Çamaşır makinası uygulamasında gan yarı iletkenanahtarlar ile yüksek güç yoğunluklu ve verimlievirici tasarımı
Design of high efficiency and high power densityinverter using gan semiconductors for washing machine
- Tez No: 558748
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
Güç kaynakları ve motor tahrik sistemleri gibi güç elektroniği sistemleri gittikçe yaygınlaşmakta ve daha önemli hale gelmektedir. Bunun sebebi güç elektroniği sistemlerinin güç kontrolü, hareket uygulamaları, otomotiv ve kullanıcı elektroniği gibi uygulamalarda sıklıkla kullanılmasıdır. Son zamanlarda güç elektroniği sistemlerinde güç tüketimini azaltma ve güç yoğunluğunu arttırma gibi gereksinimler, güç yarı iletken elemanlarının güç kayıplarında ve anahtarlama frekanslarında iyileşme gerektirmektedir. Her ne kadar silisyum anahtarlar güç elektroniği cihazlarında şu ana kadar önemli rol oynamış olsalar da, yeni gereksinimler için silisyum malzeme limitlerine yaklaşmış bulunmaktadır. Geniş bant aralıklı yarı iletken malzemelerin mevcut silisyum teknolojisine göre daha yüksek sıcaklıklarda, gerilimlerde, anahtarlama hızlarında ve daha düşük iletim direnci gibi özellikleri vardır. Sonuç olarak, artık daha yüksek verim ve güç yoğunluğu hedeflerini sağlamak için bu geniş bant aralıklı yeni nesil anahtarlar ile yeni tasarımlar geliştirilmektedir. Şu anda, silisyum karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN), üstün özellikleri, malzemelerinin ticari olarak kullanılabilirliği ve teknolojik işlemlerinin olgunluğunun bir sonucu olarak bu yeni geniş bant aralıklı yarı iletken malzemeler arasında diğerlerine göre daha umut verici yarı iletken malzemelerdir. Hatta şu anda SiC ve GaN anahtarları elektrikli araçlar ana tahrik, şarj istasyonları ve server gibi uygulamalarda kullanılmaya başlanmıştır. Bu çalışmanın ana konusu çamaşır makinası uygulamasında kullanılan IGBT tabanlı motor kontrol kartı uygulaması referans alınarak aynı isterleri sağlayacak yeni bir GaN anahtar tabanlı evirici tasarımı hedeflenmiştir. Çalışma sonunda ise iki farklı malzeme teknolojine sahip motor kontrol kartları arasında farklı açılardan karşılaştırma yapılmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde çamaşır makinası uygulamasında kullanılan mevcut motor, motor sürücü ve kullanılan motor kontrol yöntemi ele alınmıştır. Ayrıca çamaşır makinasının yıkama çevrimleri, hız ve moment ihtiyaçlarına değinilmiştir. Sonraki bölümde ise mevcut IGBT'li motor kontrol kartlı çözümün özellikleri verilmiştir. Ayrıca bu uygulamada GaN kullanımının ne gibi avantajları olacağından bahsedilmiştir. Çalışmanın dördüncü bölümünde en sık kullanılan aktif güç elektroniği yarı iletken elemanlarından bahsedilmiştir. Sonrasında ise SiC ve GaN anahtarların malzemesel özelliklerine, türlerine ve silisyum tabanlı anahtarlar ise ne gibi farklılıları olduğuna değinilmiştir. Malzemesel özellikler incelendiğinde mevcutta piyasada bulunan GaN ve SiC anahtarların özelliklerinin çok daha iyileşeceği görülmektedir.xxii Mevcut ve yeni nesil anahtarlar incelendikten sonra ise eviricinin elektriksel kayıpları hesaplanmış, tasarlanan evirici için elemanların boyutlandırılmasından bahsedilmiş ve devre blokları incelenmiştir. Ardından ise motor kontrol kartları ile yapılan osiloskop ölçümleri, verim ölçüm testleri ve İletkenlikle Yayınım testlerinin sonuçları verilmiştir. Yeni tasarlanan kartın testlerinin yapılmasını ardından ise yapılan hesaplar ve testlerin sonuçları karşılaştırılmış ve yorumlanmıştır. Sonuç olarak bu çalışmada maksimum gücü 900W olan ve 230 V şebeke geriliminde beslenebilen bir evirici tasarımı yapılmış, kart üretimiş ve çamaşır makinası üzerinde test edilmiştir. Yeni nesil GaN anahtarlar ile tasarlanan eviricinin mevcut IGBT'li eviriciye göre güç yoğunluğu ve verimde getirdiği iyileştirme ve soğutucu ihtiyacının ortadan kaldırıldığı görülmüştür. Ancak kullanılan GaN anahtarlar IGBT anahtarlara göre çok daha hızlı sürüldüklerinden dolayı EMC performansı açısından kötüleşme görülmüştür. Bu durum ise bu tip yeni nesil anahtarlarda daha farklı tip ve spektrumda daha farklı bölgelerde etkin filtre tasarımları ihtiyacının oluştuğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In 1947 the first transistor was developed in the BELL laboratory. However, the use of semiconductors in power electronics began in the late 1950s with the invention of the thyristor. Thyristors were used in applications such as control of DC motors. The disadvantage of the thyristors was that the they can not be turned off by controlling gate. The first power BJT switch was introduced in the 1960s. With the development of the power BJT, the disadvantage of not being able to be turned off through the gate of the thyristor has been overcome. In addition, studies on thyristors were continued and GTO was developed which can be turned off by controlling gate with a special gate design. In this way, higher powers can be