Gelişen üretim teknolojisi ve malzeme bilimi ile her geçen gün daha hızlı, daha az enerji kaybına sahip anahtarlara sahip oluyoruz. Silikon bazlı anahtarlar yanında artık her alanda görmeye alıştığımız SiC ve GaN ile beraber ise hız faktörünü engelleyen unsurları düzeltme yönünde bir çok atılım görüyoruz. Fizik kuralları çerçevesinde, 1800’lerin ortasında ele aldığı kuramlarla bilinen Sir William Thomson meşhur Lord Kelvin’in öne sürdüğü metotlar ise şaşırtıcı derecede günümüzün yarı iletken teknolojisine hâlâ yön verebilmektedir.

Kelvin Bağlantı Metodu Nedir?
Lord Kelvin, Ohm yasasından yararlanarak, bir direnci ölçmek için, ilgili dirençten akım geçirerek, ilgili direncin tam bağlantı uçlarından gerilim okuma metodunu önerdi. Bu yöntem kaliteli ölçü aletlerinin çoğunda standart hale gelerek, adını fikir babasından esinlenerek “Kelvin Bağlantı” olarak aldı. Aşağıda bu metotla kullanıma hazırlanmış şönt dirençlere sıklıkla rastlamak mümkündür.

Mosfetler ve Kelvin Bağlantı
Günümüzde mosfetler 650V civarında Si ve GaN bazında, 1200V seviyelerinde ise SiC ile oldukça hızlandılar. Anahtarlama hızlarının artması ile birlikte anahtarlama kayıpları sorunları da çözülmesi gereken bir problem olarak karşımıza çıktı. Her ne kadar bu sorunlar yumuşak anahtarlama (soft switching) metotları ile aşılmaya çalışılsa da klasik sert anahtarlamalı (hard switching) metotlar hala sıklıkla kullanıldığından, çözümler için daha önceden bahsettiğim gibi, 150-200 sene öncesinin fikirlerini kullanmak durumunda kalabiliyoruz.

Mosfet/IGBT ya da genel olarak bir anahtar sürmek, bir güç elektronikçi için, bir çok yazımda da dile getirdiğim gibi en önemli olgulardan biridir. Bu konuda ilgili sürücü ne kadar yetenekli olursa olsun anahtara bağlantı yöntemi oldukça önemlidir. Bu anlamda sıklıkla tercih edilen, TO247-3 pinli mosfet paketinin eşdeğer devresi aşağıda görülebilir.Anahtarlama anında asıl amaç, mosfet ve IGBT için, gate source arasında elektrik alanı pozitif yönde arttırmak, bir anlamda gate-source arasındaki kapasiteyi doldurmaktır. Bu dolum esnasında mosfetin silikon die ile bacak arasındaki ana akım hattındaki kaçak endüktans değeri, ani akım karşısında ters gerilim oluşturarak, aşağıdaki formülde görülebileceği gibi, buradaki kapasitenin daha geç dolmasına, yani anahtarın daha geç iletime geçmesine yol açar.Yüksek gerilimin ve akım değerlerinin bulunduğu devrelerde yukarıdaki nedenle oluşan zaman gecikmesi, kendini anahtarlama kaybı olarak gösterir. Bu da verimsizlik, daha büyük soğutucular, ısıl problemler demektir. Bunun önüne geçmek için aşağıda görülebileceği gibi ikinci bir “source” yolu oluşturularak Kelvin bağlantı kurulmuş olur.

Kelvin bağlantısı için yarı iletken içerisinde, aşağıda görülebilecek, ekstra bağlantılar ve yer ayrımı olacağından bu ürünlerde küçük de olsa fiyat farkının yanında, normal TO247-3Pin yapıya göre ısı atımı değeri daha az olabilir. Seçim yaparken özellikle bunları tekrar irdelemek gerekebilir.Yukarıda görülen bağlantı sayesinde ise kaçak endüktans etkilerinden kurtulan gate, daha hızlı anahtarlama yapmaya olanak sağlar. Değerleri aynı iki mosfetin, normal 3 pin yapıda (solda) ve Kelvin bağlantıya sahipken (sağda) alınan gerilim/akım eğrileri görülebilir.Yukarıdaki sinyallerden mavi olanlara bakıldığında, miller düzlüklerinin ki anahtarlama süresinin net göstergelerindendir, kelvin bağlantıdaki kısalığı görülebilir. Bu sürenin kısalması, anahtarlama kaybının azalmasının yanında, toplam verimin de artışı anlamına gelmektedir.Yukarıda OnSemi firmasına ait aynı tip SiC mosfetlerin normal TO247-3pin ile Kelvin bağlantılı yapısı ile ilgili anahtarlama kayıpları görülebilir (grafiğe tıklarsanız büyüyecektir). Özellikle Eon üzerindeki kazanç 2 ile 4 katı bulabilmektedir, bu da verimde en az %0.5-1 arasında kazanca denktir.

Aşağıda paketler bazında incelediğimizde farkı daha net görebilirsiniz.
Sonuç Olarak…
Güç elektroniğinde temeller bazen çok uzun yıllar öncesine dayanabiliyor ve eleman seçimi kadar elemanı tanımak bunun için oldukça önemli. O yüzdendir ki firmaların uygulama notları, yenilikleri sıkı takip içinde olmalı ve uygulamaya göre uygun eleman/anahtar seçimi ile optimum çözümlere yönenilmelidir.
Gelecek yazılarda görüşmek dileğiyle, herkese çalışmalarında başarılar.

Yararlanılan Kaynaklar
– Simultaneous On-State Voltage and Bond-Wire Resistance Monitoring of Silicon Carbide MOSFETs – Nick Baker/Haoze Luo/Francesco Iannuzzo
– AN4407 – Advantage of the Use of an Added Driver Source Lead in Discrete Power MOSFETs