Design of a radiation hardened PWM controller built on SOI
SOI tabanlı radyasyona dayanıklı PWM denetleyici tasarımı
- Tez No: 527169
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: PWM Denetleyici, GaN FET, SOI, anahtarlamalı güç çevirici, DC-DC çevirici, verimlilik, anahtarlama kaybı, iletim kaybı, kapalı döngü, radyasyona dayanıklı, PWM Controller, GaN FET, SOI, switching power converter, DC-DC converter, efficiency, switching loss, conduction loss, closed loop, radiation hardened
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
Verimli ve kompakt anahtarlamalı güç kaynağı tasarımı güç elektroniğinde popüler bir konudur. DC-DC çeviricilerdeki anahtarların yarı iletken malzemesi olarak uzun yıllardır silikon kullanılmaktadır. Ancak son zamanlarda bu devrelerde anahtar yarı iletken malzemesi olarak GaN'ın kullanımı üstün özellikleri sayesinde artmıştır. GaN FET'ler silikon MOSFET'lere göre daha düşük kapı kapasitansına, daha düşük kanal direncine, daha yüksek frekansta çalışma özelliğine, daha yüksek dayanma gerilimine ve daha yüksek sıcaklıkta çalışma özelliğine sahiptir. Bu özellikler DC-DC çeviricilerin hem verimliliğini yükseltmeye hem de filtre elemanlarının boyutlarını küçültmeye katkı sağlamaktadır. Bu tezde öncelikli olarak verimli bir DC-DC çevirici geliştirmeye, ikinci olarak ise kompakt bir çevirici ortaya çıkarmaya odaklanılmıştır. DC-DC çeviricinin verimliliğini artırmak için düşük güç tüketimine sahip ve radyasyona dayanıklı bir PWM denetleyici tasarlanmıştır. Bunun yanında GaN elemanlar silikon MOSFET'lere göre daha düşük kapı kapasitansına ve kanal direncine dolayısıyla daha düşük anahtarlama ve iletim kayıplarına sahip olduğu için verimliliği daha da artırmak adına anahtar olarak GaN elemanlar kullanılmıştır. Diğer taraftan tasarımda GaN FET'lerin kullanılması filtre elemanlarının boyutlarını küçültmek için yüksek frekanslara çıkmaya ve bugün birçok uygulamada gerek duyulan kompakt DC-DC çevirici üretimine izin vermiştir. PWM denetleyici bütünleşik devre şeklinde tasarlanmış, ürettirilmiş ve testleri gerçekleştirilmiştir. Tasarımda 0.18 µm SOI teknolojisi kullanılmıştır. PWM denetleyici akım modu ile çalışır ve hata yükselteci, SR mandalı, saat üreteci, gerilim referansı, akım algılama ve invertör dahili bloklarından oluşur. DC-DC çeviricinin kararlı olması için hata yükselteci 83.8° faz payı ile tasarlanmıştır. Denetleyicinin saati, 10 MHz frekansa kadar çalışma özelliğine ve %32 görev döngüsüne sahip görev döngüsü ayarlanabilir bir halka osilatörü tarafından uygulanır. Bunun yanında dışarıdan saat sinyali vermeye yarayan bir harici bacağa da sahiptir. Akım algılama bloğunun çıkışını bir referans gerilim değeriyle kıyaslamak adına 1.27 V'luk bir referans gerilimi üretilir. Anahtarlama kayıplarını düşürmek adına invertörler yardımıyla bir gecikme yaratıcı devre tasarımı yapılmıştır. Deneysel sonuçlar PWM denetleyicinin 588 pF giriş kapasitansına sahip bir GaN FET'i 10 MHz frekansta sürebildiğini göstermiştir. Bu şartlar altında PWM denetleyici 5 V ile beslenmiş ve 15 mW güç tüketmiştir. DC-DC çeviricinin verimliliği 3.2 VDC giriş gerilimi için %83.1 olarak ölçülmüştür. Çevirici aynı zamanda 30 VDC giriş gerilimi için kapalı döngü yapılandırmasında çıkışından 100 mA çekilirken 3 VDC çıkış gerilimi üretmiştir. Devre tam yükten yüksüz duruma geçiş esnasında kararlı bir operasyon göstermiştir. Çip boyutları 2.5mm x 3mm'dir. Denetleyici, SOI teknolojisinin radyasyona dirençli yapısından dolayı radyasyona dayanıklıdır.
