Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 931441
  2. Yazar: BERKAY KEZİBAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT YILMAZ
  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: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 155

Özet

Elektrikli araçlar, sürdürülebilir bir geleceğin temel taşlarından biridir ve giderek artan bir önem kazanmaktadır. İçten yanmalı motorlu araçlara kıyasla daha düşük karbon emisyonu üreterek çevre dostu bir alternatif sunarlar. Bunun yanı sıra, enerji verimlilikleri ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla entegre edilebilme özellikleri, enerji bağımlılığını azaltmada önemli bir rol oynar. Elektrikli araçlar, şehirlerde hava kirliliğini azaltarak halk sağlığını iyileştirir ve sessiz çalışmalarıyla gürültü kirliliğini en aza indirir. Aynı zamanda, çevresel sürdürülebilirliği teşvik etmek amacıyla hükümetler tarafından sağlanan teşvikler, vergi indirimleri ve emisyon standartları gibi yasal düzenlemeler, elektrikli araçlara yönelimi artırmaktadır. Elektrikli araçlar, temel olarak elektrik motoru, batarya paketi, çekiş sistemi eviricisi, enerji yönetim sistemi ve şarj altyapısı bileşenlerinden oluşur. Elektrik motoru, aracın hareketini sağlarken yüksek verimlilik ve anlık olarak gerekli momenti sağlamakla görevlidir. Batarya paketi, aracın enerji depolama birimidir ve genellikle lityum-iyon teknolojisine dayanır. Bu bataryalar, yüksek enerji yoğunluğu ve uzun kullanım ömrü sunarak elektrikli araçların performansını belirler. Enerji yönetim sistemi, aracın elektrik akışını kontrol ederek maksimum verimlilik sağlar ve sistem güvenliğini korur. Şarj altyapısı ise hem hızlı hem de standart şarj seçenekleri sunarak kullanıcı deneyimini iyileştirir. Elektrikli araçların önemli bir bileşeni olan çekiş sistemi eviricileri, batarya tarafından sağlanan doğru akımı (DC), elektrik motorunun çalışması için gerekli olan alternatif akıma (AC) dönüştürür. Eviriciler, yalnızca enerji dönüşümünü sağlamakla kalmaz, aynı zamanda motorun hız ve moment kontrolünü optimize ederek aracın performansını artırır. Yüksek verim, düşük güç kaybı ve dayanıklılık, modern evirici tasarımlarının temel özellikleridir. Çekiş sistemi eviricileri kullanıldıkları uygulamalara göre farklı gerilim seviyelerinde olabilmektedir. Düşük gerilim çekiş sistemi eviricileri, genellikle düşük gerilimli batarya sistemleri kullanan uygulamalarda, örneğin hafif elektrikli araçlar (LEVs), elektrikli bisikletler (e-bikes) ve bazı hibrit veya plug-in hibrit elektrikli araçlarda (HEVs ve PHEVs) kullanılır. Bu eviriciler genellikle 48 V ile 100 V arasındaki batarya gerilimlerinde çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Düşük gerilim çekiş sistemi eviricileri, kullanıldıkları sisteme bağlı olarak genellikle 10 kW ile 60 kW arasında çıkış gücüne sahip olabilir. Düşük gerilimli bataryadan güç sağlamak için akım seviyeleri 200-600 A değerlerine ulaşabilir. Ancak, daha düşük gerilimlerde çalışmak, kullanıcılar ve bakım personeli için daha güvenlidir, çünkü ciddi elektrik çarpması riski önemli ölçüde azalır. Bu özellikleri ile düşük gerilim evirici sistemleri, yüksek gerilimli sistemlere kıyasla