Geri Dön

Design and comparative analysis of an enhanced solid-state power controller for UAVs accommodating wide-band gap semiconductor switches

Geniş bant aralıklı yarı iletken anahtarları destekleyen iyileştirilmiş katı hal güç kontrol cihazı tasarımı ve karşılaştırmalı analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 921865
  2. Yazar: ÖMER SOLAK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 201

Özet

Elektriğin icadından itibaren her geçen gün mekanik sistemlerin yerini elektriksel sistemler almaktadır. Elektriksel sistemlerin kullanımı, hızla artan nüfus ve teknolojiye ulaşımın kolaylaşması ile birlikte artmaktadır. Nüfus artışı ve teknolojiye ulaşılabilirlikle birlikte güç tüketimlerinin artması, CO2 salınımlarının da artmasına yol açmıştır. Havacılık sektörü CO2 salınımında büyük bir pay sahibidir. Bu durum çevre kirliliğine ve emisyon artışlarına sebep olmakta ve dolayısıyla yaşanabilir bir geleceğe engel olarak karşımıza çıkmaktadır. Havacılık sektörünün devamlı gelişiyor ve büyüyor oluşu çevre dostu teknolojilerin de önemini göstermektedir. Havacılıkta yeni tip elektriksel güç sistemleri gelişimi ile birlikte verimli ve enerji yoğunluğu iyileştirilmiş hafif sistemler elde edilebilmektedir. Bu doğrultuda enerji verimliliği yönetimi ile daha çevreci bir havacılık sektörü hedeflenmektedir. Yeni tip hava aracı elektriksel güç sistemlerinin en öncü konsepti Daha Elektriksel Hava Aracı (DEHA) olarak ön plana çıkmaktadır. Geleneksel hava araçlarına nazaran DEHA'da mekanik, pinomatik ve hidrolik sistemlerin yerini uzaktan kumanda edilebilen elektriksel sistemler almaktadır. Böylece hantal, ağır ve sık bakım gerektiren sistemler, elektriksel sistemlerle değiştirilerek hem daha güvenilir sistemler elde edilmekte hem de enerji verimliliği artırılarak daha çevreci bir sisteme katkı sağlanmaktadır. DEHA ve daha gelişmiş elektrikse güç sistemleri hem sivil hem de askeri alanlarda kullanılmaktadır. Ayrıca insanlı ve insansız sistemler olmasına bakılmaksızın her iki sistem için de yeni nesil elektriksel güç sistemleri kullanımı mevcuttur. Son yıllarda insansız sistemlerin gelişimi ile birlikte insansız sistemlere daha geniş bir bakış açısıyla yeni özellikler kazandırılmaktadır. Her kazandırılan ek özellik elektriksel güç tüketimini artıracağından yeni nesil elektriksel güç sistemlerinin insansız sistemlerde de kullanımı kaçınılmazdır. Elektriksel güç tüketim değerlerinin artması ile birlikte yeni nesil elektriksel güç mimarileri enerji verimliliğini hedeflemektedir. Bu doğrultuda hava aracı boyunca hantal mekanik sistemlerin yerini kablolar doldurmaktadır. Yüksek güçlü sistemlerin elektriksel olarak kontrolü uygun gerilim seviyesinin seçimi ile mümkün olmaktadır. Elektriksel yüklerin güç değeri arttıkça gerilim seviyesinin sabit kalması kablo üzerindeki gerilim düşümünün ve güç kayıplarının artması ile sonuçlanacaktır. Bu sebeple, yeni nesil elektriksel güç sistemleri ile birlikte tüketilen güç artacağından, hava aracını besleyen kaynakların gerilim seviyesinin de artması gerekmektedir. Gerilim seviyesinin artması sadece kablo kesitinin küçültülmesine hizmet etmemekte ayrıca elektrik makineleri boyutlarında da birim hacim başına güç yoğunluğu iyileştirmektedir. Gerilim seviyesinin artması sadece olumlu sonuçlara yol açmamaktadır. Gerilim seviyesinin artması ile birlikte kablo izolasyon problemlerinin önüne geçilmesi amacıyla izolasyonu sağlayan materyalin değişimi ve kalınlığının uygun olarak seçilmesi gerekmektedir. Gerilim seviyesinin artması ile birlikte kısa devre senaryoları ya da ilk güç verme anlarında ani akım değerlerindeki artışlar da dezavantajlar olarak ön plana çıkmaktadır. DEHA ve benzeri sistemlerin kullanımı sistem karmaşıklığını da arttırmıştır. Sistemin daha akıllı hale gelmesi ile birlikte gerekli bilgilerin ölçümü yapılmaktadır. Elde edilen bilgiler, akıllı sistemlerle birlikte anlamlaştırılmaktadırlar. Böylece yeni nesil elektriksel güç sistemlerinin sadece güç beslemesi değil haberleşme kablolarını da kullanılarak birbiriyle alakalı bilgi edinmesi gerekmektedir. Güç tüketimi seviyelerinin değişmesiyle birlikte geleneksel olarak kullanılan devre kesiciler ve koruma elemanları yetersiz kalmaktadır. En basit haliyle yüksek akıma karşı koruma sağlayan sigortalardan başlayan tarihsel gelişim, termal ve manyetik devre kesicilerin kullanımıyla devam etmiştir. Termal ve manyetik devre kesiciler teknoloji gelişimine ayak uydurabildilerse de güç tüketimlerinin artması sebebiyle gerilim seviyelerinin daha da artması devre