Silisyum karbür güç anahtarları için kapı sürücü besleme kaynaklarının incelenmesi
Investigation of gate driver power supplies for silicon carbide power switches
- Tez No: 962321
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET FARUK BAKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 88
Özet
Günümüzde gelişimini sürdüren silisyum karbür (SiC) tabanlı güç anahtarları yüksek anahtarlama hızları, yüksek gerilim dayanımları ve üstün termal performansları ile modern güç elektroniği uygulamalarında ön plana çıkmaktadır. Özellikle 10 kV gerilim dayanımına sahip üçüncü nesil SiC güç anahtarlarının geliştirilmesiyle birlikte, bu teknolojilere uygun kapı sürücü devreleri ve kapı sürücü besleme kaynakları (Gate Driver Power Supply – GDPS) üzerine yapılan araştırmalar da giderek artmaktadır. SiC güç anahtarlarının yüksek performanslı ve güvenli bir şekilde kullanılabilmesi için uygun GDPS tasarımı kritik bir rol oynamaktadır. Bu tez çalışmasında, silisyum karbür güç anahtarları için kullanılan GDPS yapılarıyla ilgili kapsamlı bir literatür taraması gerçekleştirilmiş ve temel tasarım kriterleri analiz edilerek sunulmuştur. Bu kriterler izolasyon gerilimi dayanımı, çıkış gerilimi ve simetrisi, çıkış gücü, sargılar arası kapasite değeri, elektromanyetik gürültü bağışıklığı (EMI/EMC), verim, dinamik tepki süresi, kompakt yapı, koruma fonksiyonları ve kullanılan topolojiler şeklinde sınıflandırılmıştır. Ayrıca, özellikle 10 kV seviyesinde çalışan anahtarlarda kritik öneme sahip olan gerilim geçiş hızı (dv/dt) ve sarımlar arası kapasite değerinin GDPS üzerindeki etkileri vurgulanmıştır. Bu kapsamda, flyback topolojili bir GDPS referans alınarak push-pull topolojili bir GDPS tasarımı gerçekleştirilmiştir. Referans olarak Würth Elektronik firmasına ait, 12 V nominal giriş gerilimi ile çalışan, +15 V ve -4 V çıkış sağlayabilen, 6 W güce sahip flyback topolojili bir GDPS tasarımı esas alınmıştır. Geliştirilen push-pull topolojili GDPS devresinde Analog Devices firmasına ait LT3999 entegresi ile Würth Elektronik'in 750314781 parça kodlu transformatörü kullanılmıştır. Söz konusu transformatör +15 V ve -15 V çıkış sağlayabildiği için, LT3090 kodlu lineer regülatör ile -15 V'tan -4 V çıkış elde edilmiştir. Tasarım, 6 W çıkış gücünü yaklaşık 1 MHz anahtarlama frekansında sağlayabilmektedir. Yapılan test ve analizler sonucunda, kullanılan transformatörün izolasyon dayanımı ve sargılar arası kapasite değeri açısından flyback topolojili GDPS'ye kıyasla daha düşük performans sergilediği tespit edilmiştir. Bu nedenle, push-pull topolojili GDPS için özel bir transformatör tasarımının gerekliliği ortaya konulmuştur. Düşük gerilim, aşırı gerilim ve aşırı akım koruma fonksiyonları her iki tasarımda da mevcut olup, flyback topolojisinde kullanılan LT8302 entegresi güvenli kapatma işlevi de sağlayabilmektedir. Push-pull topolojili GDPS tasarımında %82,9 verim elde edilmiştir. Bu değer flyback topolojisine göre %1,9 daha yüksektir. Ayrıca, yapılan tasarımda %14,3 PCB alanı ve %11,3 yükseklik kazanımı elde edilerek kompaktlık açısından önemli bir avantaj sağlanmıştır. Sonuç olarak bu tez çalışmasında silisyum karbür güç anahtarları için GDPS tasarımı detaylı şekilde analiz edilmiştir. Önemli tasarım kriterleri belirlenmiştir. Gerçekleştirilen uygulama ile bu kriterler karşılaştırmalı olarak incelenmiş ve donanım tasarım mühendislerine faydalı olacak çıktılar elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Nowadays, silicon carbide (SiC)-based power switches, which continue to evolve, stand out in modern power electronics applications with their high switching speeds, high voltage withstand capabilities, and superior thermal performance. Especially with the development of third-generation SiC power switches that have a voltage withstand capability of 10 kV, research on gate driver circuits and gate driver power supplies (GDPS) suitable for these technologies is increasingly growing. In order to use SiC power switches in a high-performance and safe manner, the proper design of the GDPS plays a critical role. In this thesis study, a comprehensive literature review has been conducted regarding GDPS structures used for silicon carbide power switches, and the fundamental design criteria have been analyzed and presented. These criteria are classified as isolation voltage withstand capability, output voltage and its symmetry, output power, inter-winding capacitance value, electromagnetic noise immunity (EMI/EMC), efficiency, dynamic response time, compact structure, protection functions, and the topologies used. Furthermore, the effects of the voltage transition rate (dv/dt) and the inter-winding capacitance value, which are critically important especially in switches operating at the 10 kV level, on the GDPS have been emphasized. Within this context, a GDPS design with push-pull topology has been implemented based on a reference flyback topology. As a reference, a GDPS design by Würth Elektronik, operating with a nominal input voltage of 12 V, capable of providing +15 V and -4 V output, and having 6 W of power in a flyback topology, has been taken as a basis. In the developed push-pull topology GDPS circuit, the LT3999 integrated circuit from Analog Devices and the transformer with part number 750314781 from Würth Elektronik have been used. Since the mentioned transformer can provide +15 V and -15 V output, a -4 V output has been obtained from -15 V using the linear regulator with code LT3090. The design is capable of delivering 6 W output power at an approximate switching frequency of 1 MHz. As a result of the tests and analyses, it has been determined that the transformer used in the design exhibits lower performance compared to the flyback topology GDPS in terms of isolation withstand capability and inter-winding capacitance value. Therefore, the necessity of a specially designed transformer for the push-pull topology GDPS has been revealed. Low voltage, overvoltage, and overcurrent protection functions exist in both designs, and the LT8302 integrated circuit used in the flyback topology is also capable of providing a safe shutdown function. An efficiency of 82.9% has been achieved in the push-pull topology GDPS design. This value is 1.9% higher compared to the flyback topology. Moreover, a gain of 14.3% in PCB area and 11.3% in height has been achieved in the design, providing a significant advantage in terms of compactness. As a result, in this thesis study, the GDPS design for silicon carbide power switches has been analyzed in detail. Important design criteria have been identified. With the implementation carried out, these criteria have been examined comparatively, and outputs that will be beneficial to hardware design engineers have been obtained.
Benzer Tezler
- 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
ÖMER SOLAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Silisyum karbür yarıiletken güç elemanları için aktif kapı sürücü devrelerinin incelenmesi
Investigation of active gate drive circuits for silicon carbide semiconductor power devices
EMİN ASIM YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET FARUK BAKAN
- 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
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DİNÇER GÖKCEN
- Contributions to short-circuit protection of electric vehicle battery systems by implementing SiC switches
SiC anahtar uygulaması ile elektrikli araç batarya sistemlerinin kısa devre korumasına katkılar
MURAT KUBİLAY ÖZGÜÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- 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