Geçtiğimiz 20 yıl içerisinde, ihtiyaçların da zorlaması ile, güç elektroniği ve elektroniğin diğer alanlarında silikon malzemeler dışında SiC ve GaN başta olmak üzere bir çok yarı iletken meteryal kullanıma sunulmaya başlandı. Bunlardan SiC (Silicon Carbide) ile ilgili olanını daha önce ele (Güç Elektroniğinde SiC (Silicon Carbide) Çağı) almış ve avantajlarından bahsetmiştim. GaN (Gallium Nitride) elemanlar ise yeni jenerasyonun bir öğesi olarak neredeyse SiC ile eşdeğer bir şekilde geliştirilmeye başlandı ve piyasaya sürüldü. Peki GaN, güç elektroniğinde SiC kadar başarı sağlayacak mı, birbirlerinin bire bir eş değerleri mi, yoksa her elemanı doğru yerde kullanmak bize mi kalıyor; gelin bunu birlikte inceleyelim.

GaN Tarihçesi
Yarı iletken olarak kullanılan Galyum 1875 yılında Fransız “Paul Emile Lecog de Boisbaudran” tarafından bulundu ve o zamanlar Mendelev’in periyodik tablosundaki boşluk için önerdiği elementi bulmuş oldu. GaN ise 1938 yılında sıcak galyum elementinin üzerinden amonyak akıtılarak, maddenin küçük çapta kritalleştirilmesi ile bulunmuş oldu.

Öncelikle LED alanında kullanılmaya başlanan GaN, 1999 yılında Amerika Birleşik Devletleri Ordusu Araştırma Laboratuvarı’nda yapılan elektron hızı testi uygulaması sonrasında oldukça önemli bir yere sahip oldu. Çünkü bu test, GaN içerisinde elektronun çok yüksek hızda (1500 cm2/(V·s) (300 K)) hareket ettiğini göstermekteydi.

İlk GaN malzemeler ise 2006 yılında GaN HEMT olarak duyurulmaya başlandı.2008’den beri ise bildiğimiz anlamda Mosfet olarak kullanıma sunulmuşlardır.

Silikon, SiC ve GaN madde özellikleri karşılaştırma tablosu aşağıda görülebilir.

Tablodan da görüleceği gibi elektron akış hızı GaN için oldukça yüksek bir değerdedir.

GaN’ı Özel Kılan Nedir?
Yukarıdaki tabloya bakıldığında bandgap ve elektrik kırılım dayanımı özellikleri açısından GaN’ın SiC ile çok farkı olmadığı söylenebilir. GaN’ı diğer maddelerden ayıran en önemli özellik, daha önce de belirttiğimiz gibi, yüksek hızda elektron taşıma kapasitesidir. Bu da elemanın çok yüksek hızda açılması ya da kapanması anlamını taşımaktadır.Yukarıdaki örnekte aynı gerilim, akım, iç direnç değerlerine sahip klasik Si ve GaN mosfetin kapanış hızları gösterilmiştir. Bu önemli fark özellikle anahtarlama kayıplarını inanılmaz bir şekilde azalttığından, devreler çok daha yüksek frekanslarda çalışabilir hale gelir. Bu nedenledir ki diğer özellikleri SiC’a benzese de GaN yüksek frekanslı uygulamaların aranan elemanı haline gelir. Özellikle askeri alanda dikkati çekmesinin altında da radarlar gibi güç gerektiren sistemlerde kullanılabilirliği yatar.GaN her ne kadar hızlı anahtarlama yapmaya uygun bir eleman olsa da, hızlı anahtarlamayı etkileyen stray endüktans, parazitik kapasiteler gibi nedenlerden dolayı mekaniksel bağlantı yapılarının değiştirilmesi gereğinden güç değerleri kısıtlı olmaktadır. Bunun yanında yine yüksek anahtarlama özelliğini ön plana çıkarabilmek adına gerilim değerleri 900V civarını aşmamaktadır. Tüm bu engellemeler, yukarıdaki tabloda görüleceği gibi, GaN’ın yüksek güç değerli uygulamalarda Si ve SiC cihazların arkasında kalmasına yol açmaktadır.

