Geri Dön

Design and implementation of a paralleled discrete sic mosfet half-bridge circuit

Paralellenmiş ayrık sic mosfetlerin yarım-köprü devresinin tasarımı ve uygulaması

  1. Tez No: 856754
  2. Yazar: İSMAİL ATASEVEN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK, DR. İLKER ŞAHİN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Silikon karbür (SiC) metal oksit yarı iletken alan etkili transistörler (MOSFET'ler), silikon (Si) MOSFET'lere kıyasla birçok avantaja sahiptir: düşük dreneaj-kaynak direnci, yüksek termal iletkenlik, düşük kaçak akım ve yüksek anahtarlama frekansı. Bunların sonucunda, birçok endüstriyel uygulamada Si MOSFET'lerin yerini SiC MOSFET'ler almakta. Bu sayede endüstriyel sistemlerin verimlilikleri ve kullanışlılıkları arttırılmaktadır. Ancak yine de her uygulama için özelleştirilecek kadar çeşitli SiC modülü yoktur. Özel uygulamalar için yüksek güç gereksinimini karşılamak üzere ayrık SiC MOSFET'lerin paralel bağlanmasıyla temel bir çözüm yöntemi elde edilebilir. Fakat, bu şekilde bir çözüm, birçok teknik zorluğu da beraberinde getirir; akım paylaşımındaki eşitsizlik, farklı anahtarlama kayıpları, farklı geçiş karakteristikleri, anahtarlardaki üretim kaynaklı farklılıklar vb. Bu tür zorluklar silikon MOSFET'lerden SiC MOSFET'lere geçiş sürecini zorlaştırmaktadır. Bu çalışmada bu zorlukların basit, kolay ve ucuz bir yöntemle üstesinden gelmek amaçlanmıştır. Bu araştırmada, geliştirilmiş bir simetrik yapıya sahip olan ve benzersiz bir lamine bara ile dört paralel SiC MOSFET içeren yarım köprü devresi incelenmiştir. Hem lamine baranın hem de baskı devre kartının tasarımında dikkat edilen hususlar detaylı bir şekilde aktarılmıştır. Bu araştırma kapsamında hem simülasyon (SiC MOSFET'in davranışsal simülasyon modeline dayalı) hem de deneysel testler gerçekleştirilmiştir. Öncelikle yapılan literatür taraması ile SiC MOSFET'lerin paralel bağlanması konusunda gelinen nokta araştırılmıştır. Bu konu hakkında yapılan çalışmalarda görüldüğü kadarıyla SiC MOSFET'lerin paralel bağlanması noktasında çok farklı açılardan çalışmalar yapılmış. Bu çalışmaları genel olarak iki sınıfa ayırabiliriz: pasif filtreleme elemanları kullanan çalışmalar ve aktif kapı sürme devresi kullanan çalışmalar olarak. Pasif filtreleme elemanı kullanan çalışmalarda büyük pasif elemanlara ihtiyaç duyulması ve bu elemanların devrenin hacmini arttırması sebebiyle çok efektif bir çözüm sunamamaktalar. Fakat, aktif bir devre okuma veya kapı sürme gibi bir durum söz konusu olmadığı için sensör okuma hızı, işlem hızı gibi dezavantajları bulunmamaktadır ve buna bağlı olarak aktif elemanların (sensör, işlemci vs.) fiyat dezavantajlarından da sıyrılmaktadır. Diğer taraftan ise aktif kapı sürme devresi bulunan çalışmalarda ise yüksek fiyatlı sensörler ve işlemcilere ihtiyaç duyulmakta, aynı zamanda işlem süreleri ve performans değerleri önem kazanmaktadır. Büyük filtreleme elemanları bulunmasa da bu devrelerde de eklenen sensörler ve işlemciler sebebiyle hem devre karmaşası artmakta hem de hacim artmaktadır. Bu sebeple bu çalışmada bu iki yöntemi de kullanmadan tasarımı, üretimi kolay olacak olan aynı zamanda kullanım kolaylığı sunan simetrik yapıya sahip, lamine bara içeren çözüm önerilmiş ve araştırılmıştır. Bu tez çalışmasında öncelikle kullanılacak olan MOSFET'in simulasyon modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan simulasyon modeli kullanılarak yarım köprü devresi oluşturulup sonuçlar incelenmiştir. Buna ek olarak tasarlanan lamine bara ve baskı devre kartı ile testler yapılmıştır. Yapılan testlerde elde edilen sonuçlar ile simulasyonda elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Deneysel testlerde karşılaşılan durumlar, uygulanan yöntemler ve sonuçlar detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Bu tez çalışmasında, SiC MOSFET'in ayrıntılı MATLAB®/Simulink® Simpscape modeli, sadece MOSFET'in bilgi sayfasındaki değerleri kullanılarak oluşturulmuştur. Bu modelde hem MOSFET'in hem de gövde diyotunun akım-gerilim değerleri simulasyon modeline kapı-kaynak gerilim değişimine göre uygun olacak şekilde detaylı olarak işlenmiştir. SiC MOSFET'in elde edilen simülasyon modelinin doğruluğunu kontrol etmek amacıyla simulasyon modelindeki anahtarlama kaybı ile ürün bilgi sayfasındaki anahtarlama kayıp değerleri karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre toplam anahtarlama kayıp uyuşmazlığının en yüksek olduğu noktada bile %10'dan daha küçük olduğu görülmüştür. Buna ek olarak dört paralel SiC MOSFET ile yarım köprü devresi de simüle edilmiştir. Lamine baranın yaklaşık modeli, yarım köprü devre simülasyon modeline eklenmiştir. Simülasyonda yarım köprü devresi ile çift atım testi uygulanarak, sonuçlar gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre drenaj-kaynak gerilim aşımı problemi %38 olarak gözlemlenmiştir. Simulasyona ek olarak, bu tezde geliştirilmiş bir simetrik kapı sürücü devre yapısı ile dört paralel SiC MOSFET'den oluşan yarım köprü devresinin baskı devre kartı yapılmıştır. Kapı sürücü devresi ve hesaplamaları detaylı olarak açıklanmıştır. MOSFET kapılarının ihtiyaç duyduğu akımlar detaylı olarak hesaplanmıştır ve bu değerlere uygun olacak şekilde kapı sürücü entegresi seçilmiştir. Kapı sürücü entegresinin koruma özellikleri anlatılmıştır. Kart tasarımında uygulanan simetriyi göstermek üzere kart yapısı ve görselleri sunulmuştur. Yüksek gerilim hattının akım taşıma kapasitesini artırmak, termal performansını artırmak ve güç yolu üzerindeki parazitsel etkileri azaltmak için doğrudan baskı devre kartına (PCB) bağlanan eşsiz bir lamine bara tasarlanmıştır. Bu sayede baskı devre kartı üzerinde yüksek akım taşınmamış ve yüksek akımın baskı devre kartı üzerinde taşınması sebebiyle oluşacak sorunlar önlenmiştir. Lamine bara üç kattan oluşmakta olup, bu katmanlar DC artı, eksi ve çıkış katmanlarıdır. Çıkış katmanı yarım köprü devresinin orta noktasını ifade etmektedir. Lamine bara ile birleştirilen kart üzerinde bulunan MOSFET'lerin soğutması için sıvı soğutma sistemi kullanılmıştır. Deneysel testlerde çift atım testi uygulanmıştır, fakat yük olarak kullanılan endüktanstaki akım miktarını arttırmak ve MOSFET'lerin karakteristiğini daha yüksek akımlarda incelemek üzere çift atım yerine üç atım uygulanmıştır. Testlerde üçüncü atımın görev döngü süresi değiştirilerek yük akımı istenilen değere ayarlanmıştır. Testler sırasında 12.5 kHz anahtarma frekansı uygulanmıştır. MOSFET'lerin kapı sürücü devrelerinde kapı-kaynak arasına 15 V ve -4 V uygulanarak testler gerçekleştirilmiştir. Simülasyonda gözlemlenen gerilim aşımı sorununun aynısı deneysel testlerde de ortaya çıkmıştır. Bu gerilim aşımı sorununu çözmek için, yarım köprü devresinin DC-barasına Ceralink kapasitörleri eklenmiştir. Kapasitörlerin farklı yerlerde ve sayılarda bulundukları durumların sonuçlar üzerine etkisi detaylı olarak incelenmiştir. Kapasitör miktarını arttırmak drenaj-kaynak gerilim aşımı oranının azalmasına büyük oranda fayda sağlamıştır. 6 𝜇F kapasitor eklenmesi gerilim aşımının %12 azalmasını sağlamıştır. Kapasitörlerin ayrık olarak her bir MOSFET'e yakın bir şekilde yerleştirilmesiyle gerilim aşımının %2 azalmasını sağlamıştır. Drenaj-kaynak gerilim aşımı sorunu bu iyileştirmeler sayesinde %38'den %24'e düşürülmüştür. Buna ek olarak paralel bağlı SiC MOSFET'ler arasındaki akım uyumsuzluğu ve anahtarlama kaybı uyumsuzluğu da detaylı olarak incelenmiştir. Gözlenen maksimum akım uyuşmazlığı sabit durumda %6 ve geçiş durumun da %22 olmuştur. Paralel bağlı ayrık SiC MOSFET'ler arasında yaklaşık %6 anahtarlama kaybı uyuşmazlığı ortaya çıkmıştır. Deneysel sonuçlar, bu yöntemin birçok uygulama için yeterli olduğunu göstermiştir. Bu araştırmada kapı sürücü devresindeki MOSFET'in kapı direnci, kapı-kaynak arasındaki kapasitansı ve kapıya seri olarak bağlanan ferit boncuğun etkileri yapılan deneyler vasıtası ile gözlenmiştir. Bu testler ve detayları tezin ekler kısmında detaylı olarak anlatılmıştır. Yapılan testler sonucu artan kapı direncinin ve aynı şekilde artan kapı-kaynak kapasitansının MOSFET'in anahtarlama hızını yavaşlatarak gerilim aşım sorununu azalttığı gözlemlenmiştir. Anahtarlama hız ve gerilim aşım problemi arasında optimum olacak şekilde kapı direnci ve kapı-kaynak kapasitörü seçilmiştir. Bu değerler, kapı direnci için 10 Ω ve kapı-kaynak kapasitörü için 4.7 nF seçilmiştir. Kapıya seri olarak eklenen ferit boncuğun gerilim aşımına olumlu bir etkisi gözlenmemiştir. Ayrıca kapı-kaynak arasında bulunan osilasyon sinyaline de faydası olmamıştır. Bu sebeple ferit boncuk testlerde kullanılmamıştır. Ayrıca son olarak modül ve ayrık anahtarların fiyat analizi yapılmıştır. Yapılan analize göre anahtarların modül yerine ayrık olarak kullanılması büyük bir fiyat avantajı sağlamaktadır. Son olarak, bu araştırmada açıklanan paralelleme yönteminin birçok avantaja sahip olduğu gösterilmiştir. Bu yöntem ile MOSFET'ler arasında akım dengelemek amacıyla kullanılan aktif bir kapı sürücü devresine ihtiyaç duyulmamaıştır. Aynı zamanda bu sayede sensör ve işlemci gibi devre elemanlarına olan ihtiyaç azalmıştır. Böylelikle fiyat avantıjı sağlanmıştır. Ayrıca akım paylaşımını dengelemek için büyük filtreleme elemanları kullanılmamıştır. Bu sayede devrenin hacminin küçük kalması sağlanmıştır. Ek olarak bu paralelleme yönteminin uygulanması kolaydır, devre üzerinde simetrik yapı oluşturularak büyük oranda sorun oluşması önlenmiştir. Ayrıca, SiC MOSFET'in doğrulanmış