Elektronik cihazların daha küçük, daha hafif ve daha verimli hale gelmesi yönündeki kullanıcı talepleri, güç elektroniği alanında devrim niteliğinde yeni teknolojilerin önünü açmıştır. Bu dönüşümün en dikkat çekici parçalarından biri, SiC ve GaN gibi geniş bant aralıklı yarı iletken anahtarlama elemanlarının yükselişidir. Günümüzde elektrikli araçlardan güneş enerjisi inverterlerine, şebekeye bağlı güç kaynaklarından yüksek frekanslı dönüştürücülere kadar birçok modern sistemde bu elemanların kullanımı adeta bir standart haline gelmiştir.

SiC ve GaN anahtarlar, geleneksel mosfet veya IGBT’lere kıyasla 2 ila 10 kat daha hızlı açılıp kapanabildikleri için, devrelerdeki dV/dt oranlarını ciddi şekilde artırırlar. Bu yüksek anahtarlama hızları, özellikle devre üzerindeki yerleşim (layout) ve parasitik ya da kasıtlı kapasiteler üzerinde önemli etkiler yaratmakta ve sistem performansını doğrudan belirleyici bir faktör haline gelmektedir.

Common-Mode Transient Gürültülerini Nasıl Görürüz
Motor sürücüleri veya güç dönüşüm sistemleri gibi yüksek güçlü ve karmaşık elektronik yapılarda, sinyal ve güç devreleri genellikle farklı referans noktalarına sahiptir. Bu durum, hassas kontrol sinyalleri ile yüksek gerilimli güç sinyalleri arasında doğrudan bağlantı kurmanın hem cihaz hem de kullanıcı güvenliği açısından riskli olmasına neden olur. Bu nedenle, bu farklı referanslar arasında veri alışverişi yaparken izolasyonlu haberleşme yöntemleri (örneğin optoizolatörler, izolasyonlu sürücüler veya izolasyonlu ADC’ler) kullanmak zorunlu hale gelir. Böylece hem sinyal bütünlüğü korunur hem de olası yüksek gerilim kaçaklarının kontrol devrelerine zarar vermesi engellenir. Tasarımcılar olarak bizler, yukarıda genel hatları görülebilecek, çok klasik bir motor ya da yük sürücü uygulamasında, üst kısımdaki anahtarları sürmek için bir izole besleme ve onunla birlikte bir adet de izolasyonlu gate sürücü yapısı kullanırız. Burada kırmızı ile işaretlediğim Vsw noktası, anahtarlar iletime geçtiğinde çok hızlı bir şekilde DC bara besleme gerilimine ve sonrasında ise hızlıca sıfıra doğru hareket eder. Gerilim teorik olarak 0 saniyede DC baraya ya da sıfıra ulaşması gerekirken, gerçek dünyada devrenin yapısına bağlı olarak 1-2ns’lerden 2-5us’ye kadar geçen sürede DC bara gerilimine ulaşır. Bu gerilim oynamalarında ise devrenin izole olan diğer kısmına karşı bir common mode gerilimi (Vcm) oluşur.Yukarıdaki şekilde göreceğiniz Vcm geriliminin hızla değişimi, devrede bulunan parazitik kapasiteler yardımı ile akıma dönüştürülür ve bunlar istemediğimiz sinyallere yol açar.Yukarıda göreceğiniz üzere, mosfet ya da IGBT’yi açmak istediğimizde girişe high sinyal uygularız ve çıkışta da sinyalin high olduğunu kabul ederiz. Ya da tam tersi anahtarlarımızı kapatmak istediğimizde girişe low sinyal uygular, çıkışta da sinyalin low olduğunu kabul ederiz. Fakat common mode gerilim oynaması ve dolayısı ile devrede istemediğimiz akımlar akmasından dolayı kapatmaya çalıştığımız anahtar bazen açılabilir ya da açmaya çalıştığımız anahtar kapalı kalabilir. Bunları devrelerimizde “tam anahtarlarımı sürdüğümde, devrede bir gürültü devremi bozuyor, patlatıyor” şeklinde algılarız. Olay çok hızlı olup bittiğinden ve bunun yanı sıra ölçümünün de zorluğundan genelde yakalaması zor bir problem olarak karşımıza çıkar. Bu hataları önlemek amacıyla, özellikle izoleli yapılar için VDE 0884-11 standardı ilgili testleri devremize uygulamamızı önerir.

