Çift darbe testi ile güç MOSFETlerinde, parazitik etki ve anahtarlama kayıplarının uygulamalı tespiti ve Monte Carlo yöntemi ile güvenilirlik analizi
Practical detection of parasitic effects and switching losses in power MOSFETs by double pulse test and reliability analysis by Monte Carlo method
- Tez No: 921356
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Günümüz dünyasında artan bilimsel gelişmelerle birlikte elektronik cihazlar daha küçük, daha hızlı ve daha verimli hale gelmiştir. Transistörler, modern elektronik ve teknoloji devriminin temel bileşenlerinden biridir ve sayısız uygulamanın merkezinde yer alır. Güç yönetimi ve kontrol sistemlerinde kullanılan transistörler, enerji verimliliğini artırarak endüstriyel cihazlardan yenilenebilir enerji sistemlerine kadar geniş bir yelpazede yaygın olarak kullanılır. Motor sürücülerin tasarımı sırasında göz önüne alınan ana kriterler verim, boyut ve maliyettir. Bunlar birçok parametreye bağlı olsa da çalışma sırasında açığa çıkan ısının ana kaynağı olan güç kayıplarının büyük bir kısmı yarı iletken anahtarlama elemanları tarafından oluşturulmaktadır. Bu elemanların doğru seçimi ve etkin kullanımı, sistemin genel performansını doğrudan etkiler. Ayrıca, soğutma sistemlerinin tasarımı ve yerleşimi de bu kayıpların yönetilmesinde kritik bir rol oynar. Yarı iletken malzemelerin termal özellikleri ve anahtarlama hızları, sürücülerin verimliliğini belirleyen önemli faktörlerdir. Yüksek verimli güç dönüştürücüleri ve eviricilerde, MOSFET ve IGBT gibi transistör türleri, yüksek anahtarlama hızları ve düşük kayıpları ile öne çıkar. İletim ve anahtarlama sırasında güç kayıpları nedeniyle ısı açığa çıkar. Bu kayıpların büyük bir kısmı, transistörlerin anahtarlama sırasında sergilediği davranışlardan kaynaklanır. Güç kayıplarını en aza indirmek ve ideal tasarımı oluşturmak için kayıpların tasarım aşamasında öngörülmesi ve hesaplanması büyük önem taşır. Bu çalışmada, ilk olarak MOSFET'lerin yapısı ve çalışma prensipleri incelenmiştir. Ardından dinamik karakteristikleri ve seçim kriterleri ele alınmıştır. Güç MOSFET'lerinde iletim direnci, yükselme zamanı, düşme zamanı ve kapasitelerin etkisini görmek için birbirine yakın değerlerde iki MOSFET, çift darbe testi ile incelenmiş ve deneysel sonuçlar, benzetim ile hesaplama sonuçlarıyla desteklenmiştir. Bütün sonuçların birbirine paralel olarak gösterdiği IAUS260N10S5N019T seri numaralı MOSFET'in belirtilen koşullarda daha verimli olduğudur. Ardından MOSFET'lerin güvenilirliğini değerlendirmek için Monte Carlo analizi ve en kötü durum analizi yöntemleri kullanılmıştır. Monte Carlo analizi ile sıcaklık, besleme gerilimi ve üretim toleransları gibi parametreler, belirlenen aralıklar içinde rastgele değişim göstererek olası sonuçların istatistiksel dağılımı elde edilir. Bu sayede, MOSFET'in gerçek dünya koşullarında performansındaki olası sapmalar ve arıza olasılığı öngörülür. Bu sayede, cihazın güvenli çalışma sınırları belirlenmiştir. Bu iki yöntemin bir arada kullanılmasıyla, MOSFET tasarımlarının güvenilirliği artırılarak elektronik sistemlerin kararlılığı ve performansı en üst düzeye çıkarılmıştır. Paralel MOSFET'lerin akım dağılımını incelemek için, ilk olarak birbirine dört paralel kol bulunan ve her kolda iki seri bağlı MOSFET'in ve sürücü kartının şema ve devre baskı kartı tasarımı yapılmıştır. Tasarım sırasında dikkat edilmesi gereken noktalara değinilmiştir. Yol kalınlıkları belirtilen 22 kW güç seviyesi için hesaplanmış ve sıcaklık artışı dikkate alınmıştır. Anahtarın iç yapısından kaynaklanan doğal parazitik etkiler olduğu gibi devre yapısından eklenen parazitik etkiler de mevcuttur. Bu tez çalışmasında, devre ile ilgili olan, yani MOSFET kaynak bağlantılarına ait parazitik etkiler, MOSFET'ler arası kaçak endüktanslar ve anahtarlama döngüsü kaçak endüktansı incelenmiş ve akım bağlanma etkisi olup olmama durumuna göre matrisler çıkartılmıştır. Benzetim ve test sonuçları, akım dağılımının nasıl gerçekleştiğini ve parazitik etkilerin bu dağılıma olan etkisini göstermiştir. Farklı kapı dirençleri ve sönümleyici kapasitelerle yapılan karşılaştırmalar sonucunda hangi değerlerin kullanılacağına karar verilmiştir. 14,7 Ω kapı direnci, kayıpların en uygun düzeyde olduğu ve tepe değerlerini de aynı şekilde dengeli bir hale getirdiği için, 50 nF sönümleyici kapasite kayıpların artmasını kapı direncine göre daha az etkilediği için yüksek seçilmiş, bu sayede gerilim dalgalanmaları ve ani gerilim değişimi (dv/dt) azaltıldığı için seçilmiştir. Sonuçların yorumlanması bölümünde, elde edilen veriler ışığında akım dağılımının iyileştirilmesi için öneriler sunulmuştur. Bu çalışmalar, paralel MOSFET'lerin daha verimli ve güvenilir bir şekilde kullanılmasına katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
