1800’lü yıllara dayanan tarihi ile bir çok yarı iletkenden önce keşfedilen ve kendine bir çok uygulama alanı bulan diyotlar, günümüzde hâlâ geliştirmeye oldukça açık ve hemen hemen her cihazın içerisinde yerini almış durumda. Bir çok tipi ve şekli bulunan diyotların en çok kullanıldığı alanlardan biri ise güç elektroniği.
Günümüzde güç elektroniği dendiğinde karşımıza anahtarlamalı güç sistemleri gelir ve burada diyot için kilit kelime “hız” olur.
Peki nedir bu hız kavramı ve neden bu kadar önemlidir?

Diyotlarda Hız Kavramı
Diyotlar birisi n-doped diğeri ise p-doped edilmiş iki silikonun birleşimi sonucu ortaya çıkar. Bu birleşim, basit anlamda, elektrik akımını bir yönde akmasına izin verirken, diğer yönde akmasına müsaade etmez. Diyot iletim halinden kesim haline geçerken artık kalan “majority charge”ın ortadan kaldırılması gerekmektedir. Bu durum belirli bir süre diyot üzerinden akım geçirilmeyip denge durumuna gelmesini bekleyerek ya da diyodun ters yönüne doğru akım akıtılarak sağlanabilir. İdeal bir diyot ile gerçek diyot arasındaki fark aşağıdan görülebilir.İdeal durumda kare dalga olması gereken akım, yük birikiminden ötürü bir miktar terse doğru akar ve yükler dengelendiğinde diyot kesime giderek akım sıfırlanır. Tüm bu süreye reverse recovery süresi (trr) denir ve diyotların hızları bu birim ile belirlenir. En hızlı diyotlar olarak kabul edilen schottky diyotlarda bu süre sıfırdır. Bundan 10-15 sene önceye kadar schottky diyotlar belirli gerilimler (<200V) için bulunabilirken günümüzde sıkça tercih edilmeye başlanan SiC ve GaN diyotlar ile birlikte 1200V civarında, fiyat/performans anlamında iyi sonuçlar verebilen diyotlara ulaşmak mümkün hale gelmiştir.

Soft & Abrupt Recovery Karakteristiği
Diyotlar, sıcaklık ve akım yoğunluğuna bağlı olarak belirli bir ters akım noktasına ulaşırlar. Tam bu noktada yük dengesi sağlandığında, akım, sıfıra doğru bir eğim ile yaklaşır. Bu eğimin şekli diyodun bir başka karakteristiğini etkiler. Soft Recovery adı verilen tipte, toparlanma akımı eğimi az olan bir eğri ile sıfıra yaklaşır. Abrupt Recovery tipindeki diyotlarda ise bu eğim oldukça diktir. Her iki örneğe de ait diyot akımlarını aşağıda görebilirsiniz.
Özellikle güç elektroniği ve bu kısımda da elektromanyetik yayılımlar ve snubber devreleri ele alındığında, diyot karakteristiğinin “soft recovery” olması tercih edilir.

Tasarımımız içinde bulunan her bir yol, her bir bağlantı noktası kendine has kaçak endüktanslar oluşturur. dI/dt oranının fazla olması ise gerilim ripple ve istenmeyen frekans bileşenlerini arttırıcı yönde etkide bulunacaktır. Güç elektroniği tasarımlarında bu nedenden ötürü ya soft recovery ya da schottky diyotlar tercih edilir.

