Yeni nesil hızlı güç anahtarları ile yüksek verimli tek anahtarlı paralel rezonans endüksiyonlu ısıtma sistemi tasarımı
High-efficiency single switch quasi resonant induction heating system design with wide bandgap switching devices
Yazar: KADİR CAN ATICI
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik enerjisi ile beslenen cihazlar için enerji verimi her geçen gün önemini artırmaktadır. Güç elektroniği sistemleri için verimi artırmak en büyük çalışma konularından birisidir. Güç elektroniği sistemleri için verime etki eden en büyük parametrelerden biri, kullanılan yarıiletken eleman ve bu elemanın oluşturmuş olduğu kayıplardır. Bu yarıiletken elemanlardan olan güç anahtarları için kayıplar iletim ve anahtarlama kayıpları olarak iki farklı şekilde oluşmaktadır. Uzun yıllardan beridir güç elemanlarının üretimi Si bazlı malzemeler ile yapılmaktadır. Fakat bu malzeme özellikle son dönemdeki yüksek güç yoğunluğu yüksek gerilim uygulamaları için kendi teknolojisinin sınırlarına ulaşmaktadır. Yüksek gerilim dayanımlı malzemeler için iletim kayıplarını azaltmak kullanılan malzemenin türü ile doğrudan orantılıdır. Bundan dolayı Si bazlı malzemelerden biri olan Si MOSFET güç anahtarı için 1000V üzeri gerilim seviyelerinde iletim kayıplarını yönetmek oldukça zor bir hal almaktadır. Bu noktada IGBT teknolojisi bu yüksek gerilim uygulamaları için iletim kayıplarını düşürecek şekilde teknolojisi gelişmektedir. Fakat IGBT güç elemanının sahip olduğu en önemli dezavantaj kuyruk akımı olayıdır. Bu kuyruk akımları nedeniyle IGBT anahtarlama kayıpları oldukça artmakta ve IGBT elemanı yüksek anahtarlama frekansları için avantajını kaybetmektedir. Bu noktada yüksek güç yoğunluğu ve yüksek gerilim uygulamaları için SiC güç anahtarları geliştirilmiştir. SiC güç anahtarları kullanılan malzeme özelliği olarak Si malzeme ile kıyaslandığında aynı boyutlar için daha yüksek dayanım gerilimleri sunmaktadır. Bu da yarıiletken malzemenin boyutunu büyütmeden yüksek gerilim dayanımını artırmak anlamına gelmektedir. Yarıiletken malzemelerde kullanılan yarıiletken boyutu anahtarın sahip olduğu iletim kayıpları ile doğrudan ilişkilidir. Buradan yolan çıkarak SiC malzeme teknolojisi sayesinde yüksek gerilimde iletim kayıpları iyileştirilmiştir. Ayrıca MOSFET elemanlarının düşük anahtarlama güç kayıpları göz önüne alındığında SiC MOSFET'ler yüksek gerilim ve yüksek güç yoğunluğuna ihtiyaç duyan güç elektroniği sistemleri için şimdiden vazgeçilmez bir eleman olmuştur.
Güç elektroniği sistemlerinden biri olan endüksiyon ocaklar, geleneksel ocaklara kıyasla sahip olduğu avantajlar ile son zamanlarda oldukça yaygınlaşmaktadır. Bu tez çalışmasında tüketici elektroniği uygulamalarında gittikçe önem kazanan endüksiyon ocak sistemlerinin yeni nesil hızlı güç anahtarları ile çalışması incelenmiştir.
Ev tipi endüksiyonlu ocaklarda kullanılmak üzere 2300W güç seviyesi için tek anahtarlı paralel rezonans devresi analiz edilmiş ve bu devrenin bir prototipi geliştirilmiştir. Deneysel çalışmalarda kullanılmak üzere farklı firmalardan benzer akım ve gerilim karakteristiklerine sahip Si ve SiC güç elemanları seçilmiştir. Deneysel çalışmada kullanılmak üzere iki farklı yük tercih edilmiştir. Bu yükler sayesinde geliştirilen devre iki farklı güç seviyesinde ve iki farklı frekansta çalıştırılmıştır. Böylelikle farklı yük koşulları için topolojinin analiz edilmesine olanak sağlanmıştır. Bu çalışmada kullanılan yarıiletken elemanların kesime girme süreleri, kesime girme güç kayıpları ve iletim güç kayıpları deneysel olarak ölçülmüş ve sunulmuştur. Ayrıca yarıiletken elemanlar ısıl olarak performansları ölçülmüş ve iki farklı yük durumu için anahtarların kılıf sıcaklıkları deneysel olarak ölçülmüştür. Bunun yanında yapılan güç kayıp ölçümlerin verime etkisini anlamak adına endüksiyonlu ocak topolojisinin sistem verimi ölçülmüştür.
