Güç elektroniği yeni yapı malzemeleriyle birlikte tasarımcıya bir çok alanda çözümler ve fırsatlar sunarken; eskiden beri süregelen bir çok problem de yine tasarımcıların peşini bırakmamaktadır. Fizik ve evrenimiz değişmedikçe peşimizden ayrılmayacak bu problemlerin başında; bir güç elektroniği tasarımcısının cevaplamak zorunda olduğu, yarı iletken yapılardan modüller mi yoksa discrete yani ayrık yapılar mı kullanmak daha efektiftir sorusu yer alır. Tasarımcı bu soruya yanıt verirken, bir çok alanda avantaj ve dezavantaj arasından seçimini doğru ve optimum yapmak zorundadır.

Power Module Nedir?
Güç modülleri ya da ingilizce tabiriyle Power Module’ler, belirli yarıiletkenlerin (ki genelde anahtarlardır) belli topolojilerde kullanılmak üzere, belli kombinasyonlar ile optimum şekilde bir araya getirilmesinden oluşmuş yapılardır. İlk kez Semikron tarafından 1975 yılında kullanıma sunulan güç modülleri günümüzde; yenilenebilir enerjiden elektrikli tren ve arabalara bir çok alanda vazgeçilmezdir.Bu yapılar kullanılacakları alana göre, aşağıda bazı örnekleri görülebileceği üzere, uygun formlarda dizilerek tasarımcıların kullanımına sunulurlar. Her bir diziliş kendisinin kullanılacağı topolojiye göre özel tasarlanır ve içerisinde kullanılan yarı iletkenler buna göre seçilir.Tüm bu yapıları barındıran modüller, tasarımcıların daha kolay mekanik montaj sağlayabilmesi için elektriksel olarak izolasyonlu termal kısımlara, bağlantı kolaylığı sağlayabilecek lehim, pressfit ya da vidalı montaj birimlerine ve modülün sıcaklığını ölçmemize olanak sağlayan PTC ya da NTC gibi elemanlara sahiptirler.

Güç Elektroniğinin İki Ana Problemi: Kaçak Endüktans ve Sıcaklık
Güç elektroniği tasarımcılarının baş etmeye çalıştığı konuların başında kaçak ya da stray endüktans alır. Daha önce burada da sözünü ettiğimiz bu konu, gerek trafo olsun gerek anahtarlama yapıları, EMI’dan, istenmeyen çalışmaya bir çok sorunun başlıca nedenlerindendir.Yukarıda güç elektroniğinde sıkça kullanılan half bridge yapısı içerisindeki kaçak endüktansları görebilirsiniz. Bu endüktansların bir kısmı anahtarlama elemanlarının yapısından, bir kısmı kullanılan direnç veya kapasite gibi elemanların ideal olmamasından, bir kısmı da layout tasarımımızdan gelmektedir. Her ne şekilde olursa olsun, bu endüktanslar, özellikle sert anahtarlamalı yapılarda ki büyük güçlü tasarımların çoğu bu şekilde tasarlanmaktadır, yüksek dI/dt oranları ile birlikte her bir endüktansın üzerinde gerilim yükselmelerine, paralel ya da serisindeki kapasite ile rezonansa girerek ise EMI gürültülerine yol açmaktadır.Güç elektroniğinin bir diğer sorunlu konularından birisi ise kayıplar ve dolayısı ile ortaya çıkan ısı miktarlarıdır. Yumuşak anahtarlama gibi yöntemler ile her ne kadar bu değerleri azaltabiliyor olsak da yaşadığımız evren ve doğa kanunları değişmedikçe, iş yaptığımız süre boyunca kayıp yaşamaya devam edeceğimizden, her bir güç elemanı ayrı ayrı soğultulmaya ihtiyaç duyacaktır. Maalesef doğada en iyi ısıl geçirgenler ayrıca en iyi elektrik ileten maddeler olduğundan, bunu aşmak için bir çok farklı yolla izolasyon sağlayıp aynı zamanda güç elemanlarımızı soğutmaya çalışır, hatta bunlar için yukarıda görülebileceği gibi detaylı termal analizler koştururuz. Tam bu noktada, güç elektroniği alanında kendini geliştirenlerin mekanik bilgilerinin de olmasının, onlara artı etki yaratacağını belirtmek gerekir.

Peki Hangisini Seçmeliyim?

