Silisyum karbür güç yarı iletkenlerine dayalı yüksek verimli da-da çevirgeç uygulamaları
Silicon carbide power semiconductor based high efficiency dc-dc converter applications
Yazar: SERKAN ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. IŞIK ÇADIRCI
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, yeni nesil Silisyum Karbür (SiC) anahtarlar kullanılarak, iki farklı alan için yüksek verimli DA-DA çevirgeç uygulaması gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, ilk uygulama olarak tamamı SiC anahtarlara dayalı 20 kW, 20 kHz yüksek frekans bağlı maksimum güç noktası izleyicisi çevirgeci sunulmuştur. Geliştirilen çevirgeçte, hem yüksek verimlilik hem de yüksek güç yoğunluğu sağlamak amacı ile, düşük gerilimli fotovoltaik panel tarafında SiC güç MOSFET'leri, yüksek gerilim tarafında ise SiC Schottky diyotlar kullanılmıştır. Tasarlanan çift H-köprü devreli maksimum güç noktası izleyicisi çevirgecinin çalışma prensipleri, güç katı serimi ve çevirgeç tasarımına ait pratik yaklaşımlar detaylı olarak verilmiştir. SiC yarı iletkenler ile tasarlanan çevirgeç performansı, klasik Si-IGBT ve hibrit-IGBT yarı iletkenlerini kullanan çevirgeçler ile karşılaştırılmıştır. Tasarlanan çevirgeç şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerde ortak olarak kullanılan yükseltici-tip çevirgeçlerle rekabet edecek düzeydedir. Bunun nedeni, bu topolojinin izole olmayan topolojilere göre gelişmiş ortak-mod elektromanyetik girişim performansı ve yüksek verimliliğidir. Tasarlanan çevirgecin tam yük verimi %98 olup güç yoğunluğu 1.6 kW/litre'dir. Gerçeklenen kompakt ve yüksek verimli çevirgecin gelecekte basit evirici topolojileri ile kullanılacağı önerilmektedir.

Tez çalışmasının ikinci bölümünde ise, elektrikli araç uygulamaları için ya 700 V-28 V, 11.2 kW gücünde ağır-elektrikli araçlar için ya da 400 V-14 V, 3.7 kW gücünde hafif-elektrikli araçlar için kullanılabilecek genel bir çift aktif köprü (ÇAK) çevirgeci tasarımı anlatılmıştır. ÇAK çevirgecin yüksek gerilim tarafında SiC güç MOSFET anahtarları, düşük gerilim tarafında ise silisyum (CoolMOS) güç MOSFET anahtarları kullanılmıştır. İki adet ÇAK çevirgeç dönüşümlü (interleaved) olacak şekilde 2 x 5.6 kW gücünde çalışabilmektedir. Tasarlanan ÇAK çevirgecin çalışma evreleri ve kontrol yöntemi detaylı olarak verilmiştir. Hem bilgisayar benzetimleri, hem de laboratuvar testleri ile ÇAK çevirgecin anahtarlama karakteristiği, gerilim ve akım dalga şekilleri, ve verimi gibi çalışma performansları incelenmiştir. Güç yoğunluğunu tüm mekanik yapı dahil olmak üzere 1 kW/litre üzerinde tutabilmek için hem yeni nesil güç yarı iletkenleri hem de görece düşük kayıplara sahip manyetik devre elemanları kullanılmış ve tasarlanmıştır. Performans sonuçları, 50 kHz anahtarlama frekansı için, tam yükte %97, yarım yükte ise %98 verim olarak ölçülmüştür.

Abstract:
In this thesis, high efficiency DC-DC converters have been implemented for two different application areas using new generation Silicon Carbide (SiC) power semiconductors. In this context, A 20 kW, 20 kHz high frequency (HF) link maximum power point tracking (MPPT) converter for a grid-connected PV supply, based on all silicon carbide (SiC) power semiconductors, is presented as the first application. In the developed converter, SiC power MOSFETs are used in the low-voltage PV panel side and SiC Schottky diodes on the high voltage DC output, in order to maximize the power conversion efficiency and the power density. Operating principles of the resulting dual H-bridge MPPT converter and the practical aspects of the converter design and its circuit layout, are described in detail. The implemented converter performance is compared with that of a classical Si-IGBT and hybrid-IGBT based MPPT converter in terms of efficiency. This configuration can compete with the non-isolated MPPT converter topologies, such as the boost converter commonly used in grid-connected PV systems. This is due to the enhanced common-mode EMI performance as compared to non-isolated MPPT topologies, resulting in a competitive high efficiency PV converter design with galvanic isolation. It has been shown that the converter size can be shrinked up to a power density of 1.6 kW/lt, with a DC-DC converter full-load efficiency of 98%. The resulting compact and highly efficient SiC power MOSFET based HF link MPPT converter is suggested to be a part of grid-connected, multi-string PV supplies with simple inverter topologies in the future.

In the second part of the thesis, the design and implementation of a generalized dual-active bridge (DAB) converter for use in either 700 V / 28 V,  11.2 kW electric bus charger applications, or  400 V / 14 V, 3.7 kW electric vehicle applications is presented. The DAB converter is implemented by SiC power MOSFETs on the high voltage (HV) side, and coolMOS switches on the low voltage (LV) side. Interleaved operation of two such DAB converters can be configured for 2 x 5.6 kW rated power operation. Operating principles and control of the implemented DAB  converter are assessed and the corresponding operating modes of are discussed. The operating performance of the developed DAB converter, such as the switching characteristics of SiC power MOSFET modules, voltage and current waveforms and operating efficiency have been assessed for various operating conditions both by computer simulations and laboratory tests. Nanocrystalline core based high frequency AC inductor design have been discussed for a 1 kW/l converter power density. Excellent performance results for 50 kHz switching frequency have been obtained from the developed 5.6 kW DAB converter, with operating efficiencies measured as 97% at full-load, and 98% at half-load.