daha basit yalıtım ve koruyucu önlemler gerektiren güvenlik standartlarına sahip uygulamalar için oldukça uygundur. Düşük gerilim çekiş sistemi eviricilerinin bir diğer avantajı ise, daha düşük nominal gerilim değerlerine sahip yarı iletkenlerin kullanılabilmesi sayesinde daha kompakt bir tasarım sunulmasıdır. Bu sayede, daha küçük paketlere sahip ve tedarik edilmesi kolay komponentler seçilebilir. Düşük gerilim eviriciler kullanıldıkları uygulama alanlarına göre çok yüksek çıkış akımı isterlerine sahip olabilirler. Bu uygulamalarda standart akım değerlerine sahip yarı iletken anahtarıların kullanılması her zaman mümkün değildir. Bu nedenle, düşük gerilim yüksek akım isterlerine sahip eviricilerde, paralel bağlı MOSFET topolojisi sıklıkla kullanılmaktadır. MOSFET'lerin paralel bağlantısının ana amacı, eviricilerin çıkışına aktarabileceği akım kapasitesini artırmak ve dolayısıyla daha yüksek güçler elde etmektir. MOSFET'lerin paralel bağlanması, anahtar başına akan akımı azalttığı için MOSFET'ler üzerindeki stresi ek olarak anahtarlama ve iletim kayıplarını düşürür ve böylece yarı iletken anahtarlar daha uzun süreler güvenilir bir şekilde kullanılabilmektedir. Bu avantajlara ek olarak, MOSFET'ler arasındaki akımın eşit paylaşılması, yüksek güç yoğunluğu ve kompakt tasarımlarda eviricilerin termal yönetimini daha kolay hale getirir. İdeal koşullar altında, MOSFET'lerin paralel bağlantısı, yük akımını MOSFET'ler arasında dengeli bir şekilde dağıtmalıdır. Ancak, bir devre tasarlandığında akım paylaşımı birçok parametreden dolayı bozulabilir. Bu parametrelerden bazıları baskı devre kartı (PCB) üzerindeki yollardan kaynaklı endüktanslar, komponentlerin yerleşiminden kaynaklanan parasitik faktörler ve MOSFET'lerin üretim süreçlerinden kaynaklanan parametre toleranslarıdır. Akım paylaşımını olumsuz etkileyen bu parametrelerin etkisini azaltmak için, kapı sürücü devresinin tasarımı, baskı devre kartının tasarımı ve komponentlerin yerleşimi çok önemlidir. Ancak her ne kadar bu etmenlere dikkat edilse de aktif veya pasif bir dengeleme yöntemi kullanılmadan MOSFET'lerin akım paylaşımını eşit hale getirmek mümkün değildir. Bu tez kapsamında, düşük gerilim evirici uygulamalarında kullanılan paralel bağlı MOSFET'lerin akım paylaşımını dengelemek için bir aktif kapı sürme devresi yöntemi önerilmiştir. Çalışmada ilk olarak detaylı bir literatür araştırması yapılarak paralel bağlı MOSFET'lerin akım paylaşımlarını iyileştirmek için yapılan çalışmalar incelenmiştir. Daha sonra evirici yapısı, düşük gerilim eviricilerin önemi ve kullanım alanları aktarılmıştır. Evirici tasarımında en önemli adımlardan biri kullanılacak yarı iletken anahtarın seçimidir. Bu doğrultuda evirici yapılarında kullanılan yarı iletken anahtarlar karşılaştırmalı olarak verilerek düşük gerilim uygulamalarında yaygın olarak kullanılmakta olan Si MOSFET'ler detaylandırılmıştır. Çalışmanın ana konularından biri olan kapı sürme devreleri ayrı bir bölüm olarak aktarılmıştır. Bu bölümde MOSFET'lerin anahtarlama karakteristikleri, yaygın olarak kullanılan kapı sürme devresi topolojileri, kapı sürme devrelerinde koruma yöntemleri ve son olarak aktif kapı sürme devreleri