Yukarıdaki anlattığımız sorunları aşmanın yanında uygulamaları düşük/orta/yüksek gerilim ya da güç olarak ele aldığımızda farklı senaryolar karşımıza çıkmaktadır. Bunları temel olarak aşağıdaki beş ana başlıkta ele alabiliriz.

a) Power is The Money, Money is the Power!
Mühendis ya da tasarımcı olarak her ne kadar teknik olarak en üst seviyede cihazlar tasarlamak istesek de günün sonunda serbest piyasa koşulları bizleri başka tasarımcı ya da firmalarla rekabete iter ve günün sonunda maliyet son sözü söyleyen aktörlerin en önemlilerinden olur. Bu anlamda teknik olarak bir çok zorluk olsa da düşük ve orta güç ve gerilim sevitelerinde discrete yani ayrık elemanlar her zaman fiyat açısından önde olacaklardır. Bunun nedenlerinden biri, çok daha fazla adette üretilmeleri ve farklı amaçlarla bir araya getirilip, bir çok uygulamada kullanılmalarıdır.

Hatanın daha az istendiği askeri alanlar, uzun ömürlü olmaları beklenen yenilenebilir enerji alanındaki inverter ya da converterler ile motor sürücüler için ise fiyat kalite ile eşleştirildiğinden, modül kullanımı bu alanlarda daha önem arz etmektedir.

b) Anahtarlama Performansı ve Gürültüler
Yukarı bahsettiğimiz üzere güç elektroniğinde kaçak endüktansları azaltmak, bir çok sorundan kurtulmanın başlıca yollarından biridir. Endüktans yol boyu ile doğru orantılı olduğu için, anahtarlama yolunu ne kadar kısa tutarsak bizim için o kadar iyi olacaktır. Bu anlamda güç modülleri, bunu yarıiletken die bazlı yaptığından bize optimum çözümü sunmuş olurlar. V=L*dI/dt formülü altın kural olarak karşımızdayken, gerek düşük gerekse yüksek gerilimde ya da güçte, bu kural hiç değişmeyeceğinden üreticiler yüksek hızda anahtarlamanın olduğu (düşük dt) ya da yüksek güçlü uygulamalarda (büyük dI) bizlere modül bazlı çözümler sunmaktadırlar. Aşağıda düşük gerilimli yalnız çok yüksek anahtarlama hızına sahip GaN modül yapısı görülebilir.Bahsettiğimiz bu kaçak endüktansın düşük olması o kadar önemlidir ki, firmalar birbirileri arasındaki rekabette bu oranın azlığını birbirine karşı kullanmaktadırlar.Yukarıdaki örnekte de görülebileceği gibi üreticiler datasheetlerde bu değeri vererek, kullanıcıların bunu göz önüne alarak simülasyon ve tasarım yapmalarını önerirler. Discrete yapılarda ise bu kadar düşük değerleri yakalamak çok zor olacağından, tasarımlarımız daha gürültülü olmakta ve bunun önüne geçmek için snubber gibi daha fazla susturucu yapı kurmamız gerekmektedir. Sonuç olarak modül kullanımı, bir anlamda EMI açısından discrete yapılara göre daha avantajlı olabilmektedir.

Anahtarlama konusunda gate ve kelvin bağlantı konusunun önemine buradaki yazımda daha önce değinmiştim. Güç modüllerinin genelinde, gate uçları kelvin bağlantı yapısındadır. Dolayısı ile bu, anahtarın kontrolünde gate tasarımı ve mekanik yerleşimde tasarımcıya ekstra kolaylık sağlamaktadır. Discrete yapılarda ise bir çok zaman, güç hatlarının arasından dolaşmak zorunda kalan gate sinyali, bir çok önlemi göz önüne alarak tasarım yapmamızı gerektirir.