kesicilerin yüksek gerilimi anahtarlamada yetersiz kalmasına sebep olmuştur. Termal ve manyetik devre kesicilerin yüksek gerilim ve elektriksel yüklerin kapasitif etkileri sebebiyle anahtarlama ömürleri de sürdürülebilir değildir. Bu duruma önlem olması adına yarı iletkenler yardımıyla akıllı anahtarlama sistemleri geliştirilmektedir. Bu sayede yük ile alakalı her durum akıllı sistemler üzerinden takip edilebilirken anahtarlama birimindeki hata ve durum kestirimleri de gerçekleştirilebilmektedir. Bu sayede daha yönetilebilir bir güç dağıtım sistemini mümkün kılınmıştır. Günümüzde de kullanımına devam edilen sistem, Katı Hal Güç Kontrolörü (KHGK) olarak isimlendirilmektedir. KHGK sisteminin ana elemanı anahtarlama işlemini gerçekleştiren yarı iletkenlerdir. Yarı iletkenler arasından en popüleri silikon (Si) tabanlı yarı iletkenlerdir. Si yarı iletkenler günümüzde hala kullanılabilmektedir. Fakat teknolojinin gelişimi ile birlikte yüksek bant genişliğine sahip yarı iletkenler de ortaya çıkmıştır. Maliyet, verimlilik, güvenilirlik ve boyut gibi kısaslar değerlendirildiğinde silisyum karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) tabanlı yarı iletkenler ön plana çıkmaktadır. Bu parametrelerin yanı sıra parazitik etkilerinin daha düşük olması sebebiyle açma ve kapama sürelerinin daha hızlı olması ve yüksek gerilim dayanımlarının daha iyi olması sebebiyle gelişen havacılık sektöründe kullanımı tercih edilmektedir. Kısacası daha güvenilir bir sistem, yüksek bant genişlikli yarı iletkenlerin yüksek gerilim, sıcaklık ve kısa devre dayanım özellikleriyle birlikte elde edilebilmektedir. KHGK sisteminin kısa devre anındaki tepki süresi sistemin güvenilirliği açısında çok önemlidir. Bu sebeple, bu tezin ana yaklaşımı kısa devre anında sistemin tepkisini değerlendirmektir. Farklı yarı iletkenler karşılaştırılarak en hızlı cevap veren anahtar belirlenmiştir. Ayrıca sisteme farklı koruma yapıları kurgulanarak güvenilirliğin artırılması hedeflenmiştir. Sadece koruma yapılarına odaklanılmamış aynı zamanda yükün ve kontrol biriminin durumu ile alakalı da bilgi sağlayacak sistemler geliştirilmiştir. Bu çalışmada kısa devre akımlarına karşı en hızlı tepkiyi veren GaN yarı iletkeni, detaylı bir şekilde gerçekçi bir benzetim ortamında irdelenmiş ve önerilmiştir. Farklı yarı iletkenlerin tepki süresini ölçmek için izoleli bir kapı sürücü entegresi ile birlikte farklı senaryolar üzerine kurulu benzetimler gerçekleştirilmiştir. Farklı harici kapı dirençleri ile birlikte en ideal izole etme tepkisi değerlendirilmiş ve benzetimler sonucunda önerildiği üzere en iyi tepki süresi GaN yarı iletken için elde edilmiştir. Benzetimlerin doğruluğunu teyit etmek amacıyla kapatma süresi için yarı iletkenin teknik dokümantasyonunda yer alan toplam kapı yükü ile birlikte simülasyondan hesaplanan toplam kapı yükü karşılaştırılmış ve birbirine yakın olduğu ispat edilmiştir. Çalışmada toplam kapı yükü yerine parazitik kapasitörler üzerinden hesaplama yapılabileceği fakat Miller Etkisi sebebiyle yarı iletkenin CGD (Miller Kapasitörü) değerinin hesaplamayı zorlaştırdığı açıklanmıştır. Bu sebeple, teknik dokümanda yer alan teknik bilgilerle simülasyon sonuçları toplam kapı yükü üzerinden doğrulanmıştır. Yarı iletken anahtar seçimi önemli bir nokta olsa da sistemin tümleşik olarak çalışması için yapılan ölçüm ve koruma yapıları da bir o kadar önemlidir. Sıcaklık ve akım ölçümleri ile alakalı yöntemlerin karşılaştırılması yapılmış ve aralarından çalışmaya en uygun yöntem seçilmiştir. Bunun dışında yüksek ve düşük gerilim koruma sinyallerinin üretilmesi için analog tasarım gerçekleştirilmiştir. KHGK yapısının temel yapı taşı olan kısa devre koruması ve aşırı yüklenme durumunda amper-kare saniye (i2t) yapısı analog olarak tasarlanmıştır. Yarı iletkenin kontrolü için gerekli olan son koruma sinyali de sıcaklık koruması için gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık koruması yarı iletkenin iletim durumundaki direnç değerinden kestirim yapılarak analog bir tasarım ile gerçekleştirilmiştir. Korumaların her birinin (toplamda 5 adet) hesaplanan değerlerde koruma sinyali oluşturduğu ve yarı iletkeni kesime alarak sisteme koruma sağladığı ortaya konulmuştur. Kararsız durumların engellenmesi adına sistemde ardışık 4 adet arıza gelmesi durumunda kontrol yapısı hata konumunda kalacak şekilde tasarlanmıştır. Bu durumda sistem, hatanın temizlenmesi için dışarıdan harici bir yeniden başlatma sinyali ile tekrar devreye alınabilecek şekilde tasarlanmıştır. Sistemin kapasitif yükleri de