With the increasing scientific advancements in today's world, electronic devices have become smaller, faster, and more efficient. Transistors are one of the fundamental components of modern electronics and technology, playing a central role in countless applications. Transistors used in power management and control systems enhance energy efficiency, finding use across a wide range of applications, from industrial devices to renewable energy systems. Advances in transistor technology have enabled higher power density and improved thermal management. Furthermore, advancements in semiconductor materials, such as Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN), paved the way for them to work in a higher voltage and frequency range. These developments contribute significantly to reducing energy losses, thereby supporting the global shift toward sustainable and eco-friendly technologies. The main criteria considered during the design of motor drivers are efficiency, size, and cost. Although these depend on many parameters, a significant portion of power losses, which are the primary source of heat generated during operation, is caused by semiconductor switching elements. Managing these losses effectively is crucial, as excessive heat can reduce the lifespan and performance of the components, leading to increased maintenance costs and potential system failures. Therefore, optimizing the selection and operation of these switching elements not only improves energy efficiency but also plays a vital role in enhancing the overall reliability and durability of the motor driver system. In applications such as high-efficiency power converters and inverter circuits, transistor types like MOSFETs and IGBTs stand out with their high switching speeds and low losses. They generate heat due to power losses that occur during conduction and switching. Minimizing power losses and achieving an optimal design are essential. Therefore, predicting and calculating losses during the design phase becomes critical. Accurate modeling of these losses not only enhances system reliability but also reduces the need for extensive cooling solutions. There is a technique that provides switching losses in MOSFETs and other power semiconductor devices which is called double pulse testing. This test provides a controlled way to evaluate the device's switching behavior under realistic conditions, making it a crucial technique in the design and optimization of power electronics circuits. During the double pulse test, a MOSFET is subjected to two consecutive pulses: a long pulse followed by a short pulse, with a defined off-time in between. The long pulse allows the device to reach a steady-state current level, and the short pulse initiates the switching transition. By capturing the voltage and current waveforms during these transitions, it is possible to measure the energy losses that occur when the MOSFET turns on (Eon) and turns off (Eoff). The area under the voltage-current curve during switching events corresponds to the energy dissipated in the device. This data helps identify how efficiently the MOSFET handles switching and conduction, as well as the impact of factors like gate drive conditions, parasitic inductances, and operating temperatures on the overall performance. Using the results from the double pulse test, designers can optimize the circuit and device parameters to minimize losses, thereby enhancing the efficiency and reliability of power converters and motor drive systems. To assess the reliability of MOSFETs, a method like Monte Carlo analysis is employed. Monte Carlo analysis involves performing simulations with parameters such as temperature, supply voltage, and manufacturing tolerances within given ranges to create a statistical distribution of possible outcomes. This approach allows for predicting potential deviations in performance and failure probabilities of MOSFETs under real-world conditions. Using this method enhances the reliability of MOSFET designs both statistically and deterministically, optimizing the stability and performance of electronic systems. In the initial stages of the study, the losses of the MOSFET considered in the design were calculated using the described methods. Mathematical models and formulations derived for this purpose were utilized. Calculations were repeated for different conditions applied during the test. The DC-Link voltage was set to 36 VDC as the minimum, 48 VDC as the nominal, and 52 VDC as the maximum voltage. The inductance value used as the load was kept constant while varying the pulse durations. By varying the pulse durations, the load currents