controlled more efficiently. In 1970, MOSFET was developed. MOSFETs are suitable for operation at higher switching frequencies than BJT and thyristors due to their insulated gate, voltage control. However, the disadvantage is that the power levels that can be used are lower than BJT and thyristor in high voltage applications. In the early 1980s, a new process was developed to integrate MOSFET and BJT technologies into the same package. By this, IGBT switches were developed. With the good aspects of both technologies, the IGBT switches replace BJTs at low and medium power. Power electronics systems such as power supplies and motor drives are becoming more and more important because power electronics systems are frequently used in applications like power management, motion control, automotive and user electronics. Recent requirements like reduction of power cosumption and reduction of volume in power electronic systems has led to improvements in power losses and switching frequencies of power semiconductor components. Although silicon switches have played an important role in power electronics so far, they have approached the silicon material limits for new requirements. Wide band gap semiconductor materials have properties such as higher operating temperature, break-down voltage, switching speed and lower on resistance than silicon technology. Due to their superior material properties, filter components and cooling requirements can be reduced in power electronics circuits. In this way, power density can be increased. Also, they may help to reduce total system's cost. As a result, new designs are now being developed with this type of new generation switches to achieve higher efficiency and power density targets. Silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) are more promising semiconductor materials than others among these new wide band gap semiconductor materials as a result of their superior properties, commercial availability of materials and maturity ofxxiv technological processes. Even now, SiC and GaN switches are used in electrical vehicles such as main drives, charging stations and servers. SiC switches have been extensively studied for the last 20 years. These semiconductors switches are currently used in high power, high voltage and high switching frequency applications on the market. Semiconductors designers are still optimizing SiC swithes for lower switching loss and conduction losses. GaN switches were first produced in 2004 for RF applications. Today, many different companies have produced GaN switches with different power ratings up to 600 V. Gallium Nitride crystal has a hexagonal structure called wurtzite. Chemically, this structure is very robust at high temperatures can withstand material degradation. The crystal structure of GaN has piezo-electric properties. Due to this feature, electrical conductivity is higher than other semiconductor materials. When a thin AlGaN layer is added on GaN material, the junction where the two materials join becomes a highly conductive channel. This channel is called 2DEG (two dimensional electron gas). 2DEG has high conductivity due to high electron density in a small region on the surface. Unlike silicon switches, current flow is provided laterally from the surface. This channel is normally on and bi-directional. It is not preferred for any switches to be normally on in power electronics applications. Different solutions have been produced and applied by different companies in order to keep the channel normally off. The main objective of this study is to design of a GaN-based inverter which will have the same technical requirements with reference to the IGBT-based motor control inverter used in the washing machine. Then, two different switching devices have been compared according to the test results performed on motor control inverters. In the second part of the study, the current motors, motor driver and motor control methods used in washing machine application are discussed. In addition, washing cycles, speed and torque requirements of the washing machine are mentioned. In this way, the expectations from the motor drive in washing machine application have become better understood. In the next section, the specifications of the existing IGBT-based inverter and motor are given. In addition, and experimental tests results for IGBT inverter are given and the advantages of using GaN in this application are discussed. These results were used when comparing IGBT based inverter with GaN based inverter. In the fourth part of the study, the most commonly used active power electronics semiconductor devices are mentioned. Afterwards, SiC and GaN switches have been explained by their material properties, types and differences with silicon based switches. When the material properties are examined, it is seen that the existing GaN and SiC switches in the market are open to much