2014-2015 döneminde, SiC FET’ler ve diyotlar ilk kez proje hayatıma dokunmaya başladığında, ürünleri elde edip bir şekilde denemiş ve geleceğin güç elektroniği teknolojisinin buralara yöneleceğini öngörmüştüm. Bu yüzden burada ve burada yazdığım iki yazımda da SiC ve GaN’ın bize neler sağlayabileceğinden bahsettim. Her ne kadar yüksek güçler ve akımlar bazında IGBT’ler fiyat performans özelinde FET’leri geride bıraksa da SiC ve GaN’ın, gelişimleri ve üreticilerinin daha da desteklemeleriyle birlikte, yüksek güç gruplarında da kullanılmaya başladığını yakın zamanlarda göreceğiz.

Genel silikon yapılara göre bir çok avantajı bulunan SiC ve GaN anahtarlara, son dönemde ilginin artmasıyla beraber, bazı tasarımcıların bu yapılara kurtarıcı gözüyle baktığını gözlemledim. Özellikle tasarımlarında SiC ürünleri çok sık kullanan biri olarak; şeytanın avukatlığını yapıp, silikon temelli diğer ürünlerin de avantajları olabileceğini gösterip, SiC ve GaN anahtar üreticileri tarafından söylenmeyen bazı gerçeklere bu yazımda değinmek isterim.

Si Mosfetler Yerine Hiç Bir Değişiklik Yapmadan SiC Mosfet Kullanabilir Miyiz?
SiC anahtarlama elemanları hayatıma ilk girdiğinde, onayları ve test süreçleri aşılmış devre ya da devre parçalarında kullanmak üzere bir tasarımcı olarak üreticilere sorduğum ilk sorulardan biri bu oldu. Çünkü sahada kendini kanıtlamış devre yapılarını tekrar geriye dönüp yenilemek, onay ve test açısından oldukça zaman alıcı olacağı gibi her işletmenin de altından kalkacağı maddi bir yük olmayabilir. Buna karşın parça üreticilerden duyulan ilk cevap “tabi ki, hiç sorun olmayacaktır” olsa da dikkat etmemiz gereken bir çok konu bizi beklemektedir.

Bunlardan ilki, SiC Mosfet’lerde 3. ve 4. jenerasyonunu (her üreticinin kendi içerisindeki jenerasyon numarası farklı) konuştuğumuz şu dönemde dahi gate sürülme gerilim değerlerinin üreticiden üreticiye değişkenlik göstermesidir. Özellikle negatif gerilimlerde sorun olan bu durum için önceki devrelerinize mutlaka göz atmanız gerekmektedir. Aşağıda benzer SiC mosfet ürün gruplarının gate sürülme gerilimlerini görebilirsiniz.Tablodan da görülebileceği gibi firmadan firmaya, gate gerilimleri arasında farklılıklar olduğundan, mosfet sürücünüzün oldukça esnek yapıda olması sizlere avantaj sağlayacaktır. Eğer böyle bir yapınız mevcut değilse maalesef farklı markalardan kullanabileceğiniz SiC mosfet aralığı oldukça daralmaktadır.

Daha önce ele aldığımız bölümde dile getirdiğim gibi silikon mosfetler, sıcaklığa karşı iç dirençleri arttığı için paralellenmeye oldukça müsaittirler. Yalnız SiC ürünlerde ise durum sıcaklığa göre değişkenlik gösterebilir.Yukarıda herhangi bir SiC mosfet üreticisinin gate gerilimi ve sıcaklığa göre iç direnç değerlerinin değişim grafiği gösterilmektedir. Yeşil alan SiC mosfetin normal silikon mosfet davranışı gösterdiği alandır. Kırmızı alan ise IGBT gibi davrandığı alan olarak görülebilir. Eğer uygulamanızda bir çok mosfeti paralel olarak çalıştırıyor ve SiC mosfete geçerek performans arttırmak istiyorsanız özellikle gate gerilimine ve mekanik montaja dikkat etmeniz gerekmektedir. Bu önlemin alınmaması devrenizde thermal runaway olasılığını arttıracaktır. Bu olasılığı azaltmak için üreticiler gate sürme geriliminin 18V civarında olması önermektedir.

Kullandığınız topolojide bazı anlarda silikon mosfetin diyodundan yararlanıyorsanız (örneğin motor sürücüler) ve SiC mosfete geçip fark yaratmak istiyorsanız dikkat etmeniz gereken bir diğer konu da SiC mosfet’in Drain-Source diyodunun karakteristiğidir.Yukarıdaki grafikteki gibi, SiC’ın malzeme özelliğinden dolayı ileri yönlü diyot gerilimleri (Vf), normal silikon mosfetlere (1~1.5V) göre oldukça yüksektir (3~4V). Buna karşın SiC mosfetlerin, mosfet ters diyot reverse recovery süreleri ise silikon mosfetlere göre çok azdır ve bu anlamda da performansları yüksektir. Sonuç olarak, SiC mosfetler, diyot olarak kullanıldıklarında, normal bir mosfetten daha fazla ısınacaklardır.

Si Mosfetler Yerine Hiç Bir Değişiklik Yapmadan GaN Mosfet Kullanabilir Miyiz?
GaN mosfetler, özellikle anahtarlama hızları ile dikkat çeken, bu konuda gerek silikon gerek SiC mosfetleri geride bırakan ürünlerdendir. Zaman geçtikçe düşük gerilim değerlerinden yüksek gerilim değerlerine doğru evrilen GaN mosfetlerin kullanım alanları hybrid otomobillerden (48V<->12V dönüştürücüler), PFC ve Resonant dönüştürücülere kadar genişlemiştir.

Bir GaN’ı direkt olarak silikon mosfet bulunan bir devrede kullanmak ise SiC kullanmak kadar maalesef basit değildir.Yukarıdaki grafiğin solunda SiC, sağında ise GaN mosfetin gate gerilimine göre akıtacakları akım miktarları görülmektedir. Dikkatlice incelendiğinde GaN mosfetin, Vth geriliminden sonra düşük bir miktarda gate gerilimi değişiminde çok yüksek değerde üzerinden akım geçirebildiği (direncinin küçüldüğü) görülmektedir. Bundan dolayı GaN anahtarlaması yapılırken gate’in gürültü almaması, çok temiz sürülmesi, hızlı olması, mosfeti kapalı şekilde sıkı tutması gibi bir çok parametrenin kontrolü dikkatli şekilde sağlanmalıdır.GaN için özel üretilmiş, yukarıdaki gibi driver’lar GaN mosfet kontrolü için çok önemlidir ve maalesef tam performans alabilmek için doğru driver tercihinin yapılması gerekmektedir. GaN tarafında ise bazı üreticilerin birbirinden farklı şekilde ürettikleri GaN anahtarlar için çok farklı driver’ları bulunmaktadır. Bu konuda sizlere önerim, GaN üreticisinin uygulama notlarında kullandığı driver’lara yönelmenizdir.

GaN mosfetlerin aşağıdaki grafikte görülebilecek hızlı şekilde anahtarlama yapması sonucu, devre üzerinde akan akım ya da oluşan gerilimin de hızlı bir şekilde değişmesine yol açmaktadır (dI/dt, dV/dt). Bu da daha önce silikon temelli kullandığımız devrelerde almadığımız bazı layout önlemlerini almaya bizi iter.Bu önlemlerden bir tanesi özellikle full ya da half bridge gibi topolojik yapılarda mosfetleri olabildiğince birbirine yaklaştırmaktır. Üreticiler bu anlamda tasarımcıların elini kolaylaştırmak için bu şekildeki yapıları, gate sürücüleri de içerisinde olacak şekilde, modül halinde sunmaktadırlar. Yine de buna rağmen, DC Link kapasitesi gibi bazı devre elemanlarının uzaklığı ya da parasitik elemanlardan dolayı GaN mosfet bulunan devrelerde RC snubber kullanımı yaygındır.Yukarıdaki karşılaştırmada GaN üzerinde RC snubber kullanılıp kullanılmamasıyla ne gibi bir fark olduğu net şekilde görülebilir. RC snubber, hem GaN mosfetin güvenli bölgece çalışmasını sağladığı gibi hem de EMC performansı olarak devreye yardımcı olmaktadır.

Dolayısı ile GaN kullanılan uygulamalar özellikle sert anahtarlama yapıyorsa, bu tür önlemlerin alınmasına özellikle dikkat edilemelidir.

Sonuç Olarak…

SiC ve GaN anahtarlar güç elektroniğinin önümüzdeki senelerine damga vuracak en önemli araçlardan. Gelişen teknoloji bize değişik yapılar sunsa da bunların bilinçsizce kullanımı bazen yarardan çok zarar getirebilir. Burada bilinmelidir ki bu tür durumlarda kusuru malzeme değil, tasarımcının yaptığı devre bloklarında aramak gerekir. O yüzden her zaman dediğim gibi her araç yerinde, doğru ve efektif kullanılırsa bizlere yarar sağlar.

Sorularınızı her zamanki gibi bana yorumlardan iletebilirsiniz. Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.