Güç elektroniği söz konusu olduğunda, her ne kadar daha çok yeni çıkan yarı iletken elemanlar (SiC ve GaN) üzerine konuşmuş olsak da son 30 yıldır güç elektroniği sektörünün özellikle yüksek güçlerde baskın tek bir elemanı vardır: IGBT! Yüksek gerilimler ve akımlar söz konusu olduğunda, her ne kadar eksiği bulunsa da IGBT’ler hâlâ fiyat/performans konusunda öne çıkan yarıiletken anahtar olurlar. IGBT’nin sahip olduğu bir takım elektronik dezavantajlarını gidermek için ise günümüzde en çok tercih edilen yöntemlerden bir tanesi multilevel ya da Türkçesi ile çok seviyeli dönüştürücülerdir.

IGBT Nedir?
İlk transistörün 1947 yılında keşfinin ardından ilk mosfet, yine Bell Laboratuvarlarında 1959 yılında keşfedildi. Bunun ardından, Mitsubishi Electric firmasından iki Japon mühendis K. Yamagami ve Y. Akagiri tarafından 1968 yılında bir mosfet ile PNP transistörün birlikte çalıştırılabileceği gösterildi. Aradan geçen yıllar boyunca geliştirilmeye devam eden mosfet ve PNP çifti sonunda ABD patent ofisine, “4.364.073” numarası ile Hans W. Becke ve Carl F. Wheatley tarafından sunularak ilk ticari IGBT anahtarı üretiminin önü açılmış oldu. Dünya’nın ilk IGBT’sini ise Toshiba firması tarafından 1991 yılından itibaren üretmeye başlandı.IGBT, yıllar içerisinde gelişmiş olsa da (2022 yılı itibari ile 7. jenerasyon piyasadadır), esasen yukarıdaki şekilde de görüleceği üzere, bir adet PNP transistörü süren bir mosfetten oluşur. Bilindiği üzere bir transistörü sürmek için base akımına ihtiyaç duyulmaktadır ve bu base akımı ß dediğimiz bir katsayı ile collector akımına dönüştürülmektedir. Dolayısı ile kontrol ucunun empedansı, mosfete göre daha düşüktür ve bir transistörün collector-emitter arasından yüksek akım akıtmak istediğimizde, o akıma oranla yüksek miktarda base yani kontrol akımı akıtmamız gerekmektedir. Bunun önüne geçmek için ise bir yüksek kontrol empedansına sahip bir mosfet yardımı ile transistör açılarak, daha az enerji ile anahtarın açılması sağlanır; işte bu özellik, performans anlamında IGBT’leri, yüksek gerilim ve güçlerde transistörlerden bir adım önüne geçirmektedir.

Mosfet ve IGBT kıyası yaptığımızda, IGBT kullanımının avantajları ya da dezavantajları aşağıdaki şekilde sıralanabilir.

IGBT’lerin Kullanım Avantajları
1) Yüksek gerilim ve akımda kullanılabilirler ve çok daha farklı varyasyonda bulunabilirler.
2) Ani gerilim zıplamalarında karşı mosfetlere göre daha korunaklıdırlar.
3) Küçük alanda akım iletkenliği mosfet’e göre daha yüksek olduğundan, daha küçük alanda daha yüksek akım değerine sahip ürün yapılabilir ve bu da maliyet açısından mosfet’e karşı üstünlük yaratır.
4) Anahtar oluşturulurken, yarıiletken düzeninden dolayı kendiliğinden ters diyot oluşmaz ve istenilen özellikle diyot IGBT cihazının içerisinde kullanılabilir.

IGBT’lerin Kullanım Dezavantajları
1) Anahtarlama hızı yavaş olduğundan yüksek frekansa sahip, sert anahtarlamalı uygulamalarına esasen uygun değildir.
2) Turn-off zamanı mosfet’e göre oldukça yavaştır.
3) Ters akım akıtmaz.

