Characterization of GaN transistors and development of bi-directional DC/DC converter with half-bridge having short circuit protection for parallel switches
GaN transistörlerin karakterizasyonu ve paralel anahtarlar için kısa devre korumasına sahip yarım köprü ile çift yönlü DA/DA çevirici geliştirilmesi
- Tez No: 645264
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ OZAN KEYSAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- 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: 168
Özet
Artırılmış elektron hareketlilikleri ve bozulma dayanımı seviyeleri ile geniş bant aralıklı yarı iletkenler Si tabanlı yarı iletkenlere göre daha üstündür. Bu üstünlük yarı iletkenlerin küçük paketlerde üretilmesine, düşük parazitik oluşmasına ve anahtarlama frekansının artırılabilir olmasına olanak sağlar. Geniş bant aralıklı yarı iletkenler ile özellikle de GaN HEMT cihazlar ile yüksek verimli ve düşük hacimli güç çeviricileri tasarlanılabilir. Bu tezde, GaN HEMT anahtarlar, nitelendirme ve uygulama çalışmaları ile incelenmiştir. Yarı iletken kapısının elektriksel yükü ve çıkış sığası, tasarlanmış deneysel çalışmalarla nitelendirilmiş olup üreticinin paylaştığı veri ile kıyaslanmıştır. Üretici verisi ile deneysel sonuçlar arasındaki farklar vurgulanmış ve bu farkların sebepleri irdelenmiştir. Nitelendirilen bu parametreler ile GaN HEMT cihazların anahtarlama performansları benzetim çalışmaları ile degerlendirilmiş ve paket sığası, parazitik endüktans,sıcaklık, kapı direnci gibi parametrelerden nasıl etkilendiği tartışılmıştır. Daha sonra hat tasarım eniyileştirme çalışması yapılarak paralel GaN HEMT kullanımı ile birlikte yarım köprü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bununla beraber, GaN HEMT'leri yüksek akımdan korumak ve güvenilirliği artırmak için bir kısa devre koruma yöntemi aynı yarım köprü baskı devre kartı üzerine yerleştirilmiştir. Bu kısa devre koruma yöntemi, hatayı 40 ns içerisinde algılamakta ve 100 ns içerisinde kısa devre akımını kontrol altına alabilmektedir. Son olarak bir çift yönlü DA/DA çevirici örnek uygulaması tasarlanan yarım köprü baskı devre kartları kullanılarak gerçekleştirilmiş ve 5.24 kW/l güç yogunluğuna 5.4 kW güç değeri altında ulaşılmıştır. Bu güç yogunluğu sıfır gerilim anahtarlama uygulanarak çıkılan 450 kHz anahtarlama frekansı ile elde edilmiştir. Sıfır gerilim anahtarlamanın elde edim yöntemi kritik mod anahtarlamadır. DA/DA çeviricinin verimliliği tam yük altında %97.7 olarak ölçülmüştür.
Özet (Çeviri)
Wide band-gap semiconductors are superior to Si-based semiconductors with their increased electron mobility and breakdown strength which leads to small package sizes, low parasitics, and increased switching frequency capability. Efficient and dense power converter could be obtained with wide band-gap devices especially GaN transistors. This thesis investigates the GaN HEMTs in terms of their characterization and application. The gate charge and output capacitance of GaN HEMTs are characterized by designed experimental setups and they are compared with manufacturer-provided data. The differences between outcomes and the datasheet are highlighted and explained. Based on the characterized elements of GaN HEMTs, their switching performance is studied within a simulation platform and effects of package capacitances, parasitic inductances, temperature, gate resistance are discussed. A half-bridge prototype design is performed where layout optimization is done for a parallel-connected GaN HEMTs. Moreover, a short circuit protection technique is implemented on the same half-bridge board to save GaN HEMTs from overcurrent and increase the reliability. The short circuit protection method is able to detect the fault in 40 ns and can control the short circuit current in 100 ns. Lastly, an example application is realized with GaN HEMT based half-bridges to have a bi-directional DC/DC converter. The bi-directional DC/DC converter has 5.4 kW power rating with 5.24 kW/l power density. This power density is achieved with 450 kHz of switching frequency where zero voltage switching is applied with critical conduction mode switching. The efficiency of the converter is 97.7% at maximum load.
Benzer Tezler
- Design considerations, modeling and characterization of GaN HEMTs and design of high frequency and high power MMIC amplifiers
GaN HEMT yapılarının tasarımı, modellenmesi ve ölçümleri, ve yüksek hızlı ve yüksek güçlü MMIC yükselteçlerin tasarımı
ÖMER CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI
- Nano-scale chemically modified thin film characterization for chemical mechanical planarization applications
Nano-boyutta kimyasal modifiye edilmiş ince filmlerin kimyasal-mekanik düzleştirme uygulamaları için karakterizasyonu
AYŞE KARAGÖZ
Doktora
İngilizce
2015
Mühendislik BilimleriÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜL BAHAR BAŞIM DOĞAN
- Fabrication, modeling and characterization of GaN HEMTs, and design of high power MMIC amplifiers
GaN HEMT yapılarının üretimi, modellenmesi ve ölçümü, ve yüksek güçlü MMIC yükselteçlerin tasarımı
MUHAMMED ABDULCELİL ACAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- X-band high power gan power amplifier design and implementation
X-bant yüksek güçlü gan güç yükselteç tasarımı ve gerçeklenmesi
ALİ İLKER IŞIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞİMŞEK DEMİR
- Fabrikasyon adımları için GaN tabanlı mikroşerit HEMT'lerin DC karakterizasyonu
DC characterization of GaN-based microstrip HEMT for fabrication steps
ELİF ALAGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErzurum Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÇAĞLAR DUMAN