c) Soğutma (Isı Transferi) Performansı
Güç elektroniğinde ısı transferi probleminin, elektriksel tasarım kadar önemli olduğunu yukarıda değinmiştik. Discrete ürün yelpazesinde çok fazla parça olmasına karşın, bu ürünler genel üretim teknikleri ile üretildiğinden, ısı transferleri bir çok durumda limitli kalmaktadır. Örneğin, hava ile soğutulan bir TO247 boyutunda IGBT ya da Mosfet, kılıfından 400-500W ısı atabileceğini söylerken, aldığımız izolasyon önlemleri, montaj kalitesinin her zaman aynı olmaması, mekanik engeller gibi durumlardan, gerçekte atabildiğimiz ısı sadece 30-40W civarlarında olabilmektedir.Buna karşın, güç modülleri, uygun güç modülü yerleşimleri, yukarıda görülebileceği gibi uygun ısıl ve elektriksel izolasyon katmanları ile tasarımcıya optimum soğutma imkanı sunmaktadır. Bir çok güç modülünün, kılıfı, elektriksel olarak izolasyonlu üretildiğinden, kullanıcı uygun şartlar altında sadece cebri hava ile değil, aynı zamanda su soğutma gibi alternatif yöntemleri de kullanabilmektedir. Bazı modüllerin içerisine konulan NTC ya da PTC’ler ise modülün sıcaklığı konusunda bize bilgi sunmaktadır. Soğutma açısından güç modüllerinin gerçekten birer mühendislik harikaları olduğunu söylemek yanlış olmayacaktır.

d) Paket Uyumluluğu
2022’nin bahar ayları geçilirken, içerisinde bulunduğumuz yarı iletken krizi tasarımcıları oldukça zorlamakta; bu nedenle tasarımcılar, bir ürün ortaya koyarken kullandıları kritik malzemelerin birbirleri yerine kullanılabilecek bir çok alternatifi ortaya koymak zorundadırlar. Bu durumda, standart paketlerde üretilen ve bir çok alternatifi bulunan discrete ürünler, modüllere göre oldukça avantajlıdırlar.Modüllerde ise bazı uyumluluklar yer yer olsa da (bakınız 45 ve 62mm paketler), anahtarlama hızları ve güçler arttıkça, içerideki stray endüktansı azaltmak için paket yapıları patentlerle de birlikte özelleşmek zorunda kalmaktadır. Özelleşmiş bu paketler tasarımcıyı seri üretimde tek alternatifli kıldığı için, seçimler çok ince detaylara bakılarak yapılmalıdır.

e) Tasarım Kolaylığı
Güç elektroniğinde eleman yerleşiminin önemine hemen hemen her yazımızda değindik; bu açıdan bakıldığında, uygun ısıl dağılım, izolasyonlu paket, optimum yerleşim gibi konular göz önüne alındığında güç modülleri ile tasarım yapmak tasarımcıya hem hız hem de bir çok açıdan kolaylık sağlamaktadır. Bu yüzden özellikle güç değerleri yükseldikçe modüle doğru kayıp, buna uygun kapasitör, akım sensörü gibi elemanlar seçmek önemli olmaktadır. Aşağıda 200kW güç değerine sahip bir inverter deneme kitinden de görebileceğiniz gibi, güç modülü ile tasarım adeta elektronik tasarımcısı ile mekanik tasarımcısının lego gibi yapıyı bir araya getirmesi ile sonuçlanır.Modülün getirdiği bu kolaylık, maalesef discrete alanda olmadığı için; bu alanda yaşanan layout tasarımının önemi, elemanların seçimi, seri üretimde tekrarlanabilirlik gibi zor konuların aşılması gerekliliği tasarımcıya ek bir çok yük daha getirir.

Sonuç Olarak…
Her alan ve tasarımda gerek modül gerekse discrete yapılar kullanan biri olarak, ikisinin de avantaj ve dezavantajlarını bilmenin oldukça önemli olduğunu savunuyorum. Bir tasarımcı olarak seçimim, tasarımımın gerektirdiği mekanik alana, yaptığım tasarıma özgü güç modülleri yönünde olsa da bazen o topolojide modülün tasarlanmayışından, bazen de ücretlendirmeden dolayı discete eleman kullanımına da ihtiyaç duymaktayız.

SiC ve GaN gibi yeni yarıiletkenlerin güç modülleri içerisine girmesiyle, önümüzde çok yeni dünyaların açılabileceğini küçük kıvılcımlardan görmekteyiz. Dün ulaşılmaz gibi görünen SiC ve GaN ile tasarım artık ne kadar sıradanlaştıysa, yarın bunları kullanan modüllerle de tasarımlar sıradanlaşacağından, şimdiden bilgimizi bu yönde artırmak önemli olacaktır.

Sorularınızı ve konu ile ilgili görüşlerinizi her zamanki gibi yorum bölümünden bana iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.