Özet (Çeviri)
Design of efficient and compact switch-mode power supplies (SMPS) is a popular topic in power electronics. Silicon has been used as semiconductor material of switches in DC-DC converters for decades. However, preference of using GaN as semiconductor material of switches in these topologies has recently increased due to their superior properties. GaN FETs have lower gate capacitance, lower channel resistance, higher frequency operation, higher breakdown voltage and higher temperature operation than silicon MOSFETs. Those properties provide increase in the efficiency of DC-DC converters and reduction in the size of filter components of them. This thesis focuses primarily on developing an efficient DC-DC converter, and secondly a compact converter. Design of a low-power and radiation hardened PWM (Pulse Width Modulation) controller has helped the DC-DC converter in this thesis has a high efficiency. In order to increase efficiency further, GaN devices have been used as switches because they have lower gate capacitance and channel resistance, which means lower switching and conduction losses, than those of silicon MOSFETs. On the other hand, using GaN FETs has enabled working at high frequencies in order to reduce the size of filter components and producing a compact DC-DC converter as required in most of the applications today. The PWM controller has been designed as integrated circuit, manufactured and tested. 0.18 µm SOI (Silicon-On-Insulator) technology has been used throughout the design. The PWM controller is a current mode controller and has internal blocks which are error amplifier, SR latch, clock generator, voltage reference, current sense and inverter. Error amplifier is designed with 83.8° phase margin in order to have a stable DC-DC converter. Clock of the controller is implemented by a ring oscillator with a duty cycle adjustment circuit whose output gives a clock with duty cycle of %32 and frequency up to 10 MHz. Furthermore, it has an external pin through which an external clock signal might be given. A reference voltage of 1.27 V is produced in order to compare it with the output of the current sense block. A delay generation circuit has been designed by using inverters, which provides reduction of switching losses. Experimental results show that the PWM controller is able to drive a GaN FET, whose input capacitance is 588 pF, at 10 MHz. At this condition, the PWM controller is supplied with 5 V, and it has a power dissipation of 15 mW. Efficiency of the DC-DC converter is measured as 83.1% with 3.2 VDC input. The converter also gives 3 VDC output at 100 mA load with 30 VDC input voltage in a closed loop configuration. The circuit shows stable operation under full-load to no-load transition. The PWM controller chip size is 2.5mm x 3mm. The controller is radiation hardened thanks to the internal resistance of SOI technology.
Benzer Tezler
- RİSC-V based triple modular redundant CPU design for space applications
Uzay uygulamaları için RİSC-V tabanlı üçlü modüler yedekli CPU tasarımı
EMİR CAN YAMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF LEBLEBİCİ
- Kahramanmaraş (Şekeroba) baritinin ağır beton tasarımında paketleme modeliyle değerlendirilmesi
Evaluation of Kahramanmaras (Sekeroba) barites for heavyweight concrete mixture design by packing model
BATUHAN GÜREŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YILMAZ MAHMUTOĞLU
PROF. DR. YILMAZ AKKAYA
- Plastik kalıp tasarım esasları ve uygulamalı kalıp tasarım örneği
Principle of plastic injection mold design and a sample of applied mold design
CANKUT BUCAKLIGİL
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TEOMAN KURTAY
- Radyasyon sayacı geliştirilmesi ve çeşitli ortamlarda radyasyon ölçümü
Design of a radiation counter and the measurements in various radiation media
SONER ÖZGEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Fizik ve Fizik MühendisliğiFırat ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. HALİL YARANERİ
- Analysis and design of a circularly polarized microstrip antenna
Dairesel polarizasyonlu mikroşerit anten analiz ve tasarımı
MEHMET TAŞTAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SENCER KOÇ