Yukarıda bir IGBT’nin anahtarlama şekilleri görülebilir. Yukarıdaki şekilden de görülebileceği üzere Turn-Off anında, akımın içerideki transistör yapısından dolayı uzamasından dolayı, kapanma anında anahtarlama kaybı çok fazla artmaktadır.Yukarıda görülebilecek şekilde, sağ tarafta IGBT sol tarafta ise benzer özelliklere sahip bir mosfetin anahtarlama anında açılma ve kapanma kayıplarını görebilirsiniz. 100C sıcaklık ele alındığında IGBT anahtarlama kaybı toplamı Etotal=Eon+Eoff=2.1mJ olurken, mosfet anahtarlama kaybı ise Etotal=425uJ düzeyinde kalmaktadır. Aradaki farkın bu veriler ışığında 5 kat olduğu rahatlıkla görülür. Anahtarlama kaybı, toplam anahtarlama kaybı enerjisi ile anahtarlama frekansının çarpımından bulunmaktadır: Ploss=Etotal*fsw. Dolayısı ile frekans ile kayıp arasında doğru orantılı bir ilişki olduğundan, IGBT’lerin mosfetlerden neden daha yavaş anahtarlanması gerektiği bariz şekilde görülebilir.

Anahtarlama Kaybını Azaltmak İçin Neler Yapılabilir?
Sadece IGBT özelinde değil, tüm yarı iletken anahtarlama elemanlarında, sert anahtarlama (hard-switching) yapılırken, anahtarlama kaybını azaltmak için aşağıdaki uygulamalar yapılabilir.

1) Anahtarlama Frekansını Düşürmek: Bir önceki paragrafta söylediğimiz gibi, anahtarlama kaybı, anahtarlama frekansı ile doğru orantılı olduğundan, anahtarlama frekansını düşürmek, anahtarlama kaybını azaltacaktır. Yalnız anahtarlama frekansının düşmesi, devrede bulunan bobin, kondansatör gibi pasif elemanların değerliklerinin büyümesine yol açacağından zorunlu olmadıkça tercih edilmez.

2) Anahtarlama Süresini Düşürmek: Anahtarlama kaybı; anahtarın açılma ya da kapanma anlarında akım ve gerilim değerlerinin, belli bir süre içerisinde (ton ve toff) çarpılması ile elde edilmektedir. Dolayısı ile anahtarlama süresinin kısalması aynı şekilde anahtarlama kaybını da azaltacaktır; bu şekilde çalışan en hızlı elemanları daha önce GaN mosfetler olarak anlatmıştık. Yalnız özellikle sert anahtarlama yapan bir devrede, anahtarlama hızını artırmak, EMI/EMC problemlerine yol açabileceğinden çok dikkatli davranmak gerekmektedir.

3) Soft Switching (Yumuşak Aahtarlama) Teknikleri Uygulamak: Anahtar üzerinde sıfır gerilim ya da sıfır akım varken anahtarlamanın gerçekleştiği durumlardır. Bu durumlarda anahtarlama kaybı sıfıra yakınsanmıştır ve dolayısı ile frekansı artırmak mümkündür. Yalnız her bir yumuşak anahtarlama tekniği, klasik topolojiler üstüne ek pasif ya da aktif eleman kullanımına yol açtığından, özellikle yüksek güçlü devrelerde efektif olmayabilmektedir.

4) Anahtar Üzerindeki Gerilim ve Akımı Düşürmek: İkinci maddede belirttiğimiz gibi anahtarlama kaybı hesabında en önemli faktörlerden bir diğeri de anahtar üzerine düşen gerilim ve akım değerleridir. Genellikle uygulamalarda giriş ve çıkış gerilim aralıkları belirli olduğundan, anahtar üzerine düşen gerilim miktarı düşürmek ancak anahtarların konumları değiştirilerek ya da anahtar sayıları artırılarak mümkündür. Akım konusunda ise anahtarların paralellenmesi akla ilk gelen yöntemlerden olacaktır.

Yüksek güçler ele alındığında yukarıdaki dört maddeden ilk ikisi uygulanabilirlikten uzak olmaktadır; frekansın düşmesi eleman boyutlarını ve dolayısı ile maliyeti artıracaktır. Yine yüksek güçler nedeniyle zaten çok fazla olan EMI/EMC gürültülerini bir de anahtarlama hızını arttırarak daha da yükseltmek istemeyiz. SiC gibi elemanların fiyatları düştükçe yüksek güçlerde yumuşak anahtarlama ön plana çıksa da şu an için maliyetler IGBT sert anahtarlamaya göre çok yüksek kalmaktadır. Dolayısı ile hem anahtarlama kaybını düşürmek hem de fiyat performans göz ününe alındığında son madde olan, anahtar üzerindeki gerilim ve akımı düşüren, multilevel adı verilen yapılar çare olarak karşımıza çıkar.

