Gan tabanlı yüksek frekans çıkışlı d-sınıfı tam köprü güç yükselteç tasarımı ve uygulanması
Design and implementation of a gan based high frequency output full-bridge class-d power amplifier
- Tez No: 1024305
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK AKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Sualtı akustiği ve SONAR sistemlerinde hedef tespiti ve sualtı haberleşmesi için, piezoelektrik transdüserlerin yüksek güçlü ve yüksek frekanslı elektriksel sinyallerle sürülmesi gerekmektedir. Geleneksel doğrusal (lineer) güç yükselteçleri düşük enerji verimliliği ve gerektirdikleri devasa soğutucu hacimleri nedeniyle bu sistemlerde dezavantaj yaratırken; teorik verimliliği %100'e yaklaşan anahtarlamalı D Sınıfı (Class-D) güç yükselteçleri modern SONAR sistemleri için standart haline gelmektedir. Ancak, akustik çözünürlüğü artırmak ve çıkış filtre boyutlarını küçültmek amacıyla darbe genişlik modülasyonu (PWM) taşıyıcı frekansı megahertz (MHz) seviyelerine çıkarıldığında; geleneksel Silisyum (Si) ve Silisyum Karbür (SiC) tabanlı güç MOSFET'leri yüksek ters toparlanma şarjı (Qrr) ve parazitik kapasitansları sebebiyle ciddi anahtarlama kayıplarına, termal sorunlara ve sinyal distorsiyonuna maruz kalmaktadır. Bu tez çalışmasında, Galyum Nitrür (GaN) teknolojisini temel alan yüksek frekanslı bir SONAR güç yükselteci tasarlanmış, simüle edilmiş ve laboratuvar ortamında prototipi üretilerek test edilmiştir. Çalışma kapsamında öncelikle, 100 kHz çalışma frekansına sahip piezoelektrik sonar transdüserinin karmaşık elektriksel karakteristiği Butterworth-Van Dyke (BVD) eşdeğer devresi ile modellenmiştir. Sistemin maksimum aktif güç aktarımını sağlaması amacıyla, transdüserin reaktif yükünü sıfırlayacak paralel empedans uyumlama (Luyum) ağı ve harmonikleri bastıracak filtrenin Laplace uzayında transfer fonksiyonları çıkarılarak analitik donanım tasarımı gerçekleştirilmiştir. Sistemin elektriksel ve termal performansı, PLECS simülasyon ortamında eşdeğer elektriksel özelliklere sahip Si, SiC ve GaN anahtarlar kullanılarak karşılaştırmalı olarak incelenmiş ve GaN HEMT anahtarların, yüksek anahtarlama frekanslarında dahi anahtarlama kayıplarını minimuma indirdiğini ve verimlilik açısından Si ile SiC alternatiflerine karşı ezici bir üstünlük sağladığını kanıtlamıştır. Bu teorik ve simülasyon tabanlı üstünlüğü fiziksel olarak doğrulamak için, laboratuvar ortamında kurulan deney düzeneğinde, GaN tabanlı prototip 1 MHz anahtarlama frekansında sürülmüş ve eşdeğer piezoelektrik yüke 100 kHz frekansında saf bir sinüs dalgası aktarılmıştır. Yapılan deneysel testler sonucunda sistemin %95 tepe verimliliğine ulaştığı ve Toplam Harmonik Bozulma (THD) oranının, standartların altında kalarak %2.32 olarak gerçekleştiği tescillenmiştir. Elde edilen bu sonuçlar; megahertz seviyesinde anahtarlanan D Sınıfı topolojilerde GaN kullanımının sualtı sistemleri için yalnızca bir alternatif değil; termal stresi yok eden, donanım hacmini ciddi ölçüde küçülten ve akustik sinyali yüksek doğrusallıkla üreten kritik bir donanımsal çözüm olduğunu deneysel olarak literatüre kazandırmıştır.
Özet (Çeviri)
For target detection and underwater communication in underwater acoustics and SONAR systems, piezoelectric transducers must be driven with high-power and high-frequency electrical signals. While traditional linear power amplifiers present a disadvantage in these systems due to their low energy efficiency and the massive heatsink volumes they require, switching Class-D power amplifiers, whose theoretical efficiency approaches 100%, are becoming the standard for modern SONAR systems. However, when the pulse width modulation (PWM) carrier frequency is increased to megahertz (MHz) levels to enhance acoustic resolution and reduce the size of the output filter, traditional Silicon (Si) and Silicon Carbide (SiC) based power MOSFETs suffer from severe switching losses, thermal issues, and signal distortion due to their high reverse recovery charge (Qrr) and parasitic capacitances. In this thesis study, a high-frequency SONAR power amplifier based on Gallium Nitride (GaN) technology was designed, simulated, and tested by producing a prototype in a laboratory environment. Within the scope of the study, the complex electrical characteristic of the piezoelectric sonar transducer with a 100 kHz operating frequency was first modeled using the Butterworth-Van Dyke (BVD) equivalent circuit. In order for the system to achieve maximum active power transfer, the analytical hardware design was performed by deriving the Laplace domain transfer functions of the parallel impedance matching (Lmatching) network, which compensates for the reactive load of the transducer, and the filter, which suppresses harmonics. The electrical and thermal performance of the system was comparatively analyzed in the PLECS simulation environment using Si, SiC, and GaN switches with equivalent electrical properties. It was proven that GaN HEMT switches minimize switching losses even at high switching frequencies and provide an overwhelming superiority over Si and SiC alternatives in terms of efficiency. To physically verify this theoretical and simulation-based superiority, the GaN-based prototype was driven at a 1 MHz switching frequency in an experimental setup established in the laboratory, and a pure sine wave at a frequency of 100 kHz was transferred to the equivalent piezoelectric load. As a result of the experimental tests, it was demonstrated that the system reached a peak efficiency of 95% and the Total Harmonic Distortion (THD) rate was realized as 2.32%, remaining well below the industry standards. These results have experimentally contributed to the literature by demonstrating that the use of GaN in Class-D topologies switched at the megahertz level is not merely an alternative for underwater systems; it is a critical hardware solution that eliminates thermal stress, significantly reduces hardware volume, and produces the acoustic signal with high linearity.
Benzer Tezler
- X-band cpw high power amplifier design by GaN based MMIC technology
GaN tabanlı MMIC teknolojisi kullanılarak x-bantta yüksek güçlü yükselteç tasarımı
BURAK ALPTUĞ YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- GaN based high efficiency class AB power amplifier design for sub-6GHz 5G transmitter systems
6GHz altı 5G verici sistemleri için GaN tabalı yüksek verimliliğe sahip AB sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı
KUDRET ÜNAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
- A compact two stage GaN power amplifier design for sub-6GHz 5G base stations
6GHz altı 5G baz istasyonuları için kompakt iki katlı GaN güç yükselteç tasarımı
BURAK BERK TÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERKAN ŞİMŞEK
DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ŞERİF SAVCI
- A doherty power amplifier for 5G applications
5G uygulamaları için bir doherty güç yükselteci
HASAN KONANÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET NURİ AKINCI
DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ŞERİF SAVCI
- Image reconstruction with deep learning and applications in MR images
Derin öğrenme ile görüntü geriçatımı ve MR görüntülerinde uygulamaları
AMIR AGHABIGLOU
Doktora
İngilizce
2022
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENDER METE EKŞİOĞLU