İki-seviyeli eviricilerde kullanılan yarı-iletken anahtarların güç kayıplarının analizi
Analysis of semiconductor power losses in two-level inverters
Yazar: OĞUZ TAHMAZ
Danışman: PROF. DR. ALİ BEKİR YILDIZ
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Eviriciler = Inverters ; Güç anahtarı = Power switch ; Güç kaybı = Power loss ; IGBT = IGBT ; Yarı iletkenler = Semiconductors

Özet:
İki-seviyeli eviriciler, güç elektroniğinin en çok ilgi duyulan konularından birisidir. Özellikle, robotik otomasyonun ve elektrikli araç sektörünün büyümesi sebebiyle, elektrik motorlarının ve sürücülerinin geliştirilmesi daha da önemli hale gelmiştir.
Motor sürücülerin geliştirilme aşamasında verim, boyut ve maliyet en önemli tasarım kriterleridir. Motor sürücülerin verimini, boyutunu ve maliyetini etkileyen birçok devre elemanı mevcuttur ancak, ısı olarak açığa çıkacak güç kayıplarının büyük bir kısmı, sürücülerin güç katında kullanılan yarı-iletken anahtarlama elemanlarından kaynaklanmaktadır.
Yarı-iletkenler ideal anahtarlama elemanları değildirler; iletimdeyken ve anahtarlama anlarında oluşan güç kayıplarından dolayı ısı açığa çıkarırlar. Verim ve boyut hesaplamaları üzerine çalışılırken, sürücünün güç katında yer alan yarı-iletken anahtarlardan kaynaklanan güç kayıplarını minimumda tutmak ve optimum bir tasarım yapmak gerekir. Bu sebeple, yarı-iletken eleman seçimi ile birlikte yarı-iletken elemanlar üzerinde açığa çıkacak olan güç kayıplarının hesaplanması çok önemlidir.
Tasarımcı tarafından kullanılması öngörülen yarı-iletken anahtarlara ve yapılan güç kayıp analizlerine göre henüz tasarım aşamasında en uygun yarı-iletken anahtarın seçiminin yapılması, sürücü veriminin öngörülmesi, yarı-iletken elemanların ısıl yönetimi için soğutma konseptinin geliştirilmesi ve boyut-hacim hesaplamalarının tamamlanması gerekmektedir.
Bu tez kapsamında, MOSFET ve IGBT yarı-iletken anahtarlama elemanlarının kullanıldığı iki-seviyeli eviriciler için güç kayıp analiz yöntemleri incelenmiş ve bu analiz yöntemleri kullanılarak yapılan hesaplamalar çeşitli ölçüm sonuçları ile doğrulanmıştır. Böylece, iki-seviyeli bir evirici üzerinde oluşacak olan toplam güç kaybı henüz eleman seçim aşamasında hızlı bir şekilde hesaplanabilecektir. Örnek olarak sunulan uygulamalar ile birlikte yapılan analitik öngörülere ek olarak, okuyuculara tasarımsal ve ölçümsel bakış açılarının kazandırılması amaçlanmıştır.

Abstract:
Two-level inverters are one of the most popular topics in power electronics. In particular, the development of electric motors and drives has become even more important due to the growth of robotic automation and the electric vehicle industry.
Efficiency, size, and cost are the most important design criteria in the development phase of electric motor drives. There are many circuit elements that affect the overall efficiency, size, and cost of the motor drives, but most of the power losses that will be dissipated as heat are caused by the power semiconductor devices used in the power stage of the drives.
Semiconductors are not ideal switching elements; they dissipate heat due to power losses during conduction and switching instants. It is necessary to keep the power losses to a minimum in order to make an optimum design when working on the efficiency and size calculations. Therefore, the calculation of the power losses after the selection of the power semiconductor device is very important.
Selection of the most appropriate power semiconductor device, prediction of the efficiency of the drive, development of the cooling concept for the thermal management of the semiconductor devices, and the complete size-volume calculations need to be completed at the design stage by the inverter designer according to the power loss calculations.
In this thesis, power loss analysis methods for two-level inverters using MOSFET and IGBT power semiconductor devices are introduced and calculations made using these analysis methods are verified with various measurement results. Thus, the total power loss in two-level inverters can be quickly calculated during the component selection phase. In addition to the analytical predictions made with the applications illustrated as examples, it is aimed to provide the readers with design and measurement perspectives.