Common-Mode Transient Immunity Hakkında
Common-Mode Transient gürültüsü için bir çok izole devre elemanı kendi içerisinde önlem almaktadır. Opto ve kapasitif izolatörlerde standart 25kV/us değerleri artık kolayca yakalanabilir gözükse de bu değerler yüksek gerilim ve anahtarlama hızlarında bizlere yeterli olmayabilir. Bu yüzden son dönemde popülerleşen galvanik izole yapılar 100-150kV/us değerleri ile common mode transient gürültüsüne karşı oldukça dayanıklı hale gelmişlerdir. Bu değerler kullanılan komponentin kullanım klavuzunda verilmektedir. Aşağıda örnek bir SiC mosfet/IGBT sürücüsünün CMTI değerini görebilirsiniz.Yarı iletkenleri etkileyen CMT değeri, ayrıca izole beslemeler için kullanılan trafolar için de oldukça etkilidir. Yukarıda görülebilecek, izolasyon trafolarının primer sekonder sargıları arasında kendiliğinden oluşan kapasiteler nedeniyle, yüksek dV/dt değerlerinde akımlar primer ve sonrasında sekondere doğru akabilmekte ve yanlış sinyallere neden olmaktadır. Fizikte gördüğümüz C x dV/dt = I formülünden yola çıktığımızda, kaçak kapasiteyi azalttığımızda, common mode akımlarının da azalacağı gözükmektedir. Dolayısı ile izolasyon besleme trafolarının yapısı burada çok önemli olmaktadır.

Yüksek Değerli CMTI İçin Trafo Tasarımı
İzolasyonlu beslemelerde kullanılan ve çok sık karşımıza çıkan üç yapı vardır; senelerin eskitemediği flyback, forward yapıda olan push-pull ya da half bridge ve son dönemde popüler hale gelmeye başlayan LLC converter. Aşağıda göreceğimiz üç yapı kendi içlerinde avantaj ya da dezavantaja sahip olsa da CMTI göze alındığında aralarında oldukça fark bulunur.
Öncelikle unutulmamalıdır ki her bir trafo primer ve sekonder olacak şekilde sargılara sahiptir. Aşağıda her bir topolojinin genel trafo sarım kesitlerini görebilirsiniz.Doğal olarak, birbirine yakın konumlandırılmış her iletken çifti arasında bir kapasitif etki meydana gelir. Yukarıda değindiğimiz gibi, özellikle common mode parazitlerden korunmanın en etkili yollarından biri bu kapasitif etkinin olabildiğince düşük tutulmasıdır. Bu da fiziksel olarak iletkenler arasında mesafe artırılarak sağlanabilir; örneğin bir trafoda, primer ve sekonder sargıların birbirinden uzak yerleştirilmesi bu kapasiteyi azaltacaktır. Ancak bu durum, özellikle flyback gibi basit yapılarda istenmeyen sonuçlara yol açabilir çünkü sargılar arasındaki zayıf manyetik bağlantı, kaçak endüktansın artmasına ve bu kaçak enerjinin primerde ısıya dönüşerek kayıplara neden olmasına yol açar. Benzer şekilde push-pull yapılar da bu açıdan dezavantajlıdır. Öte yandan, half-bridge topolojisinde oluşan kaçak endüktansın enerjisi doğrudan DC kaynağa geri döndüğünden kayıp oluşturmaz. LLC rezonanslı yapılar ise bu kaçak endüktansı sistemin bir parçası olarak kullanır ve dolayısıyla burada kaçak endüktans bir problem değil, tasarımın verimli çalışmasını sağlayan bir avantaj haline gelir.
Yukarıda LLC karkas örneğinde görüleceği gibi primer sekonderi dramatik şekilde ayırmak bizlere CMTI konusunda ciddi avantaj sağlamaktadır. Özellikle yüksek gerilim uygulamalarında, SiC anahtarlamalarda, açılış sürelerinin çok kısa olduğu yumuşak anahtarlamalı uygulamalarda LLC trafolu gate beslemelerinin önemi bir kat daha artmaktadır.

Sonuç Olarak
Yukarıda bahsettiğimiz tüm unsurları ele aldığımızda LLC trafolu izolasyon beslemelerin daha iyi bir CMTI oranına sahip olacağı görülecektir. Yalnız uygun tasarımda half bridge yapıların da çok kötü olmadığını söylemek mümkündür. Özellikle SiC ve GaN yapılar kullanılacağında flyback trafolu beslemelerden ya uzak durulmalı ya da dikkatli tasarım yapılmalıdır. Söylediklerimizi genel bir tabloda buluşturacak olursa aşağıdaki sonuca ulaşırız.
İnternette paylaşılan uygulama notlarında, ister üreticiler ister bireysel tasarımcılar tarafından hazırlanmış olsun, genellikle izolasyonlu gate sürücüler gibi yarı iletken bileşenlere odaklanıldığı; buna karşın gate sürücülerin besleme tarafının çoğu zaman ihmal edildiği dikkat çekmektedir. Oysa ki, tasarımınızda anahtarlama işlemleri başladığında ölçümlerde yoğun gürültü gözleniyor, devrenin kararlılığı bozuluyorsa, öncelikli olarak common mode gürültü kaynağının tespit edilmesi büyük önem taşır. Bu kaynağın doğru şekilde belirlenip kontrol altına alınması, yalnızca devre kararlılığını sağlamakla kalmaz; aynı zamanda EMC başta olmak üzere birçok olası sorunun da önüne geçilmesini sağlar.

Tüm sorularınızı yorum bölümünden bana iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.