were adjusted. The desired current levels were achieved by varying only the duration of the first pulse. The dead time between two pulses was set sufficiently long to allow the current to drop to zero. In this way, the necessary examinations were carried out. In the next phase, the parameters for the double pulse test were determined. During the tests, the load current was varied by changing the pulse duration variables while keeping the inductance value constant. Under the specified conditions and at room temperature, the losses of the MOSFET were identified and recorded through the conducted tests. For this purpose, the loss analysis section on the oscilloscope was utilized. Current measurements were made using a Rogowski coil connected to the previously left gaps on the PCB. The gate resistance values were adjusted to ensure precise control over the switching characteristics. Additionally, the impact of varying load currents on the switching was analyzed. Pulses were applied to the gate driver via the oscilloscope to drive the MOSFETs for the desired durations. The durations selected were for 36 VDC, the values are specified as 5-5-5 µs (corresponding to 50 A), 4-4-4 µs (corresponding to 40 A), and 3-3-3 µs (corresponding to 30 A). For 48 VDC, the pulse durations are used as 3.70-3.70-3.70 µs (corresponding to 50 A), 2.92-2.92-2.92 µs (corresponding to 40 A), and 2.15-2.15-2.15 µs (corresponding to 30 A). For 52 VDC, the values are selected as 3.45-3.45-3.45 µs (corresponding to 50 A), 2.70-2.70-2.70 µs (corresponding to 40 A), and 1.95-1.95-1.95 µs (corresponding to 30 A). Simulations for the double pulse test were conducted using the LTspice program. It was observed that the losses were consistent. This consistency is crucial for the validity of this study. In the final section, the analysis of current distribution in a parallel MOSFET circuit with four branches is made, which is essential for optimizing the performance and reliability of power electronics systems. The impact of parasitic elements, such as stray capacitances, inductances, and resistances, on the switching behavior and power losses in the system is assessed. Inverter simulation is conducted as a critical tool for analyzing the performance of the circuit, allowing for the examination of voltage, current, and switching characteristics in various load scenarios. Moreover, the design and analysis of the printed circuit board (PCB) are carried out, as it directly affects the overall system performance, including thermal management and electromagnetic interference. As a result of the double pulse test performed on the power card prepared for this inverter with a 22 kW power level, 14.7 Ω gate resistance was selected because it optimizes the losses and stabilizes the peak values in the same way. A 50 nF damping capacitance was selected because it affects the increase in losses less than the gate resistance, thus reducing voltage fluctuations and sudden voltage change (dv/dt). In the interpretation of the results section, suggestions for optimizing the current distribution are presented in the light of the obtained data. These studies contribute to a more efficient and reliable use of parallel MOSFETs.
Benzer Tezler
- Highly modular and scalable power module platform for railway traction converter applications
Raylı ulaşım cer konverteri uygulamaları için modüler ve ölçeklenebilir güç modülü platformu
EKREM RAUF GÜNEŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK
- An actıve gate drıver cırcuıt desıgn for parallel connected mosfets ın low voltage ınverter applıcatıons
Düşük gerilim evirici uygulamalarinda kullanilan paralel bağli mosfet'ler için aktif kapi sürme devresi tasarimi
BERKAY KEZİBAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT YILMAZ
- Development of half bridge module based power converters for electric machine test setups
Elektrikli makine test düzenekleri için yarım köprü modül tabanlı güç dönüştürücülerinin geliştirilmesi
ÖZGÜR YAZICI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİNE BOSTANCI ÖZKAN
- Geniş bant aralıklı silisyum karbür tabanlı mosfet alt-modül tasarımı
Wide bandgap silicon carbide based mosfet sub-module design
AHMET FURKAN TUNCER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DİNÇER GÖKCEN
- Hidromagnezit-huntit (HH) kullanarak güç tutuşur poli (laktik asit) esaslı kompozit malzeme üretimi ve sinerjik etki çalışmaları
Production of flame retardent based poly (lactid acid) composite material using hidromagnesite–huntite (HH) and synergic effect studies
AYŞEGÜL ERDEM
Doktora
Türkçe
2022
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiErciyes ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET DOĞAN