besleyebilme ihtimaline karşı tasarımda ön şarj yöntemi kullanılmıştır. Ön şarj yöntemi dışarıdan verilen ilk açma komutu ile devreye girmekte ve gerekli koşulların oluşması durumunda ana yarı iletkeni açacak şekilde komut sağlamaktadır. Ön şarj tasarımında, önceden belirlenmiş bir süre aralığı içerisinde, koşulların yerine getirmesi durumunda ön şarj hattı kapatılmakta ve iletim, ana yarı iletken üzerinden sağlanılmaktadır. Belirlenmiş süre içerisinde ön şarj işleminin tamamlanamaması durumunda sistem kendini kesim konumunda kilitleyecek şekilde tasarlanmıştır. Bu durumda yeniden başlatma amacıyla dışarıdan sisteme bir sinyal uygulanması gerekmektedir. Koruma yapılarının yanı sıra yarı iletken sürücü hata ve yarı iletken anahtar durum sinyalleri üretilerek durumsal farkındalık arttırılmaya çalışılmıştır. Ayrıca sistem, dışarıdan sağlanan açma-kapama sinyali ile birlikte yük anahtarlama görevini de gerçekleştirebilecek şekilde tasarlanmıştır. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında GaN yarı iletkenin hızlı tepki süresi, sıcaklık ve gerilim dayanımları sebepleri ile havacılık alanında KHGK sistemlerinde kullanılabileceği ve koruma yapıları ile alakalı yeni bir bakış açısı getirilebileceği gösterilmiş ve katkılar sağlanmıştır. Günümüzde havacılık sektöründe KHGK sistemleri kullanılmaktadır. Ancak tam bir olgunluğa ulaşmamıştır. Daha çok faydalı yüklerde kullanılan KHGK sistemleri uzaktan kontrol edilebilirliği ve kabiliyetleri ile ön plana çıkmaktadır. Daha güvenilir yarı iletkenler ile birlikte KHGK sistemlerinin uçuş kritik sistemlerde de kullanılması öngörülmektedir. GaN yarı iletkenler ile birlikte sıcaklık ve tepki sürelerinin iyileşme güvenilirliği arttıracağından havacılık sektöründe GaN yarı iletkenlerin kullanımını güçlü kılmaktadır. Bu çalışmada gerçekleştirilen ve benzetim ortamında başarımı tespit edilen tasarımın, uygun donanımlarla gerçeklendiğinde ve test sonuçları ile birlikte doğrulandığında havacılık sektöründe kullanımının mümkün olduğu gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Electrical systems have gradually replaced mechanical ones ever since electricity was invented. The primary reasons for the fast increase in the utilization of electrical systems may be attributed to the growing global population and the better accessibility to technology. Rising power consumption due to population growth and more access to technology has led to higher CO2 emissions. Environmentally friendly technology is becoming more important in the aerospace industry as it continued to expand and develop. The development of new forms of electrical power systems enables the aerospace industry to achieve systems that are efficient, have a high energy density, and are lightweight. In this regard, making the aerospace sector more environmentally friendly is the purpose of energy efficiency management. The More Electric Aircraft (MEA) concept is the most well-known idea in next-generation aircraft electrical power systems. In contrast to traditional aircraft, MEA uses electrical technologies that are remotely controlled in place of mechanical, pneumatic, and hydraulic systems. In addition to improving energy efficiency and creating a more environmentally friendly system, electrical systems can replace these large, heavy, and maintenance-intensive systems. Both military and commercial applications make use of MEA. Next-generation electrical power systems will inevitably be used in autonomous systems since each new feature raises the amount of electrical power consumption. The aim of next-generation electrical power designs is to maximize energy efficiency in light of rising electrical power consumption values. In this sense, electrical wiring is replacing large mechanical systems found throughout the aircraft. The voltage levels of the sources supplying the aircraft must therefore rise in parallel with the next-generation electrical power systems' growing power demand. Changing power demand is making traditional circuit breakers and protection devices insufficient. While thermal and magnetic circuit breakers have been able to keep up with technological developments, high-voltage switching has suffered as a result of rising power consumption and matching voltage level growth. High-voltage electrical loads also possess capacitive effects, so the switching lifetime of these devices has been found to be impractical. Semiconductors have been used in smart switching systems meant to solve this problem. Still in use now, this technology is