GaN-Fet tabanlı yüksek hızlı motor sürücü tasarımı
Design of GaN-Fet based high speed motor drive
Yazar: CENK KILIÇ
Danışman: PROF. DR. ERKAN MEŞE
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tezde, günümüzde birçok alanda ihtiyaç duyulan yüksek hızlı elektrik motorları için sürücü sistemi tasarlanmıştır. Sabit mıknatıslı motorlar yüksek hızlı uygulamalar alanında öne çıkmıştır. Düşük faz endüktansına sahip yüksek hızlı motorlarda akım dalgalanmaları sistem performansını önemli ölçüde düşürmektedir. Motor sürücü sisteminde son zamanlarda yaygın olarak kullanılan yarı iletken güç anahtarı olan ve diğer yarı iletken güç anahtarlarına göre daha yüksek anahtarlama frekanslarında çalışabilen GaN-Fet kullanılmıştır. GaN-Fet'in bu özelliği kullanılarak, yüksek hızlı motor sürücüler için literatürde yapılan çok seviyeli evirici devreleri yerine iki seviyeli evirici devresi kullanılmıştır.
Motor sürücü sistemi gerilim ve akım kaynaklı eviriciler olmak üzere MATLAB/Simulink ortamında modellenmiş ve simülasyon sonuçları elde edilmiştir. Gerçek zamanlı uygulamalar için gerilim kaynaklı TI-TIDA Boost XL üç fazlı GaN-Inverter devresi kullanılmıştır. Bu çalışmada ARM-Cortex H7 versiyonuna sahip çift çekirdekli STM32H747-XI işlemcisi kullanılmıştır. Motor sürücü algoritması Cube-MX ve Keil programları ile derlenmiştir.
Deneysel çalışmalarda anahtarlama frekansı 100 kHz değerine çıkartılmıştır. Yüksek anahtarlama frekanslı uygulamalar için çoklu örnekleme PWM metodu önerilmiştir. PWM döngüsünün örnekleme frekansı arttıkça çıkış akımlarının toplam harmonik bozulması azalmıştır. Bu yüzden anahtarlama frekansının kullanılan işlemcinin maksimum zamanlayıcı çözünürlüğü ve toplam algoritma süresi de göz önüne alınarak seçilmesi gerektiği gösterilmiştir. Gömülü kontrolcüde PWM işleminin başka bir işlem yapılırken kesilmemesi için çift çekirdekli işlemci kullanılmıştır.

Abstract:
In this thesis, a drive system is designed for high speed electric motors, which are needed in many fields today. Permanent magnet motors have come to the fore in high speed applications. Current fluctuations in high speed motors with low phase inductance significantly reduce system performance. GaN-Fet, which is a widely used semiconductor power switch recently and can operate at higher switching frequencies than other semiconductor power switches, has been used in the motor drive system. By using this feature of GaN-Fet, a two-level inverter circuit is used instead of the multi-level inverter circuits made in the literature for high speed motor drives.
The motor driver system was modeled in MATLAB/Simulink environment, including voltage and current source inverters, and simulation results were obtained. Voltage sourced TI-TIDA Boost XL three-phase GaN-Inverter circuit is used for real-time applications. In this study, dual-core STM32H747-XI processor with ARM-Cortex H7 version is used. Motor driver algorithm is compiled with Cube-MX and Keil programs.
In experimental studies, the switching frequency was increased to 100 kHz. Multi-sampling PWM method is proposed for high switching frequency applications. As the sampling frequency of the PWM loop increased, the total harmonic distortion of the output currents decreased. Therefore, it has been shown that the switching frequency should be chosen considering the maximum timer resolution of the processor and the total algorithm time. A dual-core processor is used in the embedded controller so that the PWM process is not interrupted while another process is being performed.