davranışsal simülasyon modeli oluşturularak anahtarlama anını modellemek için çok kullanışlı ve hızlı bir simulasyon elde edilmiştir. Bu modelde sadece SiC MOSFET'in bilgi sayfasındaki değerler kullanılmıştır. Bilgi sayfasındaki akım-gerilim, kapasitör vb. değerler kullanılmıştır. Simulasyon modelinin doğrulaması bilgi sayfasındaki anahtarlama kayıplarının karşılaştırılması ile yapılmıştır. Ayrıca dört paralel SiC MOSFET ile yarım köprü devresi de simüle edilmiştir. Lamine baranın yaklaşık modeli, yarım köprü devre simülasyon modeline eklenmiştir. Simülasyonda yarım köprü devresi ile çift atım testi uygulanarak, sonuçlar gözlemlenmiştir. Ek olarak bu çalışmada geliştirilmiş bir simetrik kapı sürücü devre yapısı ile dört paralel SiC MOSFET'den oluşan yarım köprü devresinin baskı devre kartı yapılmıştır. Bu baskı devre kartının yüksek gerilim bağlantılarında kullanılmak üzere ayrıca lamine bir bara kullanılmıştır. Deneysel test düzeneği ve baskı devre kartının detayları aktarılmıştır. Ayrıca bu çalışmada simulasyon ve deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Benzer durumlar hem simulasyonda hem de deneylerde gözlemlenmiştir. Deneysel testlerde yapılan iyileştirmeler ve sonuçları detaylı bir şekilde bu tezde açıklanmıştır. Hem simülasyon hem de deneysel sonuçlar, açıklanan yöntem için çok az çabayla iyi sonuçlar alınabileceğini göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Silicon carbide (SiC) metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) have many advantages compared to silicon (Si) MOSFETs: low drain-source resistance, high thermal conductivity, low leakage current, and high switching frequency. As a result, Si MOSFETs are replaced with SiC MOSFETs in many industrial applications. However, there are still not as many SiC modules to customize for each application. To meet the high-power requirement for custom applications, paralleling discrete SiC MOSFETs is an essential solution. However, it comes with many technical challenges; inequality in current sharing, different switching losses, different transient characteristics, and so forth. In this research, a four paralleled SiC MOSFET half-bridge circuit is investigated with an improved symmetric layout and unique laminated busbar. Both simulation (based on behavioral simulation model of SiC MOSFET) and experimental tests are carried out within the scope of this research. In this thesis, the detailed MATLAB®/Simulink® Simpscape model of the SiC MOSFET is investigated with only using the datasheet values. Switching loss of the obtained simulation model of the SiC MOSFET is compared with the datasheet values. The maximum observed switching loss mismatch is smaller than 10% from the total loss error perspective. Moreover, the half-bridge circuit with four paralleled SiC MOSFET is simulated. The approximate laminated busbar model is also implemented to the half-bridge circuit simulation model. On the simulation drain-source voltage overshoot problem is observed which is 38%. Furthermore, this thesis proposes the implementation of the four paralleled SiC MOSFET half-bridge circuit with an improved symmetric gate driver layout. In addition to that, a unique laminated busbar connected directly to the printed circuit board (PCB) is proposed to increase current and thermal capacity and decrease parasitic effects on the power path. Same voltage overshoot problem, observed in the simulation, is also appeared on the experimental tests. To solve that overshoot problem, Ceralink capacitors are added to the DC-Link of the half-bridge circuit. Different location and numbers of capacitors are examined in details. Drain-source voltage overshoot problem is decreased from 38% to 24% with the help of these improvements. Current mismatch and switching loss mismatch between the paralleled SiC MOSFETs are also studied. Maximum observed current mismatch is 6% in steady-state and 22% in transient-state. Approximately 6% total switching loss mismatch is appeared between paralleled discrete SiC MOSFETs. Experimental results shows that this method is applicable for many applications. Finallly, this research shows that explained paralleling method provides many advantages from the paralleling perspective. This method is easy to implement, have small circiut size, have no active current balancing circuit, have no big passive filters and have no active gate driver circuit. Moreover, verified behavioral simulation model of SiC MOSFET is very handful and fast tool to model the switching instant. Both simulation and experimental models shows that good results can be obtained with little effort for the explained method.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    401214

