Comparison of power performance of SiC-IGBT with Si-IGBT switches in three-phase inverter for ground power units in aircraft applications
Uçak uygulamalarında yer güç üniteleri için üç fazlı inverterde SiCIGBT'nin Si-IGBT anahtarları ile güç performansının karşılaştırılması
- Tez No: 764282
- Danışmanlar: PROF. DR. SİNAN KIVRAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Enerji, Uçak Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Energy, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Bir uçağın yer elektrik santralini elektrik şebekesine entegre etmek için kullanılan dönüştürücüler genellikle silikon (Si) tabanlı yarı iletken teknolojileriyle oluşturulur. Si anahtarı tabanlı dönüştürücüler verimsizdir, büyüktür ve saf sinüs dalgası voltaj gereksinimlerine ulaşmakta güçlük çekerler. Düzlem yer elektrik santrallerinin verimliliği, Si anahtarlarının fiziksel kısıtlamaları nedeniyle mevcut Si transistörlerini silisyum karbür (SiC) transistörlerle değiştirerek arttırılabilir. Bu araştırmanın birincil amacı, üç fazlı silikon karbür yalıtımlı kapılı bipolar transistör (SiC-IGBT) anahtarlarına dayalı Uçak Yer Güç Ünitelerini (AGPU) tasarlamak ve uygulamaktır. Bu çalışmada, 1200-V SiC-IGBT ve 1200-V Si-IGBT arasında ayrıntılı bir sert anahtarlama davranışı karşılaştırması yapılmıştır. Tek darbeli test sistemi ve üç fazlı invertör sistemleri, karşılaştırılabilir çalışma koşulları için tasarlanmış ve uygulanmıştır. Tek Darbe test sistemi, ilk deney sisteminde Si-IGBT'ler ve SiC-IGBT'ler anahtarları kullanılarak oluşturulmuştur. İkinci deney, üç fazlı invertör tabanlı test sistemini içeriyordu. Sistem, iki cihaz tabanlı eviriciyi RL yükleri altında karşılaştırmak için Si-IGBT'ler ve SiC-IGBT'ler ile oluşturulmuştur. IGBT şalterlerinin kapatma ve açma işlemleri incelenmiş ve sonuçlar sunulmuştur. AGPU'nun Single Pulse deney sisteminde deneysel olarak Si-IGBT verimi %77 olarak elde edilmiştir. İkinci deney sisteminde yeni AGPU'nun verimliliği, eski Si transistörünün bir SiC ile değiştirilmesiyle %95'e kadar artırıldı. Üç fazlı Si-IGBT tabanlı sistemin verimliliği, altı anahtar durumu için %86 idi. SiC-IGBT tabanlı sistemin verimleri deneysel olarak üç fazlı invertör deneysel test sisteminde %92 civarında artırılmıştır. Deney sonuçlarının bulguları, SiC-IGBT'nin klasik Si-IGBT'den daha hızlı bir anahtarlama hızına ve daha küçük bir kayba sahip olduğunu göstermiştir. Bu düşük verimlilik oranları, APGU tabanlı uygulamalarda eski Si transistörünü bir SiC ile değiştirerek arttırılabilir.
Özet (Çeviri)
The converters used to integrate the ground power station of a plane with the utility grid are generally created with silicon insulated-gate bipolar transistor (Si-IGBT) based semiconductor technologies. The Si-IGBT switch-based converters, are inefficient, oversized, and had trouble achieving pure sine wave voltages requirements. The efficiency of the Aircraft Ground Power Units (AGPU) can be increased by replacing existing Si-IGBT transistors with silicon carbide (SiC) IGBTs because of the physical constraints of Si-IGBT switches. The primary goal of this study was to prove that an increase in efficiency could be obtained in the case of using SiC-IGBTs in conventional AGPU systems with the realized experimental studies. In this study, three different experimental systems were discussed for this purpose. The first system was the traditional APGU system. The other two systems were Single Phase Test (SPT) and three-phase inverter systems, respectively. The SPT system and three-phase inverter systems were designed and implemented to compare and make analyses of Si-IGBTs and SiC-IGBTs performance. The efficiency and detailed hard switching behavior comparison were done between the 1200-V SiC-IGBT and 1200-V Si-IGBT-based experimental systems. The APGU system and Si-IGBT modules were examined, the switching characteristic and efficiency of the system were obtained in the first experimental study. The second experimental study was carried out on the SPT system. The Single Pulse test system was created using Si-IGBTs and SiC-IGBTs switches in the second experimental system. The third experiment was included a three-phase inverter-based test system. The system was created with Si-IGBTs and SiC-IGBTs to compare the two different switches based on inverters under RL loads. The turning off and turning on processes of the IGBT switches were examined and results were presented. The Si-IGBT efficiency was achieved 77% experimentally in the SPT experimental system. The efficiency of the third experimental system was increased up to 95% by replacing the old Si transistor with a SiC. The efficiency of the three-phase Si-IGBT-based system was 86% for the six switch cases. The efficiencies of the SiC-IGBT-based system were increased around 92% in the three-phase inverter system experimentally. The findings of the experimental results demonstrated that the SiC-IGBT had a faster switching speed and a smaller loss than the classical Si-IGBT. As a result of the experimental studies, it had been revealed that the efficiency increase could be obtained in the case of using SiC-IGBTs in conventional AGPU systems.
Benzer Tezler
- Performance evaluation and comparison of low voltage grid-tied three-phase AC/DC converter configurations with SIi and SiC semiconductor switches
Si ve SiC yarı iletken anahtarlı, alçak gerilim 3 faz şebeke bağlantılı AC/DC güç dönüştürücü topolojilerinin performans değerlendirmesi ve karşılaştırılması
OĞUZHAN ÖZTOPRAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET MASUM HAVA
- All SiC traction converter for light rail transportation systems: Design methodology and development of a 500 - 900 VDC, 165 kVA prototype
Hafif raylı taşıma sistemleri için SiC çekiş konvertörü: Tasarım metodolojisi ve 500 - 900 VDC, 165 kVA prototipinin geliştirilmesi
DOĞAN YILDIRIM
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUAMMER ERMİŞ
- Güç elektroniği ve motor sürücü devrelerinde verim artırma yöntemleri
Methods for increasing the efficiency of power electronics and motor drive circuits
AHMET BERKANT ECEVİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜVEN KÖMÜRGÖZ KIRIŞ
- Şebekeye bağlı üç fazlı sic tabanlı hibrit anpc evirici yapısının kontrolü ve tasarımı
Control and design of the grid connected three-phase sic based hybrid npc inverter
İSLAM DELİBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT YILMAZ
DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
DOÇ. DR. ATİYE HÜLYA OBDAN
- Si IGBT ile SiC MOSFET yarı iletken anahtarlarının 3 fazlı eviriciler üzerindeki güç kayıp ve verim analizi
Power losses and efficiency analysis of Si IGBT and SiC MOSFET semiconductor switches on 3 phase inverters
MACİT AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERSOY BEŞER