Çok katmanlı baskı devre üzerinde yüksek akımlı manyetik devre tasarımı ile çok yüksek güç yoğunluklu, tek fazlı gan evirgeç tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of ultra high power density, single-phase gan inverter using high current magnetic circuit design on multilayer printed circuit board
- Tez No: 493935
- Danışmanlar: PROF. DR. IŞIK ÇADIRCI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde, çok katmanlı, yüksek akımlı baskı devre manyetik tasarımı ile yüksek güç yoğunluklu, doğal konveksiyon soğutmalı, tek fazlı evirgeç tasarımı ve geliştirilmesi için sistematik bir yaklaşım sunulmuştur. Silisyum tranzistör teknolojisi ile tasarlanan evirgeçlerin boyut ve verimliliği neredeyse belirli bir sınıra ulaşmıştır. Uygun bir devre düzenine sahip silisyum karbür (SiC) güç MOSFET'i ve galyum nitrat (GaN) arttırma modlu (a-mod) tranzistör gibi geniş band aralığına sahip güç yarı iletkenlerinin kullanımı, verimlilik sınırlarını daha da ileri götürmekle birlikte aynı zamanda evirgeç boyutunu küçültmektedir. Bu çalışmada, yüksek güç yoğunluğu ve yüksek verimli tek fazlı bir GaN evirgeç elde etmek için temelde iki yeni yaklaşıma dayanan sistematik bir metod önerilmektedir. Bu iki yaklaşım: optimum tranzistör ve anahtarlama frekansı ikilisi seçimi için evirgeç kayıplarının modülasyon endeksinin fonksiyonu olan analitik ifadelerini türetmek ve çok katmanlı yüksek akımlı baskı devre manyetik tasarımına dayalı çıkış filtresi bobini tasarımıdır. Geliştirilen 5-kVA çıkış gücüne sahip tek fazlı evirgeçte, evirgeç güç kayıplarını en aza indirgemek, soğutma gereksinimini ve sistemin boyutunu azaltmak için GaN a-mod tranzistörleri kullanılmıştır. GaN a-mod tranzistörlerin benzer teknik özelliklere sahip, silisyum ve silisyum karbür güç MOSFET'i gibi diğer aday tranzistörlerle güç kayıpları açısından nicelik olarak karşılaştırması gerçekleştirilmiştir. Hem GaN tranzistörlerin anahtarlama karakteristiğini, hem de tek fazlı evirgecin tüm sistem olarak yük altındaki performansını görmek için LTspice ve MATLAB Simulink programları ile bilgisayar benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Önerilen sistematik tasarım yaklaşımı gerçekleştirilen 5-kVA, 50-kHz, doğal (konveksiyon) hava soğutmalı GaN evirgeç üzerinde doğrulanmıştır. Tasarlanan evirgeç ile 2.7 W/cm3 (44.3 W/inç3) güç yoğunluğuna ve % 98 tam yük verimliliği değerlerine ulaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, a systematic approach to the design and development of a high power density, natural-convection-cooled, single-phase inverter with a multilayer, high-current PCB magnetics, is presented. The size and efficiency of inverters implemented with the silicon transistor technology have almost reached a certain limit. The use of wide bandgap power semiconductors, such as the silicon carbide (SiC) power MOSFET and the gallium nitride (GaN) enhancement-mode (e-mode) transistor, with a proper circuit layout, not only pushes further the efficiency limits, but also shrinks the inverter size. A systematic approach is proposed here in order to obtain a high power density, and high efficiency single-phase GaN inverter which relies basically upon two new approaches: the derivation of analytical expressions for the inverter losses as a function of the inverter modulation index, for the optimum transistor and highest switching frequency pair selection, and the design of the output filter inductor based on a multilayer, high current PCB magnetics. In the developed 5-kVA single-phase inverter, GaN e-mode transistors are used to minimize the inverter power losses and to decrease the cooling requirement, and size of the system. A quantative comparison between power losses of GaN e-mode transistors and the other candidate transistors, such as silicon and silicon carbide power MOSFET with similar specifications, is performed. Computer simulations are carried out on LTspice ve MATLAB Simulink computer programs in order to observe both the switching characteristics of the GaN transistors and the performance of the whole single-phase inverter under load. The proposed systematic design approach has been verified on the implemented 5-kVA, 50-kHz, naturally-air-cooled (convection) GaN inverter. A power density of 2.7 W/cm3 (44.3 W/inch3), and a full-load efficiency of 98 % is achieved with the designed inverter.
Benzer Tezler
- Development of multi-layer conductive polymer nanocomposites for electromagnetic shielding application
Elektromanyetik kalkanlama uygulamaları için katmanlı iletken polimer nano kompozitlerinin geliştirilmesi
FATMA ZEHRA ENGİN SAĞIRLI
Doktora
İngilizce
2017
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
- Process integration and technology development for low-cost, accessible high density interconnect (HDI) printed circuit boards (PCBS)
Düşük maliyetli, erişilebilir yüksek yoğunluklu ara bağlantılı (HDI) baskı devre kartları (PCB) için süreç entegrasyonu ve teknoloji geliştirilmesi
EKİN ASIM ÖZEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT KAYA YAPICI
- Çift katmanlı düşürücü tip DC-DC çevirici tabanlı yeni bir adaptif mppt algoritması geliştirilmesiyle enerji verimliliğinin arttırılması
Increasing energy efficiency by developing a new adaptive mppt algorithm based on a two-legged interleaved DC-DC buck converter
SİNAN SARIKAYA
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENK YAVUZ
- Design and implementation of a paralleled discrete sic mosfet half-bridge circuit
Paralellenmiş ayrık sic mosfetlerin yarım-köprü devresinin tasarımı ve uygulaması
İSMAİL ATASEVEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK
DR. İLKER ŞAHİN
- State of charge estimation of lithium-ion batteries using machine learning approach
Makine öğrenmesi yaklaşımı kullanılarak lityum iyon pillerin şarj durumu tahmini
OSMAN ALPER ALTUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE AYAZ