Deneyim: UF4007
Gerilimler yükseldikçe fiyat/performans açısından kazanç sağlayan hızlı diyotlar bulmak zorlaşmaktadır. Bu konuda UF4007 elektronik sektörünün uzun yıllardır kullandığı ve taklitlerinin çok olduğu diyotların başında gelir. Özellikle 1000V’luk yavaş kardeşi 1N4007 ile çok fazla karıştırılmaktadır ve sadece kar amacı güden art niyetli satıcılar, bilinçsiz ve kalite kontrolü olmayan müşterilerine UF4007 etiketli 1N4007 satmaktadırlar. Bunun yanında UF4007 adı altında, birbirleri arasında benzer fakat ideal UF4007 özelliklerinden uzak, üreticiden üreticiye kalitesi değişen diyotlar bulmak da mümkündür. Bu üreticiler arasında kalite farkının olup olmadığı konusunda kararsız kalındığında ise test yapmak en garanti çözümdür.
Test düzeneğinin nasıl olduğu, hangi parametrelere göre test edildiğini üreticilerin datasheetlerinde bulmak mümkündür. Reverse recovery ölçümünü yapmak için benim kullanmayı tercih ettiğim devre yapısı aşağıda görülebilir.Yukarıdaki devrede bobin, doğru akım kaynağı olarak kullanılır ve bu akım diyota anlık olarak uygulanıp daha sonra kesime götürülür. Reverse recovery etkisinin görülebilmesi için L1 üzerindeki akımın CCM yani sürekli olması gerekmektedir. Shunt üzerindeki gerilim ise diyot üzerinden geçen akım bilgisini bizlere verecektir.

Diyot testine başlamadan önce iletim gerilimine bakmak gerekir. Bunun için aynı ortam koşulu ve özellikle aynı sıcaklıkta her bir diyotun üzerinden datasheetinde verilen test akımı (UF4007 için 1A) uygulanır.

Bu konuda 3 adet firmanın (Fairchild, MCC, Inforec) UF4007 adlı diyodunu denediğimizde aşağıdaki sonuçları elde ederiz:
a) Fairchild UF4007: Vf=1.121V @1.0A
b) Inforec UF4007: Vf=1.145V @1.0A
c) MCC UF4007: Vf=1.270V @1.0A

Bu ölçümler yapılırken diyot sıcaklıklarının aynı olmasına özellikle dikkat edilmiş olması gerekmektedir.
İletim gerilimlerinin ölçümünden sonra yukarıda saydığımız 3 diyotun, test devresiyle birlikte elde edilen şekillerini aşağıda görebilirsiniz. Resimlerin üzerilerine tıkladığınızda, büyük hallerinde kırmızı ile çizilmiş dI/dt eğimlerini görebilirsiniz.

a) Fairchild UF4007 Reverse Recovery
b) Inforec UF4007 Reverse Recovery
c) MCC UF4007 Reverse Recovery

Bu bölümde reverse recovery sürelerinin ve akımlarının neredeyse birbirine eş olduğu gözükmektedir. Fark ilk bölümde bahsettiğimiz toparlanma akımının eğimi ile ilgilidir. Fairchild daha soft bir karaktere sahipken, diğerleri daha eğimli yani abrupt recovery şekline daha yakındır. Test devresi her ne kadar ideale yakın yapılmış olsa da ek kaçak endüktans ve kapasiteler, bu eğimden dolayı salınım yapmaktadır. dI/dt’nin yüksek olması özellikle EMC performansını kötü yönde etkilemekte, kayıplar oluşturmakta ve bu da sıcaklık artışı olarak geri dönmektedir.

Yukarıdaki dalga şekillerinin daha geniş zamanlı görünümü aşağıdaki gibidir. Özellikle soft özelliğin farkı bu açılardan daha iyi gözükmektedir.

a) Fairchild UF4007 Reverse Recovery Unzoomb) MCC UF4007 Reverse Recovery Unzoom
Sonuç Olarak..
Gelişen teknoloji ile birlikte SiC ve GaN diyotların yaygınlaşmasıyla reverse recovery, iletim gerilimi gibi bir çok etmende iyileşmeler mevcut olsa da hâlâ tam anlamıyla fiyat/performans yakalamak için bir kaç yıl daha beklememiz gerekecektir. Ele aldığımız konu özelinde SiC diyotlar incelendiğinde aşağıdaki gibi bir kazanımın gelecekte bize getireceği faydaları şimdiden görmek mümkündür.Günümüzde gelişen kötü satıcı profili, denetimsiz mal kabulü, tedarik ve planlama sıkıntıları gibi bir çok etmen; üreticileri ve dolayısı ile araştırmacıları güvenilir olmayan bir çok ürünle karşı karşıya getirmektedir. Bu yüzden takip edilebilir ve geri dönüşlere göre geliştirme yapan kaynaklardan parça temin etmek, hem zaman hem de madden bir çok kazanım sağlamaktadır.