Multilevel Örneği Uygulaması
Multilevel konusunda akademik olarak bir çok çalışma ve topoloji mevcut olsa da günümüzde, özellikle yarıiletken üreticileri, multilevel dönüşüm topolojilerini çıkardıkları güç modülleri ile desteklemektedirler. Aşağıda büyük yarıiletken üreticilerinin hemen hemen hepsinde bulabileceğiniz multilevel topolojilerinden bir kaçını görebilirsiniz (şekle tıklarsanız büyüyecektir).Multilevel örnekleri arasında karşılaştırma yaparken, 2-Level ve 3-Level PFC uygulaması yapmak konuyu anlama açısından faydalı olmaktadır. Aşağıda, Bridgeless 2-Level PFC topolojilerinden en klasiği görülebilir.İlgili topolojide 2 adet anahtar ve o anahtarlara paralel iki diyot vardır. Topolojinin çalışması için aşağıda görülebileceği gibi, AC sinyalin pozitif alternansında öncelikle low-side anahtar (2) iletime sokulur (a) ve bobinde enerji biriktirilir. Sonrasında anahtar kesime götürülerek, biriktirilen enerjinin, high-side’da bulunan diyot (1) üzerinden (b) kapasite geriliminin yükseltilmesi (boost mode) sağlanır. Bu çalışma AC sinyalin pozitif alternansı bitinceye kadar çeşitli duty değerlerinde devam eder.AC sinyalin negatif alternansında ise, aşağıda görülebileceği üzere, öncelikle high-side anahtar (1) iletime sokulur (a) ve bobinde enerji ters yöne doğru biriktirilir. Sonrasında anahtar kesime götürülerek, biriktirilen enerjinin, low-side’da bulunan diyot (1) üzerinden (b) kapasite geriliminin yükseltilmesi (boost mode) sağlanır. Böylelikle her iki kapasitede +Vdc ve -Vdc şeklinde iki gerilim değeri oluşturulur.Bu topolojide, anahtarların gördüğü gerilim Vsw noktasından izlenebilir. Bu sinyale bakıldığında, oluşturulan +Vdc ve -Vdc gerilimleri ele alınarak, nötr noktasına göre Vsw gerilimi aşağıdaki gibi olur.Yukarıdaki yapının kontrolü her ne kadar kolay, maliyet anlamında ne kadar efektif olsa da, her bir anahtarın gördüğü gerilim 2Vdc kadar olur. Somutlaştırmak için; 230Vac gerilime sahip yukarıdaki gibi bir PFC’de her bir kapasite üzerinde 400Vdc gerilim istenecektir. Dolayısı ile her bir anahtarın gördüğü gerilim miktarı 800Vdc’ye kadar çıkabilmektedir. Bu da anahtarın (konumuzda IGBT) iletim ve kesim anında 800V gibi yüksek bir gerilim miktarını görmesine neden olacak ve dolayısı ile en az 1200V gerilime dayanan IGBT seçimini zorunlu kılacaktır.

