GaN FET ve silisyum tabanlı MOSFET kullanılarak tek uçlu birincil-indüktör (SEPIC) türü pil şarj düzenleyici devresinin gerçekleştirilmesi
Design, implementation and comparison of Si semiconductor MOSFET and GaN FET based SEPIC battery charge regulator
Yazar: OZAN CAN İYİER
Danışman: PROF. DR. UĞUR BAYSAL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışmasında, GaN FET ve Silisyum MOSFET anahtarlama elemanları kullanılarak pil şarj düzenleyici devreleri tasarlanmıştır. Tasarlanan pil şarj düzenleyici devrelerinde Tek Uçlu Birincil-İndüktör Dönüştürücü, SEPİC, tipi güç dönüştürücü topolojisi kullanılmıştır. Tez çalışması, hem GaN FET ve Silisyum MOSFET'in anahtarlama karakteristiklerinin incelenmesi hem de SEPİC tipi dönüştürücünün diğer DA-DA tipi dönüştürücülere göre avantaj ve dezavantajlarının incelenmesi açısından benzer literatür çalışmalarından farklılık göstermektedir. Tez kapsamında tasarlanan pil şarj düzenleyicinin giriş gerilimi 40-55V, çıkış gerilimi ise 26V olacak şekilde seçilmiştir. Pil şarj düzenleyici, sabit akım ve sabit gerilim modlarında çalışabilecek şekilde tasarlanmıştır. Anahtarlama frekansı, Silisyum MOSFET kullanılan dönüştürücü için 100kHz ve 300kHz; GaN FET kullanılan dönüştürücü için ise 300kHz olarak belirlenmiştir. Dönüştürücü, tam yük altında 100W çıkış gücü sağlayabilecek şekilde kalifiye edilmiştir. Her iki anahtarlama elemanını da doğrulamak amacıyla birer adet açık döngü ve bir adet kapalı döngü dönüştürücü tasarımı yapılmış ve test edilmiştir. Testlerde elde edilen verilere göre; Silisyum MOSFET kullanılan pil şarj düzenleyici 100kHz anahtarlama frekansında %90,15 verime ulaşmıştır; Ancak 300kHz anahtarlama frekansında tam yük altında %90 verimin altında kalmıştır. GaN FET'in anahtarlama elemanı olarak kullanıldığı pil şarj düzenleyici devresinde ise 300kHz anahtarlama frekansında ve tam yük altında %91,82 verim değeri elde edilmiştir. Pil şarj düzenleyici devresi, her iki anahtarlama elemanı da kullanılarak farklı yükler altında performans testlerine tabi tutulmuştur. Pil şarj düzenleyicinin çalışma modları benzetim ortamında ve test ortamında elde edilen veriler ışığında doğrulanmıştır. Testler sonucunda elde edilen verilere dayanarak pil şarj düzenleyici tasarımlarında SEPİC tipi dönüştürücü ve GaN FET kullanımının avantaj ve dezavantajları benzer literatür çalışmalarına dayanarak incelenmiştir.

Abstract:
In this study, battery charge regulators are designed by using GaN FET and Silicon MOSFET as switching devices. The battery charge regulators are designed by utilizing Single Ended Primary-Inductor Converter, SEPIC, power conversion topology. The thesis study differs from similar literature studies both in terms of examining the switching characteristics of GaN FET and Silicon MOSFET and examining the advantages and disadvantages of SEPIC type converter compared to other DA-DA type converters. The input voltage range is determined as 40-55V and output voltage is determined as 26V for the battery charge regulator. The battery charge regulator has ability of working in both constant current and constant voltage modes. The power converter which utilizes Si MOSFET is driven under 100 and 300 kHz switching frequency and the one utilizes GaN FET is driven under 300 kHz switching frequency. The converter has ability to provide 100W output power under full load. In order to perform tests, two open loop, one for each switching device, and one close loop test board models are designed. The efficiency of the converter which uses Silicon MOSFET as switching device is measured as 90,15 % under 100kHz switching frequency; however the efficiency is measured as under 90% for 300kHz switching frequency. The efficiency of the converter which uses GaNFET as switching device is measured as 91,82% under full load.  Performance tests has been performed on both Si MOSFET and GaN FET used battery charge regulators. The modes of battery charge regulator are validated for both simulations and tests. According to the test results, the advantages and disadvantages are discussed for both SEPIC converter and GaN FET.