Si veya SiC Mosfet’i, Eşleniği GaN İle Direkt Değiştirebilir Miyiz?
Daha önceki yazımda SiC’ın, Si anahtarlama elemanları yerine direkt kullanılabileceğini yalnız bunun bazı koşullara bağlı olduğunu belirtmiştim. SiC için en önemli sorunlardan biri, gate-source gerilimi 0V olduğunda dahi anahtarın tam olarak kapanamamasıdır. Bunu aştığını iddia eden United SiC gibi firmalar olsa da, genel kanı SiC için negatif gerilim sürme gerilimi ihtiyacının olduğudur.GaN malzemeler yukarıda da görülebileceği üzere normalde açık olan malzemelerdir. Depletion-Mode olarak adlandırılan bu anahtarlar, gate gerilimleri 0V olduğunda iletimdedirler. Bunun önüne geçmek ve normal bir anahtarlama elemanı (gate gerilimi pozitifken anahtarın açılması) kullanmak için GaN elemanının altına seri olarak normal Si mosfet bağlanır. Kullanılan bu Si mosfet gerilimi oldukça düşüktür ve tek görevi serisinde bulunan GaN anahtarının gate sinyalini kontrol etmektir. Bu şekilde yüksek gerilim değerini kontrol eden eleman ise GaN olmaktadır.

– GaN anahtarlama elemanı oluşturulduğunda, normal Si ve SiC mosfetlerde olduğu gibi ters diyot içinde otomatik şekilde oluşmaz. Bu da özellikle full bridge converter gibi dönüştürücülerde GaN elemanının kullanımını zorlaştırarak snubber ağlarının özenle seçilmesi zorunluluğu getirir. Hatta bazı topolojilerde Si ya da SiC yerine GaN direkt olarak kullanılamaz.

– GaN elemanların daha öncede belirttiğimiz gibi en önemli özelliği çok hızlı şekilde açılıp kapanmasıdır. Gate kapasite değerlerinin düşük olmasının yanında bu hıza uygun driver seçimi de GaN’ın uygun kullanımı için önemlidir. Gate için normal bir mosfet kullanıldığı için GaN 0V gerilimde kapanabilen bir elemandır.– Yüksek anahtarlama hızı dV/dt ya da dI/dt oranlarının yüksek olmasına neden olur. Bu da PCB veya mekaniksel tasarımın kaçak endüktans ve parazitik kapasitenin düşük olması için çok dikkatli yapılmasını gerektirir. Bu nedenledir ki GaN elemanlarının paket yapıları oldukça farklıdır. Yukarıdaki tabloda paketler ve 1MHz’de çalışan, 12V’tan 1.2V/20A (24W) buck dönüştürücüdeki kayıplar gösterilmiştir.

– “Mosfet + GaN” yapısında kullanılan elemanlarının açılış ya da kapanış hızları gate direnci ile çok az değişmektedir, bu da özellikle EMC ve gerilim sıçramalarını engellemek için daha çok snubber ihtiyacı doğurur. Bu yüzden bire bir değişimlerde bu durum özellikle dikkate alınmalıdır.

Sonuç Olarak…
Yarı iletken teknolojisinde incelenen yeni malzemelerle birlikte farklı alanlarda kullanılacak özelleşmiş malzemelere doğru yol alacağımız şimdiden görülüyor. Gelecekte yüksek frekans, yüksek güç ve yüksek gerilimler gibi farklı uygulamalarda farklı malzeme tipinde elemanlar kullanacağız.

GaN, tasarımcılar tarafından, özellikle telekom, askeri alan gibi güç yoğunluğunun çok olduğu dallarda kurtarıcı gibi kullanılmaya hemen başlandı. Infineon gibi firmalar ise kaskat yapıdan kurtulmuş fakat gate sürme kısmı çok karmaşık GaN ürünleri çıkarmaya başladılar. Bu da gelecek yıllarda GaN’ın elektronikte önemli bir oyuncu olacağını şimdiden gösterdi.

Yakın dönemde araştırması devam eden GaO (Gallium Oxide) gibi malzemelerle birlikte daha önce görmediğimiz yüksek gerilimlerde anahtarlama şanslarına sahip olup, güç elektroniği ve dolayısı ile enerji alanındaki elektroniğin farklı bir yola saptığına şahit olacağız.

Tüm bunlar için yeniliklerin yaşandığı bu yeni döneme yabancı kalmamak için üreticilerle yakın temasta olmalı, fuarlara gidilmeli, tasarımcılarla sürekli irtibat halinde olunmalıdır.

Tüm soru ve düşüncelerinizi yorum kısmında belirtebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.