known as the Solid-State Power Controller (SSPC). The semiconductors that perform the switching operation are the primary components of the SSPC. Silicon (Si)-based semiconductors are the most popular among these and are still in use. Nevertheless, wide bandgap semiconductors have also been developed as a result of technological advancements. When cost, efficiency, reliability, and compactness are all considered, silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) based semiconductors gain attention. Apart from these parameters, they are also better at high voltage withstand, have faster switching times, and have less parasitic effects; hence, they are a common choice in the rapidly expanding aerospace industry. In summary, a more stable system is realizable with the high voltage, temperature, and short-circuit endurance features of wide bandgap semiconductors. Reliability of the SSPC depends on its response time during a short circuit. Hence, the main purpose of this thesis is to analyze the response time of the system under a short-circuit condition. Different semiconductors were compared to identify the switch able to isolate the system fastest. The focus was not just on protection mechanisms but also on providing data about the condition of the load and the control unit. In this study, it is suggested to employ GaN semiconductors, which respond fastest to short-circuit events. Different semiconductors' response times were compared by means of simulations employing an isolated gate driver integrated circuit (IC). The total gate charge from the semiconductor's datasheet was matched with the total gate charge calculated from the simulation results, therefore verifying the accuracy of the simulations in close harmony with real-world values. In this study, it was clarified that turn-on and turn-off time calculations could possibly be performed using parasitic capacitances rather than the total gate charge. Still, the Miller Effect causes the CGD (Miller Capacitor) value of the semiconductor to complicate the calculation. This is why the simulation results were validated against technical data using the total gate charge in the datasheet. In this study, the measurement and protection structures designed for system operation are equally important even though choice of the semiconductor switch is also significant. Over and under voltage protection signals also were provided using an analog design. Expressed by the ampere-square-second (i²t) structure, the core of the SSPC, the short-circuit and overload protections were designed in analog form. Temperature protection was the last protection signal needed to prevent the semiconductor. Analog design based on semiconductor resistance value during on-state realized temperature protection. It has been proven that each of the five protection systems reliably generated protection signals and successfully protected the system. The system is designed to remain in a fault state following four consecutive faults in order to prevent unstable conditions. Under this situation, the system is designed to be reactivated by an external reset signal. A pre-charge system was included into the design to meet the possible requirement to run capacitive loads. The turn-on command activates the pre-charge line, which then turn-on the main semiconductor once the required conditions are satisfied. If the predefined criteria are met within a predefined time interval, the pre-charge line is turned off and conduction is directed through the main semiconductor. If the pre-charge process cannot be completed within the predefined time, the system is designed to lock itself in the turned-off state. Under such circumstances, the system needs an external signal to turn on once more. Though SSPCs have not yet reached full capability, SSPCs are used in the aerospace industry nowadays. Mostly employed in payload applications, SSPC systems are recognized for their remote controllability and sophisticated features. More reliable semiconductors are expected to be used in SSPCs also in flight-critical systems. The reliability of GaN semiconductors is much enhanced by their advances in steady-state temperature and response times. The design proposed in this study could be used in the aerospace industry provided suitable hardware is used and tested thorough validation. Thus, this study aims to contribute to the development of electrical power systems in the aerospace industry.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    868607