incelenmiştir. Aktif kapı sürme devreleri bir geribesleme sistemine göre kapı sürme parametrelerini dinamik olarak kontrol eden devrelerdir. Aktif kapı sürme devreleri genellikle geribesleme olarak gerilim, akım ve sıcaklık ölçümlerini kullanmaktadır. Kontrol edilen parametre ise genellikle kapı sürme direnci, sabit kapı sürme akımı ve kapı sürme gerilimidir. Tez kapsamında, paralel bağlı MOSFET'lerin akım paylaşımını doğru analiz edebilmek için LTspice yazılımında benzetim çalışmaları yapılmıştır. Bu benzetim çalışmalarında MOSFET'lerin akım paylaşımına etki eden iletim direnci RDS(on), kapı eşik gerilimi VGS(th), kapı giriş yükü QG, ve parazitik endüktanslar incelenmiştir. Her bir parametre için benzetim çalışmaları ayrı ayrı hazırlanarak akım paylaşımı üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. MOSFET'lerin akım paylaşımına etki eden parametreler anlaşıldıktan sonra bir sonraki bölümde MOSFET'lerin akım paylaşımını dengelemek için bir aktif kapı sürme devresi önerilmiştir. Önerilen aktif kapı sürme devresi akım ve sıcaklık geribeslemeleri ile kapı sürme gerilimini dinamik olarak kontrol etmektedir. Bu sayede üzerinden fazla akım geçen veya diğer MOSFET'lere göre daha fazla ısınan MOSFET tespit edilebilecek ve kapı sürme gerilimi düşürülerek üzerinden akan akım azaltılacaktır. Kurulan algoritma iki paralel bağlı MOSFET ile test edilmiştir. Algoritmada kapı sürme geriliminin düşürülmesi için akım paylaşımı arasındaki dengesizlik %20 seviyesinde olmalıdır veya MOSFET'lerin ölçülen kılıf sıcaklıkları arasındaki fark 15ºC seviyesine ulaşmalıdır. Önerilen yöntem LTspice ortamında bir benzetim çalışması yapılarak doğrulanmıştır. Simülasyonda üzerinden fazla akım geçen MOSFET'in kapı sürme gerilimi düşürüldüğünde akım paylaşımının dengelendiği görülmüştür. Önerilen yöntem simülasyonlar ile doğrulandıktan sonra deneysel çalışmaların yürütülebilmesi için bir test PCB'si tasarlanmıştır. Tasarlanan devrede akım geribeslemesi şönt direnç üzerinden alınmıştır. Sıcaklık geribeslemesi ise MOSFET'lerin kılıflarının yanına yerleştirilen NTC termistörler ile sağlanmıştır. Tasarlanan test devresinde MOSFET'lerin kapı sürme gerilimi beslemesini sağlamak için gerilim regülatörleri kullanılmıştır. Gerilim regülatörlerinin çıkış gerilimleri çıkışlarında kullanılan geribesleme dirençlerinin değerleri ile ayarlanmaktadır. Önerilen devrede bu geribesleme dirençleri lojik transistörler ile kontrolör tarafından kontrol edilerek MOSFET'lerin kapı sürme gerilimleri alınan akım ve sıcaklık geribeslemesine göre dinamik olarak kontrol edilebilmektedir. Sistemde kontrolör olarak Raspberry Pi kullanılmıştır. Tasarlanan test devresi çift darbe testi kullanılarak laboratuvar ortamında test edilmiştir. Yürütülen testte ilk olarak algoritma devrede değilken MOSFET'lerin akım paylaşımları incelenmiş daha sonra algoritma devreye sokularak akım paylaşımlarındaki değişim gözlemlenmiştir. Elde eldilen deneysel sonuçlar benzetim sonuçları ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Deneysel sonuçlarda görüldüğü üzere algoritma devrede değil iken %18 seviyelerinde olan akım dengesizliği algoritma devreye girdiğinde %3 seviyelerine düşürülmüştür.

