Silisyum karbür mosfet'ler için kontrollü aktif kapı sürücü tasarımı
Controlled active gate driver design for silicon carbide mosfets
Yazar: OZAN GÜNEY DÜŞMEZER
Danışman: DOÇ. DR. DİNÇER GÖKCEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kısa devre = Short circuit ; Tümleşik devreler = Integrated circuits ; Yarı iletkenler = Semiconductors ; Yüksek gerilim sistemleri = High voltage systems

Özet:
Bu tez çalışmasında SiC MOSFET'in güç elektroniği uygulamalarında kullanımı sırasında malzeme özelliklerinden dolayı sistem üzerinde oluşturduğu EMG, gerilim aşımı ve akım/gerilim üzerinde görülen osilasyonların, ısıl gereksinimler dikkate alınarak çözümüne yönelik kapı sürücü tasarım tekniği kapsamında yer alan aktif sürüş konsepti üzerine bir yaklaşım sunulmuştur. SiC MOSFET'in frekansının, hızının, ısıl iletkenliğinin yüksek oluşu ve küçük paket yapısı, anahtarlama sırasında parazitik indüktans ve kapasitansların olumsuz etkisiyle veriminin düşmesine sebep olur. Bu durum, devre tasarımında meydana gelen parazitiklerin etkisinin artmasına ve buna bağlı olarak elektromanyetik kirlilik artışına yol açar. Parazitiklerin optimize edilemediği tasarımlarda da transistörün kırılımına varıncaya kadar kötü sonuçlar oluşur.
SiC MOSFET kullanım zorluklarının çözümüne yönelik tasarlanan aktif kapı sürücü baskı devre kartı sayesinde teknik çözüm gerçekleştirilmiş olup, düşük dirençle sürüşe göre ihmal edilebilir anahtarlama kaybı artışıyla deneysel çalışmalarda verimli sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca belirtilen parazitik indüktans ve kapasitansların olumsuz etkisine yönelik hızlı, etkin kısa devre ve yüksek gerilim koruması ihtiyacı oluşmaktadır.
ii
Desaturasyon ve aktif kırpıcı koruma tekniklerine SiC MOSFET özelinde sistematik bir yaklaşımla tasarım gerçekleştirilmiştir. Kısa devre koruması için kısa sürede aktifleşebilen, yüksek gerilim koruması için ise uygulama özelinde verimi artıracak konsept tasarımlar sunulmuş ve deneysel çalışmalarla etkinliği gösterilmiştir. Aktif kapı sürücünün kapı akımı kontrolünü sağlayan karşılaştırıcı bölümleri için ise sistematik olarak CMOS tasarımı oluşturulmuştur. Aktif kapı sürücü kartında ilerleyen süreçte kullanımı amaçlanan CMOS tasarımın tez içerisinde simülasyonu ve serimi gerçekleştirilmiştir. Tüm tez kapsamında, SiC MOSFET için aktif kapı sürücü konseptinin baskı devre kart (BDK) tasarımına, kısa devre ve yüksek gerilim koruma yapı tasarımlarına ve aynı zamanda aktif sürücü konseptinin kapı akımı kontrol bölümünün oluşturulduğu CMOS tabanlı uygulamaya özel entegre devre (ASIC) tasarımına yer verilmiştir.

Abstract:
In this thesis, an approach is presented on the active driving concept as a gate driver design technique to provide solutions for EMI, overvoltage overshoot, oscillations on current/voltage, considering the thermal requirements that occur in the system due to material properties during the use of SiC MOSFET in power electronics applications. The high frequency, speed, thermal conductivity, and small package structure of SiC MOSFET cause a decrease in efficiency due to the adverse effects of parasitic inductances and capacitances during switching transient. This situation leads to an increase in the effect of parasitics occuring in the circuit design and, accordingly, an increase in electromagnetic pollution. In designs where parasitics can not be optimized, it may appear with adverse results, up to the breakdown of the transistor.
The technical solution has been presented thanks to the active gate driver printed circuit board designed to solve the SiC MOSFET usage difficulties, and efficient results have been obtained in experimental studies with negligible switching loss increase compared to driving with low gate resistance. In addition, there is a need for fast and effective short circuit and high voltage protection against the negative effects of the specified parasitic
iv
inductances and capacitances. Desaturation and active clamping protection techniques were designed with a systematic approach specific to SiC MOSFET. Concept designs that can be activated in a short time for short circuit protection and increase efficiency for high voltage protection are presented and their effectiveness has been demonstrated with experimental studies. A CMOS design has been systematically created for the comparator sections of the active gate driver that provide gate current control. The simulation and layout of the CMOS design, which is aimed to be used in the active gate driver printed circuit board (PCB) in the future, has been carried out within the scope of the thesis. In the thesis, the printed circuit board (PCB) design of the active gate driver concept for the SiC MOSFET, the design of the short circuit and high voltage protection structures, as well as the CMOS-based application specific integrated circuit (ASIC) design of the gate current control part of the active driver concept is created.