Bu durumu aşabilmek için iki anahtarın yeri değiştirilerek, ek iki diyot ile birlikte, benim de çok sevdiğim, aşağıdaki topolojiye geçiş yapılarak, multilevel dönüştürücü topolojisi kullanılabilir.AC sinyalin pozitif alternansında öncelikle orta noktada, aşağıda görülebileceği üzere, bobin ucundaki 1 numaralı anahtar iletime (a) sokulur. İletime sokulan bu anahtar üzerinden akım akarak bobin üzerinde enerji depolanır. Daha sonrasında iletime geçirilen anahtar kesime götürülerek akımın diyot üzerinden (b) kapasiteye akması (boost mode) sağlanır. Bu işlem AC sinyalin pozitif alternansta olduğu her an, duty değiştirilerek tekrarlanır.AC sinyalin negatif alternansında ise, aşağıda görülebileceği üzere, nötre basan 2 numaralı anahtar iletime geçirilir. İletime sokulan bu anahtar üzerinden akım bu sefer nötrden kaynağa akarak bobin üzerinde ters yöne enerji depolar. İletime geçirilen anahtar kesime götürülerek akımın alttaki diyot üzerinden (b) kapasiteye akması (boost mode) sağlanır. Bu işlem AC sinyalin negatif alternansta olduğu her an tekrarlanır.Yukarıda ele aldığımız 2-Level dönüştürücüye göre multilevel dönüştürücünün avantajı Vsw noktasındaki gerilimin nötre göre olan sinyaline baktığımızda ortaya çıkar.Yukarıdaki şekilde görülebileceği gibi, her bir anahtarın üzerine düşen gerilim Vdc kadar olmaktadır. Bu değer 2-Level dönüştürücünün yarı değerindedir. Somutlaştırırsak; 230Vac giriş gerilimine sahip bir PFC’de çıkış gerilimi 400Vdc olacaktır. Yukarıdaki şekle baktığımızda ise, iletim ve kesim anında anahtarın gördüğü gerilim maksimum 400Vdc olacaktır.

Küçük bir anahtar yeri değişimi ile elde ettiğimiz, anahtar geriliminin yarıya düşmesi bize bir çok olanak sağlar;
– Gerilimin yarıya düşmesi nedeniyle 1200V değil, 650V IGBT’ler kullanılabilir hale gelmiştir. IGBT düzeyinde, gerilim seviyeleri düştükçe IGBT anahtarlama kayıpları azalmaktadır. Bu da daha yüksek frekansta, aynı kayıp oranlarının altında, topolojimizi çalıştırabilmemize olanak sağlar.
– Anahtarlama frekansının, aynı kayıp oranlarında dahi, 2 katına çıkabilecek olması, bobin ve kapasite değerlerini yarı yarıya düşürebilmektedir. Yarı yarıya düşen bu değerlikler, daha az yer ve maliyet anlamına gelmektedir.
– Gerilim düşümünden dolayı elde edilen verim kazancı ile, daha az soğutucu eleman kullanılır.
– IGBT’ler yüksek frekansta çalıştırılabildikleri için, frekans insan kulağının duymakta zorluk çekeceği 16kHz ve sonrasına çekilerek, ses kirliliği azaltılabilir.
– Artan frekans, kontrol döngülerini de hızlandıracağından, daha kolay şekilde AC veya DC sinyal regülasyonu yapmak mümkün hale gelmektedir.

Buna karşın, multilevel dönüştürücüler, geçmişteki basit topolojilere göre daha fazla anahtarlama elemanı içerirler. Bu da daha karmaşık kontrol ve gerekli durumlarda daha fazla IGBT sürücü elemanı gerektirmesi anlamına gelse de, bazı durumlarda yaratılan performans ve maliyet kazancı, bizleri multilevel kullanmaya itmektedir.

Multilevel Dönüştürüclerin Geleceği ve Sonuç
Multilevel dönüştürücülerin çıkış noktasını yukarıdaki paragraflarda açıklamaya çalıştık. Silikon dünyasında, mosfetler her ne kadar yüksek güçlerde IGBT’lere yenilse de, SiC teknoloji ile birlikte yavaş yavaş çıkmaya başlayan güç modülleri, tekrar daha sade tasarımlara doğru bizlere götürmeye başlamışlardır. Öte yandan SiC diyot, IGBT birlikteliği ve bunların multilevel dönüştürücü şeklinde kullanılması ile birlikte yüksek gerilimlerde daha kolay tasarım yapabilir hale gelmiş bulunuyoruz.

Her ne kadar büyük anahtar üreticisi firmalar, gelecekteki yatırımlarını, silikon temelli yarı iletkenlerdense, SiC temelli yarı iletken R&D ve üretimine yapsa da yaşanan entegre krizi ile birlikte IGBT’nin daha uzun süreler tasarımlarımızdaki yerini koruyacağına eminim. Her ne olursa olsun güç elektroniğinin hızla dönüştüğü bugünleri yaşamak ise bir tasarımcı olarak oldukça heyecan verici.

Her türlü soru, öneri ve fikri bana yorum bölümünden iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim!