Elektronik cihazların kullanıldığı platformlarda farklı gerilim akım özelliklerinde çalışan cihazların/yüklerin güç ihtiyaçlarının sağlanması ve kontrol edilmesi amacıyla güç dönüştürücülerine ihtiyaç duyulmaktadır. Elektronik cihazların/yüklerin farklı özelliklerde gerilim ve akım seviyelerine ihtiyaç duyması nedeniyle farklı özelliklerde tasarlanmış güç dönüştürücüleri, elektroniğin önemli bir bileşeni haline getirmiştir. Bu amaçla doğrusal regülatörler ve anahtarlamalı güç dönüştürücüleri kullanılmaktadır. Doğrusal regülatörler, düşük giriş-çıkış gerilim farkı olan ve düşük çıkış gücü gerektiren uygulamalarda hala kullanılıyor olsa da verimlerinin düşük olması, açığa çıkan ısı miktarının fazla olması, boyutların yüksek ve ağırlıkların fazla olması gibi dezavantajlara sahip olması nedeniyle günümüzde yerini büyük ölçüde anahtarlamalı güç dönüştürücülerine bırakmıştır. Anahtarlamalı dc-dc güç dönüştürücüleri, Güç elektroniği alanının önemli bir çalışma konusudur. Yüksek verimli olmaları nedeniyle anahtarlamalı olmayan dönüştürücülere oranla daha küçük boyutlarda tasarım yapmaya olanak sağlarlar.

Dönüştürcüler; güç anahtarları, manyetik elemanlar (bobin ve/veya transformatör) ve kondansatörün değişik kombinasyonlarda bağlanmalarından oluşur.

Aşağıdaki tabloda yaygın olarak kullanan DC-DC topoloji belirtilmiştir.

UYGUN GÜÇ TOPOLOJİSİNİN SEÇİMİ

Dönüştürücü topolojisinin belirlenmesinde bazı kriterler dikkate alınmalıdır.

Ø Giriş ve Çıkış Arasında İzolasyon: Dönüştürücülerin kullanılacağı platformda elektriksel olarak bağlı bulunan kaynak ve yüklerin birbirlerini etkilemeye karşı güvenirliği sağlamak amacıyla elektriksel olarak birbirinden ayırarak giriş çıkış güç aktarımını transformatör manyetik nüve üzerinden sağlayan dönüştürücülerdir.

Ø Çıkış Gerilimin Giriş Gerilim Aralığına Göre Seviyesi: Dönüştürücülerin giriş ve çıkış gerilim isterleri değişken olmaktadır. Giriş gerilim aralığına bağlı farklı seviyelerde çıkış gerilim sabitleme kapasitesinin yanında çıkış gerilimini hem yükseltip hem de düşürme özelliğine sahip olabilir. Giriş gerilim aralığı çıkış gerilimine göre karşılaştırılmalı ve gerilimi artırma, azaltma veya hem artırma hem azaltma gerekliliklerine göre topoloji seçilmelidir. Topolojilerin gerilim ve akımı depolama elemanlarının konfigürasyonu farklılık göstereceğinden birbirlerine göre avantaj dezavantaj durumları ortaya çıkmaktadır.

Ø Maksimum güç seviyesi: Topolojilerde, çıkış gücü seviyesine göre dönüştürücü yarıiletken anahtar ve güç elemanlarının (transformatör, bobin kapasitör vb.) büyüklüğü yansıra verimlilik, ısı atım kapasitesi ve   gürültü seviyesi bakımından farklı topolojiler arasından avantaj/dezavantaj durumları bulunmaktadır. Topolojilerin enerji depolama ve dönüştürme yapılarındaki farklılık gereği, optimum çalışma güç aralıkları bulunmaktadır. Bu sayede çalışma gücüne göre uygun olabilecek topoloji seçimi yapılmalıdır.

Ø Yüksek Güç Yoğunluklu: Dönüştürücülerde küçük boyutlarda ve ağırlıkta yüksek güç elde edebilmek için yarıiletken anahtarlama frekansı yükseltmek gerekmektedir. Dönüştürücülerde boyutu büyüten komponentlerin başında transformatör bobin ve kapasitör devre elemanları gelmektedir. Bu komponentlerin boyutunu küçültmek için yarıiletken anahtarlama frekansını yükseltmek gerekmektedir. Yüksek frekans anahtarlama komponentlerin boyutunu küçültmektedir ancak aynı zamanda frekans arttıkça yarıiletken anahtarlama kayıpları dramatik bir şekilde artmaktadır. Bununla birlikte verim kaybı ve ısı atım problemi oluşmaktadır.

Ø Verimlilik: Çalışma frekansı, güç yoğunluğu ve güç elemanları boyutları verimliliği etkileyen başlıca etmenlerdir. Anahtarlama frekansının artırılması, manyetik bileşenlerin ve kapasitörlerin boyutunu küçülttüğü, dönüştürücü daha kompakt hale getirdiği için arzu edilen bir durumdur. Ancak anahtarlama frekansının artırılması dönüştürücünün çalışma verimliliğini düşürür. Darbe genişlik modülasyon tipi dönüştürücülerde uygulanan sert anahtarlama yöntemi yerine, rezonant indüktörü ve kapasitörlerinin şekillendirdiği akım ya da gerilim dalga şekilleri anahtarlama elemanları üzerine düşürülerek anahtarlama kayıplarının önüne geçilebilir.

Ø Düşük EMI ve Harmonik Gürültüsü: Dönüştürücülerde transformatör, bobin ve yarıiletken anahtarlarda yüksek frekans anahtarlama esnasında oluşan parazittik indüktans ve kapasitans osilasyon etkisinden kaynaklı yüksek EMI/EMC gürültü kaynakları haline gelmektedir. Yarıiletken anahtar kesim noktasında ideal çalışmaması nedeniyle gerilim akım kesişim bölgesinde oluşan kayıplar verimlilik ve ısı atımı sorunu ile birlikte aynı zamanda EMI/EMC sorunu da doğurmaktadır. Yarıiletken devre elemanlarının yüksek frekans anahtarlama sırasında anahtar açılma kapanma esansında anahtarlama frekansının artırılması dönüştürücünün anahtarlama gürültü seviyesini arttırmaktadır.

Dönüştürücülerde yukarıda belirtilen temel tasarım kriterlerinin sağlanmasına olanak sağlayan temel faktör çalışma frekansını yükseltilmesi ile elde edilebilir. Bu bağlamda yüksek frekans anahtarlamanın getirdiği güç kayıplarının önüne geçilmesi için yumuşak anahtarlama yöntemleri kullanılarak sağlanmaktadır. Yüksek frekanslarda yarıiletken anahtar olarak mosfet kullanılmaktadır. Mosfetin açma/kapama sırasında oluşan kayıpların azaltılması amacıyla devrede seri/paralel bobin kapasitör devre elemanları kullanılarak rezonant frekans bölgesi oluşturularak sıfır gerilim noktasında açma ve sıfır akım noktasında kapatma sağlayacak şekilde anahtarlama yapıldığında çok yüksek anahtarlama frekanslarında dahil anahtarlama kayıpları dramatik şekilde azaltılabilmektedir. İzoleli dönüştürücü topolojilerinin pek çoğunda rezonant frekans bölgeleri oluşturularak bu frekanslarda mosfet anahtarlaması yapılır ve bu sayede yüksek güç yoğunluklu ve yüksek verimliliklerde güç dönüştürücü tasarımları yapılmaktadır.

REZONANT MODE ANAHTARLAMA TOPOLOJİLERİ

Dönüştürücülerin tasarımında anahtarlama frekansı arttırılması, kullanılan indüktör, kapasitör ve transformatör gibi bileşenlerin boyutlarının küçültülmesini sağlayarak dönüştürücünün güç yoğunluğunu artırmaktadır. Yüksek frekanslara çıkıldıkça, anahtarlama kayıplarının artması, devrenin çalışma verimliliğini önemli ölçüde azaltır. Mosfetin açma/kapama sırasında oluşan kayıpların azaltılması amacıyla devrede seri/paralel bobin kapasitör devre elemanları kullanılarak rezonant mode frekans bölgesi oluşturularak sıfır gerilim noktasında açma ve sıfır akım noktasında kapatma sağlayacak şekilde anahtarlama yapıldığında çok yüksek anahtarlama frekanslarında anahtarlama kayıpları dramatik şekilde azaltılabilmektedir. Birçok izoleli evre topolojisinde rezonant tank devre elemanları (bobin kapasitör kombinasyonları) eklenerek sıfır gerilim geçiş noktası ve sıfır akım geçiş noktasında anahtarlama yapılarak yumuşak anahtarlamayı sağlanabilir.  Bu devre topolojileri rezonant mode devre topolojisi olarak adlandırılır.

Şekil 1’de anahtar üzerindeki gerilim ve akım dalga formlarının kesişme bölgesi, anahtarlama kaybını göstermektedir.