Özet (Çeviri)

Electric vehicles are one of the cornerstones of a sustainable future and are gaining increasing importance. Compared to internal combustion engine vehicles, they offer an environmentally friendly alternative by producing lower carbon emissions. Additionally, their energy efficiency and ability to integrate with renewable energy sources play a important role in reducing energy dependency. At the same time, government incentives, tax reductions, and regulatory measures such as emission standards, introduced to promote environmental sustainability, are increasing the shift toward electric vehicles. Electric vehicles are composed of key components such as an electric motor, battery pack, energy management system, traction inverter, and charging infrastructure. The electric motor drives the vehicle with high efficiency and necessary torque, while the lithium-ion battery pack stores energy and defines performance with its high energy density and durability. The energy management system ensures efficiency and safety, and the charging infrastructure provides convenient fast and standard charging options. Traction inverters, a key component of electric vehicles, convert the direct current (DC) provided by the battery into alternating current (AC) required for the operation of the electric motor. Traction inverters not only provide energy conversion, but also optimize the speed and torque control of the motor, improving the vehicle's performance. High efficiency, low power loss and durability are key features of modern inverter designs. Traction inverters can be designed in different voltage levels depending on the application they are used in. Low voltage traction inverters are typically used in applications that use low voltage battery systems, such as light electric vehicles (LEVs), electric bicycles (e-bikes), and some hybrid or plug-in hybrid electric vehicles (HEVs and PHEVs). These inverters are generally designed to operate on battery voltages between 48 V and 100 V. Low voltage traction system inverters can typically have output power between 10 kW and 60 kW, depending on the system they are used in. Current levels can reach 200-600 A to provide such power from the low voltage battery. One of the main advantages of low voltage traction system inverters is the possibility of using semiconductors with lower nominal voltages, allowing for a more compact design. This allows for components with smaller packages and easier supply. Low voltage inverters may have very high output current requirements depending on the application areas they are used in. It is not always possible to use semiconductor switches with standard current ratings in these applications. Therefore, in inverters with low voltage and high current requirements, the parallel connected MOSFET topology is frequently used. The main purpose of parallel connection of MOSFETs is to increase the current capacity that the inverter can transfer to its output and thus to obtain higher powers. Since the parallel connection of MOSFETs reduces the current flowing per switch, it also reduces the stress on the MOSFETs and switching and conduction losses, and thus semiconductor switches can be used reliably for longer periods. Under ideal conditions, when MOSFETs are connected in parallel, the load current should be shared evenly between the MOSFETs. However, when a circuit is designed, current sharing can be disrupted by many parameters. Some of these parameters are inductances originating from the paths on the printed circuit board (PCB), parasitic factors originating from the placement of the components, and parameter tolerances originating from the manufacturing processes of the MOSFETs. In order to reduce the effects of these parameters that negatively affect current sharing, the design of the gate drive circuit, the design of the printed circuit board, and the placement of the components are very important. However, even if these factors are taken into consideration, it is not possible to equalize the current sharing of the MOSFETs without using an active or passive balancing method. In this thesis, an active gate driver circuit method is proposed to balance the current sharing of parallel connected MOSFETs used in low voltage inverter applications. In the study, firstly, detailed literature research is conducted and the studies carried out to improve the current sharing of parallel connected MOSFETs are examined. Then, the inverter structure, the importance of low voltage inverters and their areas of use are explained. One of the most important steps in inverter design is the selection of the semiconductor switch to be used. In this direction, the semiconductor switches used in inverter structures are given comparatively and Si MOSFETs, which are widely used in low voltage applications, are detailed. One of the main topics of the study, gate drive circuits, is presented as a separate section. In this section, the switching characteristics of MOSFETs, commonly used gate drive circuit topologies, protection methods in gate drive circuits and finally active gate drive circuits are examined. Active gate drive circuits are circuits that dynamically control gate drive parameters according to a feedback system. Active gate drive circuits generally use voltage, current and temperature measurements as feedback. The controlled parameters are usually gate drive resistance, gate drive current and gate drive voltage. Within the scope of the thesis, simulation studies are carried out in LTspice software in order to correctly analyze the current sharing of parallel connected MOSFETs. In these simulation studies, the on-resistance RDS(on), gate threshold voltage VGS(th), gate charge QG, and parasitic inductances affecting the current sharing of MOSFETs are examined. Simulation studies are prepared separately for each parameter and their effects on current sharing are analyzed. After understanding the parameters affecting the current sharing of MOSFETs, an active gate driver circuit is proposed to balance the current sharing of MOSFETs. The proposed active gate driver circuit dynamically controls the gate drive voltage with current and temperature feedback. Thus, the MOSFET that has more current flowing through it or has more case temperature than other MOSFETs can be detected and the current flowing through it will be reduced by decreasing the gate driver voltage. The proposed algorithm has been tested with two parallel connected MOSFETs. In order to reduce the gate driver voltage in the algorithm, the imbalance between the current sharing should be at the level of 20% or the difference between the measured case temperatures of the MOSFETs should reach the level of 15ºC. The proposed method has been verified by performing a simulation study in the LTspice environment. After the proposed method is verified with simulations, a test PCB is designed to conduct experimental studies. The designed test circuit is tested in a laboratory environment using a double-pulse test. In the conducted test, first the current sharing of the MOSFETs is examined when the algorithm is not active, then the algorithm is activated and the change in current sharing is observed. The experimental results obtained are given in comparison with the simulation results. As seen in the experimental results, the current imbalance, which is around 18% when the algorithm is not activated, is reduced to 3% when the algorithm is activated.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    835962

    Yüksek güçlü IGBT'ler için kapı sürme devresi

    Gate drive circuit for high power IGBTs

    OSMAN TANRIVERDİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM

  2. Tez No

    683170

    Yüksek verimli 22kW iki anahtarlı alçaltıcı-yükseltici çevirici tasarımı

    Design of 22kW two switch buck boost converter with high efficiency

    ABDULLAH KARAÇOBAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM

  3. Tez No

    928413

    Design of an inverter-based variable gain amplifier for PAM-4 optical receivers

    PAM-4 optik alıcılar için evirici tabanlı kazancı ayarlanabilen kuvvetlendirici tasarımı

    HALİL KIRĞIL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN

  4. Tez No

    723015

    Silisyum karbür mosfet'ler için kontrollü aktif kapı sürücü tasarımı

    Controlled active gate driver design for silicon carbide mosfets

    OZAN GÜNEY DÜŞMEZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DİNÇER GÖKCEN

  5. Tez No

    888661

    Digital desing and implementation of general purpose control and communication modules for active shield

    Aktif kalkan için genel amaçlı kontrol ve haberleşme modüllerinin sayısal tasarımı ve uygulanması

    ÖMER FARUK BİRGÜL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN

Geri Dön