    Distributed algorithms based on fictitious play for near optimal sequential decision making

    Başlık çevirisi yok

    ESRA ŞİŞİKOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiUnıversıty Of Mıchıgan

    DOÇ. DR. MARINA A. EPELMAN

    PROF. ROBERT L. SMITH

  2. Tez No

    39613

    Hücresel yapay sinir ağları için iki öğrenme algoritması ve görüntü işleme uygulamaları

    Two learning algorithms for cellular neural networks and their image processing applications

    SİNAN KARAMAHMUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. CÜNEYT GÜZELİŞ

  3. Tez No

    467056

    FPGA üzerinde HYSA ve HYSA'ya özel öğrenme algoritmalarının birlikte gerçeklenmesi

    Implementation of CNN and CNN specific learning algorithms on FPGA

    ERDEM KÖSE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN

  4. Tez No

    304724

    Geniş ölçekli ağlar için yeni bir dağıtık ayrık olay tabanlı benzetim yaklaşımı ve uygulaması

    Design and implementation of a new discrete event based distributed simulation approach for large-scale networks

    BÜLENT ÇOBANOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya Üniversitesi

    Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN EKİZ

    YRD. DOÇ. DR. AHMET ZENGİN

  5. Tez No

    201773

    Parallel active filter design, control, and implementation

    Paralel etkin süzgeç tasarımı, denetimi ve gerçekleştirilmesi

    HASAN ÖZKAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AHMET MASUM HAVA

Geri Dön