Güç elektroniği, son yıllarda elektrikli araçlar, yenilenebilir enerjiler ve bunun gibi bir çok sektör ile birlikte araştırma alanı oldukça genişleyen alanlardan bir tanesi. Bu alandan bahsedildiğinde ise akla ilk önce anahtarlamalı güç kaynakları gelmektedir. İster on/off süresi(duty) ister frekans kontrollü olsun günümüzde güç elektroniğinin dayanak noktasını yarı iletkenler oluşturur. Yarı iletkenlerin popülerleştiği ilk günlerden bugüne kadar öncelikle Germanyum (Ge) sonrasında ise Silikon (Si), yarı iletken elektroniğinin temel bileşenleri olmuşlardır.

Gelişen teknoloji ile birlikte artan enerji ihtiyacı, silikon yarı iletkenlerde, özellikle de Mosfet ve IGBT tarafında güç elektroniğinde yeni gelişmelerin gereksinimini artırmıştır. Bugün silikon teknolojisi kullanılarak geliştirilen 6. ve 7. jenerasyon IGBT ve Mosfet’ler, ilk jenerasyon kardeşlerine göre çok ileride olsalar da endüstrinin asıl beklentilerinden hâlâ çok uzaktadırlar.

Yüksek frekanslarda anahtarlanırken kayıpların az olduğu, sıcaklık iletiminin buna karşın çok iyileştiği, gerilim aralığı oldukça yüksek olmasına karşın iletim kayıplarının oldukça minimize edildiği bir yarı iletken yıllardır güç elektroniği geliştiricilerinin hayalini oluşturmaktaydı. Bu hayal çok eski bir keşiften ilham alınarak ileride güç elektroniğinin temelini oluşturacak bir buluş ile gerçekleşmiş gibi duruyor: Silicon Carbide (SiC) yani bizim dilimizde Silikon Karbür.

SiC Tarihçesi
SiC’in bulunuş tarihi 1800’lü yılların sonuna dayanır. 1893 yılında Edison adına Avrupa’da çalışan Edward Goodrich Acheson tarafından bulunmuş ve sertliği (neredeyse elmas kadar) nedeniyle çelik yelek yapımından, arabalara, askeri malzeme üretiminden uzay ve nükleer çalışmalara kadar endüstrinin oldukça fazla alanında sıkça kullanılmıştır.

Elektronikte SiC kullanımının ilk örnekleri 1900’lerin başında LED olarak karşımıza çıkar. Elektronik alanında en büyük kullanım alanının yaygınlaşması ise 1990’larda başlayan araştırmalar sayesinde olmuştur. Özellikle malzeme mühendislerinin üzerine yıllarca çalıştıktan sonra ilk kullanılabilir 1200V değerlikli SiC JFET 2008 yılında SemiSouth Labaratuvarları tarafından duyuruldu. Bu aralıkta duyurulan ilk 600-1200V Schottky diyot yanında 2011 yılına gelindiğinde ise ilk ticari 1200V SiC Mosfet Cree tarafından duyuruldu. Bu duyurulardan sonra SiC gelişimi hızla artarak günümüzde fiyat iyileştirmeleri ile birlikte kullanılabilir düzeylere inerek kullanıcıların rahatça ulaşabileceği malzeme tipi oldu.

SiC’i Özel Kılan Nedir?
SiC’ın en önemli özelliği Bandgap enerjisinin oldukça yüksek olmasıdır. Bu da yarıiletkenin yırtılması (yasaklı alana elektron kaçması) için gerekli sıcaklığın oldukça yüksek olması demektir. Bu değer silikon cihazlarda 250-300C aralığında kalırken SiC’da bu değer 600-800C aralığındadır. Bu da silikona göre SiC’in daha yüksek sıcaklıklarda güvenle çalışabilmesini sağlar.SiC’in elektrik alan dayanımı silikondan 10 kat daha iyidir ve bu da aşağıda görülebileceği gibi ince katmanlar oluşturmaya müsaade eder. Bu da yüksek gerilimde dahi düşük iletim direnci (mosfetler için Rds_on) demektir.SiC, madde özelliğinden kaynaklı olarak termal iletkenliği silikona göre 2-3 kat daha iyidir. Bu da ısının daha iyi iletilmesi ve yüksek güçlerde hot spot gibi durumların daha az oluşması demektir.SiC geniş bandgap sayesinde yüksek frekanslı anahtarlamaya oldukça uygundur. Bu da daha küçük pasif komponent boyutları demektir. Günümüzde bu oran öyle düzeylere gelmiştir ki pasif komponentteki maliyet kazancı SiC anahtar kullanımına aktarılarak, neredeyse maliyet farksız daha küçük cihaz yapımı mümkün olmuştur.

Si Mosfet/IGBT’yi SiC Eşleniği İle Direkt Değiştirebilir Miyiz?
İdeal koşullaraltında Si/SiC anahtarlama elemanı değişimi direkt yapılabilir gözükse de normal şartlarda maalesef bu değişim tam anlamıyla sağlıklı olamaz. Bunun en büyük nedenlerinden biri SiC sürerken bazı özel çalışmaların yapılması gereğidir.
– SiC threshold gerilimleri normal Mosfet’lere nazaran daha düşüktür ve yapısal tasarımdan dolayı gate kapasiteleri de düşük olduğundan herhangi bir gürültü anında açılmaya müsaittirler. Dolayısı ile iyi bir driver yapısı ile gate geriliminin threshold seviyesinin altında tutulması gerekmektedir. Bunu garanti altına almak için hem gate drriver’ın sink akımı yüksek hem de besleme -5V gibi bir değerde tutulmalıdır.
– SiC tam iletime geçirebilmek ve tüm özelliklerinden en iyi şekilde faydalanmak için gate gerilim seviyelerinin +20V civarına kadar yükseltilmesi gerekmektedir (bazı SiC elemanlarında bu değerler değişse de genel kanı bu şekilde). Bu da driverın özellikle sürme gerilimlerinin normal mosfet sürme gerilimlerinden (+12V/+15V) yukarı çekilmesi anlamına gelmektedir.– SiC malzemesi itibari ile ince ve küçük bir die yapısına sahiptir. İyi bir ısıl direnç sağlanması adına bu die, kılıfa yakın olarak yerleştirilir ki bu da soğutucudan die’a olan kapasite miktarını normal bir mosfet/IGBT’ye göre arttırır. Anahtarlama anında bu kapasite üzerinden akımlar geçer ve bu da devrede common mode gürültüsü olarak kendini gösterir. Bu etkinin getireceği sonuçlar önceden hesaplanması zordur ve ek önlemler alınması zorunludur.– SiC’ın getirdiği en önemli özellik anahtarlama hızının artmasıdır. Hızlı anahtarlama yapmak için ise (fs>100kHZ) yüksek akım oranına sahip driver ve özellikle izolasyon kullanılıyorsa, kullanılan izolasyon çeşidinin (opto ya da galvanik) hız sınırları sorgulanmalıdır.
– SiC ile ilgili en önemli eksilerden birisi piyasada oldukça yeni sayılabilecek düzeyde ve alanda kullanılmasıdır. Silikon yarıiletkenler yarım yüzyıldan fazla piyasa içerisinde sorunları görülmüş ve revizeleri devam eden ürünlerdir. SiC ise yalnızca 10 senelik bir maziye sahiptir ve geliştirilmesi hala devam eden bir yarıiletken çeşidi olduğu unutulmamalıdır.

Sonuç Olarak…
SiC ve bu yazıda bahsetmesek de onun kardeşi GaN malzemeler herkesin hayali olan elmasa şu an en yakın ve maliyet açısından sürdürülebilir elemanlar olarak göze çarpmaktadır.Daha iyi bir malzeme çeşidi bulununcaya kadar SiC ve GaN malzemeler önümüzdeki 10-15 yılı domine etmeye başlayacaklardır.Vincotech, Mitsubishi, Semikron, Infineon gibi firmalar şimdiden güçlü modüller oluşturmaya ve bunları kullanıcılarla paylaşmaya başlamışlardır. Özellikle CREE’nin SiC die’larını kullanan bu modüller, güç elektroniğinde düşük frekanslarla, hacimsel olarak büyük malzemeler kullanmak zorunda kalan tasarımcılar için yeni tasarım kapıları açacaktır.

Yakın bir gelecekte ben de bu modüllerden birini kullanarak yapacağım bir uygulama ile normal silikon kullanılan bir tasarım ile SiC kullanılan bir tasarım arasındaki verim ve hacimsel farkı buradan paylaşmayı düşünüyorum.

Konu ile ilgili her tür soruyu yorum bölümünden benimle paylaşabilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Dip not: Görseller Mitsubishi sunumlarından alınmıştır.