Rezonant mode dönüştürücülerde sıfır gerilim geçişi ve sıfır akım geçişinde anahtarlamanın gerçekleştirilmesi DC-DC dönüştürücülerde anahtarlama frekansının artırılmasını sağlamaktadır. Sıfır gerilimde anahtarlama (SGA) yöntemiyle, akım ve gerilim kesişme bölgesi ortadan kaldırılarak, anahtarlama kayıpları neredeyse sıfıra yaklaştırılır. Mosfetlerin sıfır gerilimde açılması, transformatörün kaçak indüktansında depolanan enerjinin, mosfetlerin çıkış kapasitansını boşaltmasıyla gerçekleşir. Bu olgunun gerçekleşebilmesi için, transformatörün kaçak indüktansında depolanan enerjinin, mosfetin çıkış kapasitansının depoladığı enerjiden fazla olması gerekir. İdeal anahtar kesim durumunda iken, rezonant kapasitör üzerindeki gerilim doğrusal olarak artar ve kapasitör yüklenir. Anahtar iletim durumuna geçtiğinde ise, kapasitör üzerinde depolanan enerji indüktöre aktarılır. Bu sebeple akım dalgası sinüs şekli alır. Bu iletim durumunda akım mosfetin gövde diyotu üzerinden aktığı için, mosfet üzerinde kayba sebep olan akım ve gerilim yoktur.  Savak-kaynak geriliminin sıfıra inmesi beklendikten sonra anahtarlama yapılmaktadır. Bu durumda anahtarlama kaybı, anahtarlama frekansının ve giriş geriliminin değişiminden etkilenmez ve sıfır olur. Sıfır akım geçişinde tetiklenen mosfetin eşdeğer devre modeli, ideal bir anahtar, anahtara seri bir indüktör ve bu bileşenlere paralel bir kapasitörden oluşur. Sıfır gerilimde anahtarlama yapabilmek için, mosfet üzerindeki gerilim dalga şekli sinüzoidal formata getirilirken, sıfır akımda anahtarlama (SAA) yapmak için de benzer akım dalga şekli sinüzoidal hale getirilir.

DÖNÜŞTÜRÜCÜLERDE REZONANT MODE ANAHTARLAMA AVANTAJLARI

ü  Geniş çıkış gerilim aralığı

ü  Manyetik Bağlantı

ü  Elektriksel izolasyon

ü  Düşük gerilim stresi

ü  Yüksek verimlilik

ü  Yüksek güç yoğunluklu

ü  Düşük EMI/EMC ve harmonik gürültücü

ü  Sıfır gerilim geçiş noktası anahtarlama

ü  Sıfır akım geçiş noktası anahtarlama

ANAHTARLAMA ELEMANLARI SEÇİMİ

DC-DC dönüştücü devre topolojilerinin gerçekleşmesinde yarıiletken anahtarlar devrenin akım, gerilim ve frekans temel tasarım büyüklüklerine bağlı olarak seçilir. Düşük gerilim (<1kV), yüksek frekansta (>25kHz) aktif anahtar olarak mosfetler tercih edilirken, yüksek gerilim ve düşük frekansta IGBTler ön plana çıkar.  Dönüştürücü topolojilerinde boyut ve verimlilik optimizasyonu açısından mosfet kullanılmaktadır. Mosfet üretim teknolojisinin gelişmesi ile güç elektroniği uygulamalarında geniş bant aralıklı yarı iletken anahtarlar yüksek oranda ilgi görmüş ve pek çok farklı uygulama (değişik anahtarlama frekansı, güç ve uygulama özellikleri) için pek çok araştırmaya konu olmuştur. Gelecekteki elektronik cihaz tasarımlarında kullanılabilecek malzemeler arasında Gallium Nitride (GaN) ve Silicon Carbide (SiC) mosfetler bulunmaktadır. Bu özel malzemeler anahtarlama işlemleri için yüksek sıcaklık dayanımı, yüksek güç yoğunluğu, yüksek gerilim ve yüksek frekans kullanımına uygun olduğu için günümüzde ilgi odağında olan ürünlerdir. Yüksek kritik alana (critical field) sahip olan GaN ve SiC malzemeleri Si malzemesiyle karşılaştırıldığında bu özellik sebebiyle daha yüksek gerilim ve daha düşük kaçak akım (leakage current) uygulamalarına imkân vermektedir. Yüksek elektron hareketliliği (electron mobility) ve elektron doygunluk hızı (electron saturation velocity), daha yüksek anahtarlama frekanslarında alışarak boyut ve verimlilik anlamında avantaj sağlamaktadır.  GaN malzemesi en iyi elektron hareketliliğine sahip olduğu için yüksek frekans uygulamaları için en iyi seçim olurken SiC daha yüksek termal iletkenliğe sahip olduğundan malzemenin ısıyı daha verimli iletmede üstün olduğunu belirtmektedir.

Si, SiC ve GaN MOSFETLERİN MELZEME YAPISAL ÖZELLİKLERİ

Si, SiC ve GaN MOSFETLERİN UYGULAMA ALANLARI

Si, SiC ve GaN MOSFETLERİ KULLANILARAK FARKLI FREKANSLARINDA HESAPLANAN GÜÇ KAYBI VE VERİMLİLİK DEĞERLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI