Si IGBT ile SiC MOSFET yarı iletken anahtarlarının 3 fazlı eviriciler üzerindeki güç kayıp ve verim analizi
Power losses and efficiency analysis of Si IGBT and SiC MOSFET semiconductor switches on 3 phase inverters
Yazar: MACİT AYDIN
Danışman: DOÇ. DR. ERSOY BEŞER
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İki seviyeli eviriciler ve bu eviricilerde Si tabanlı IGBT ve SiC tabanlı MOSFET yarıiletken anahtarların kullanımı günümüzde kesintisiz güç kaynakları uygulamalarında en çok ilgi duyulan konular arasında yer almaktadır. Silisyum, elektronikte en yaygın kullanılan yarıiletken olmasına rağmen yüksek güç uygulamalarında bazı sınırlamalar göstermektedir. Bu sınırlamalar, yarıiletken tarafından sunulan bant aralığı veya enerji aralığıdır. SiC tabanlı yarıiletkenler; bant aralıklarının yüksek olması, fiziksel olarak daha küçük olmaları yani hacimlerinin küçük olması, yüksek frekanslarda çalışabiliyor olmaları ve daha yüksek sıcaklıklarda güvenli bir şekilde çalışabildiklerinden dolayı güç elektroniği uygulamalarında daha çok tercih edilmektedirler.
Kesintisiz güç kaynaklarının geliştirilme aşamasında verim, boyut ve maliyet en önemli tasarım kriterleridir. Kesintisiz güç kaynaklarının verimini, boyutunu ve maliyetini etkileyen birçok devre elemanı mevcuttur ancak, termal olarak açığa çıkacak güç kayıplarının büyük bir kısmı, sürücülerin güç katında kullanılan yarıiletken anahtarlama elemanlarından kaynaklanmaktadır.
Bu tez kapsamında, öncelikle Si ve SiC malzemelerden bahsedilmiş ve bu malzemelerden üretilen Si IGBT ve SiC MOSFET ve kayıpları ile sürücü devreleri anlatılmıştır. Daha sonra çok seviyeli eviriciler ve anahtarlama yöntemlerinden bahsedilmiş ve iki seviyeli ve üç seviyeli eviriciler anlatılmıştır. Si IGBT ve SiC MOSFET yarıiletken anahtarlama elemanlarının kullanıldığı iki seviyeli eviriciler için 4 farklı güç kayıp analizi yöntemi incelenmiştir. Böylece, iki seviyeli bir evirici üzerinde oluşacak olan toplam güç kaybı henüz eleman seçim aşamasında hızlı şekilde hesaplanabilecektir.
SiC MOSFET tabanlı iki seviyeli evirici, Si IGBT tabanlı iki seviyeli evirici ve Si IGBT tabanlı diyot kenetlemeli eviricinin kullanıldığı 3 farklı evirici için simülasyon ve deneysel çalışma yapılarak performans karşılaştırılması yapılmıştır. Böylece, Si ve SiC tabanlı yarıiletken anahtarları ve iki farklı evirici topolojisinin güç kayıplarına olan etkisi incelenmiştir.

Abstract:
Two-level inverters and the use of Si-based IGBT and SiC-based MOSFET semiconductor switches in these inverters are among the most popular topics in uninterruptible power supply applications today. Although silicon is the most widely used semiconductor in electronics, it shows some limitations in high power applications. This limitions are the band gap or energy gap offered by the semiconductor. SiC based semiconductors; They are more preferred in power electronics applications because they have high band gaps, are physically smaller, that is, have small volumes, can operate at high frequencies, and can operate safely at higher temperatures.
Efficiency, size and cost are the most important design criteria in the development of uninterruptible power supplies. There are many circuit elements that affect the efficiency, size and cost of uninterruptible power supplies, but most of the thermal power losses are due to the solid-state switching elements used in the power stage of the drives.
In this thesis, first of all, Si and SiC materials are mentioned and Si IGBT and SiC MOSFETs and their losses and driver circuits produced from these materials are explained. Then, multi-level inverters and switching methods are mentioned and two-level and three-level inverters are explained. Four different power loss analysis methods for two-level inverters using Si IGBT and SiC MOSFET semiconductor switching elements were examined. Thus, the total power loss that will occur on a two-level inverter can be quickly calculated during the element selection phase.
Performance comparisons were made by performing simulation and experimental studies for 3 different inverters using SiC MOSFET-based bi-level inverter, Si IGBT-based bi-level inverter and Si IGBT-based diode clamped inverter. Thus, the effects of Si and SiC based semiconductor switches and two different inverter topologies on power losses are investigated.