Bu yöndeki tepe darbe akımı 60 A'dır ve geçici darbe süresi de 10 ila 1000 ms'dir. Bunun yalnızca tek bir bileşenle sağlanabileceğini belirtmekte fayda var. Bu asimetrik çalışma modunu sağlamak için bağımsız bileşenler kullanılırsa birden fazla bileşenin birlikte çalışması gerekir.
Littelfuse TPSMB asimetrik seri TVS diyotu (Şekil 4), farklı K'dan A'ya arıza voltajlarına sahip iki ek bileşen içerir. TPSMB1805CA, maksimum 29,2 V kelepçe voltajıyla 20,0 ila 21,1 V K ila A arıza voltajı aralığı sağlar. Nominal Ipp 20,6 A'dır ve darbe süresi 10 ila 1000 ms'dir. A'dan K'ye arıza voltajı aralığı TPSMB1505CA (6,8 ila 7,4 V) ile aynıdır.