more development in the future. After examining the current and next generation switches, the electrical losses of the inverter stage were calculated in order to perform thermal calculations. As the calculated electrical losses were dramatically lower than the losses of IGBT-based inverter, thermal calculations were performed without heatsink. According to the calculations, the maximum junction temperature of the GaN switches was below the maximum allowed junction temperature with a safety margin. For this reason, it was seen that it was possible to remove the heatsink in the GaN based inverter.xxv Motor control board is powered directly from the mains voltage. For field-oriented control of PMSM, the amplitude, frequency and phase of the 3-phase voltage at the output of inverter need to be controlled. Therefore, there is a need for rectified and filtered dc voltage. For this, there is a full wave rectifier circuit at the input of the motor control board. Also, some features of input stage: inrush current limitting consists of relay and NTC, surge and over-current/short-circuit protection consists of VDR and fuse, EMC filter consists of common mode choke and differential mode capacitor. LMG3410 GaN Fets were used at inverter stage. This GaN FET has many internal features like integrated gate driver, over-current protection, over-temperature protection, under voltage lock out, transient over-coltage immunity, internal low dropout regulator and cascode configuration GaN. Integrating the GaN FET and gate driver in same package is advantageous in high speed power electronics circuits. This is because parasitic inductances of gate loop can cause extra switching loss, ringing and reliability issues especially swithing at high slew rates of tens to hundrends of volts per nanoseconds. At the control stage, MC56F844 digital signal controller from NXP company was used. This microcontroller is specially designed for three phase motor control applications with many features for motor control applications like 3 phase complementary PWM outputs and ADC-PWM synchronization. After new motor control board was produced, some measurements have been taken with oscilloscope on motor control inverters. Then, efficiency measurement tests and conducted emission tests were performed for GaN based inverter. After the measurements and tests of the GaN-based inverter were made, the analytical calculations and the experimental results were compared. As a result, in this study, an inverter with a maximum output power of 900W and which can be supplied from 230 V mains voltage has been designed, manufactured and tested on washing machine. It was shown that the designed inverter with the new generation GaN switches, eliminates the heatsink by providing higher power density and efficiency compared to the existing IGBT-based inverter. The total losses of the inverter stage was reduced by 80% and the efficiency increased by 2.5%. Thus, the need for heatsink was eliminated and the power density increased by a factor of 1.8. On the other hand, the total cost of GaN based inverter increased by 6.1 times. The main reason for this is that the cost of GaN switches is considerably higher than the current silicon switches. However, semiconductor manufacturers assert that this high price difference between GaN and silicon will decrease within the next 5 years. Also, the EMC test results of the designed inverter has deteriorated due to the very high speed of the GaN switches. This situation shows new filter designs that are more effective in different spectrums are needed.
Benzer Tezler
- Assessment of operational transfer path analysis for practical applications
Pratik uygulamalar için operasyonel iletim yolu analizi'nin değerlendirilmesi
GÜRKAN TUTU
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Çamaşır makinalarının akıllı kontrolü için gerekli parametre ve değişkenlerin incelenmesi
An Investigation on the necessary parameters and variables for intelligent control of washing machines
ERKİN DİNÇMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET KUZUCU
- Vector control of PMSM in washing machine application
Çamaşır makinesi uygulamasında SMSM?nin vektör kontrolü
SİNEM KARAKAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN GÖKAŞAN
- Cogging torque and performance optimization of an interior permanent magnet synchronous motor used in commercial washing machines
Ticari çamaşır makinelerinde kullanılan gömülü daimi mıknatıslı senkron motorların tutunma momenti ve performans en uygunlaştırması
EGE ÜNLÜTEPE KESKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Eksenel akılı fırçasız doğru akım motoru tasarımı ve radyal akılı fırçasız doğru akım motoruyla karşılaştırılması
Design an axial flux brushless direct current motor and comparison with a radial flux brushless direct current motor
ERTUĞRUL YEŞİLBAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LALE ERGENE