    Rational design and applications of advanced functional polymer gels

    İleri fonksiyonel polimer jellerin rasyonel tasarımı ve uygulamaları

    MERTCAN ER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN

  2. Tez No

    904259

    Mimarlıkta döngüsel tasarım yaklaşımı: Karar verme mekanizmaları için kavramsal bir çerçeve

    Advancing circular design in architecture: A framework for decision-making mechanisms

    AYŞE CEYLİN CEYDA HÜNDAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MERYEM BİRGÜL ÇOLAKOĞLU

  3. Tez No

    828800

    Mimari formun evrim anlatısı: Canlı form hali

    The evolution narrative of architectural form: The state of vital form

    BETÜL UÇKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. PELİN DURSUN ÇEBİ

    PROF. DR. FATMA AHSEN ÖZSOY

  4. Tez No

    964430

    Dişli sistemlerinde çelik malzemelerin eşlenik çalışma performansının artırılmasına yönelik çeşitli kaplama yöntemlerinin belirlenmesi ve performans analizi

    Determination and performance analysis of various coating methods to enhance the conjugate working performance of steel materials in gear systems

    FEYZA HİLAL SAĞLAM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. MEHMET FIRAT

  5. Tez No

    940970

    Serbest yüzeyli türbülanslı akışlarda bot ve benzeri katı cisimlere etkiyen dinamik yüklerin analizi ve tayini

    Analysis and determination of dynamic loads affecting boats and similar solid objects in free surface turbulent flows

    CEMAL HASAN CAN AKSOY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Deniz Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDİ KÜKNER

Geri Dön