SiC MOSFET güç anahtarları sahip olduğu elektriksel özellikler sayesinde anahtarlama kayıpları açısından iyileşme sağlamaktadır. Yaklaşık olarak anahtarlama kayıpları beşte bir oranında azalmıştır. Bu kayıplarda yaşanan iyileşmeler anahtarın ısıl performansını oldukça iyileştirmektedir. Deneysel çalışma sonuçlarına göre SiC MOSFET güç anahtarları aynı güç seviyelerinde Si IGBT'lere kıyasla yaklaşık olarak yüzde yirmibeş daha az ısınmaktadır. Buradan yola çıkarak SiC MOSFET anahtarlar aynı güç seviyesi için soğutma sistemi maliyeti ve boyutlarını oldukça küçültmektedir. Bu güç kayıp iyileştirmelerine nazaran yapılan verim ölçümlerine göre SiC MOSFET'ler devre verimine yaklaşık yüzde iki katkısı bulunmaktadır.

Abstract:
Energy efficiency is increasing day by day for the devices which are fed by electrical energy. Increasing efficiency for power electronics systems is one of the major issues. One of the biggest parameters affecting efficiency for power electronics systems is the semiconductor components.
Losses occur in two different ways as conduction and switching losses for switching elements. For many years, the production of power switches has been made with Si-based materials. However, this material reaches the limits of its technology, especially for high voltage and high power applications in the recent period. Reducing conduction losses is directly proportional to the type of material used. Therefore, it is very difficult to manage conduction losses at voltage levels over 1000V for Si MOSFETs which is one of the Si-based components. At this point, IGBT technology is evolving technology to reduce conduction losses for these high voltage applications. However, the major disadvantage of IGBTs is the tail current phenomenon. Due to these tail currents, the IGBT switching losses increase considerably and the IGBTs couldn't use for high switching frequencies. At this point, SiC power switches have been developed for high power density and high voltage applications. The SiC power switches offer higher breakdown voltages for the same dimensions as the Si-based semiconductors. This means increasing the breakdown voltage without increasing the size of the semiconductor material. The semiconductor size used in semiconductor materials is directly related to the conduction losses of the switch. From this point of view, SiC material technology has improved conduction losses at high voltage. Furthermore, given the low switching power losses of the MOSFET elements, SiC MOSFETs have already become indispensable elements for power electronics systems that require high voltage and high power density.
Induction cookers, one of the power electronics systems, have become popular with the advantages they have compared to traditional cookers. In this thesis, the operation of induction cooker systems which is gaining importance in consumer electronics applications with new generation wide band-gap semiconductors is examined.
The most important advantage of induction cookers is their high heating power value. The most important factor that limits the power of the hob is the maximum current and power values defined for electrical installations. For home users, the maximum power is limited to 3600W and the maximum current to 16A. Another important advantage of an induction cook-top is that they directly heat the material thanks to its heating principle. In conventional cook-tops, heat energy is transferred to the material to be heated. But in an induction cook-top, heat is created directly on the material. This highlights the rapid heating and high efficiency of induction cookers.
The most important disadvantage of induction hobs is that the material must be made of ferromagnetic material with magnetic properties. Since cooking materials to be used for induction cookers are specially produced for induction cookers, their price and supply constitute a disadvantage for induction cookers. In addition, the material to be heated represents the load for the power electronics circuit. Cooking materials to be used in the induction cook-top have different electrical properties. Due to this variety, it is necessary to ensure that the power electronics circuit transfers optimum load in accordance with each load with control and measurement methods. In addition, the resonant converters used for high efficiency change the efficiency and working limits depending on the load. This should also be taken into account when analyzing the power electronics circuit
In this study, firstly, induction cook-top technology and historical development have been mentioned. Developments in the induction cook-top with the development of semiconductor technologies have been mentioned. In the second part, physical foundations on which induction hobs and induction hobs are based are given. In addition, power electronics topologies used for home induction cook-top are mentioned and their works are briefly explained. In the third chapter, the single-switch parallel resonance inverter topology, which is the induction cook-top topology used in this study, is examined, circuit analysis is done and the mathematical models of the circuit are extracted. In addition, a design method for the circuit to be used in this study is shared in the third chapter. Considering these design parameters, the circuit is simulated in the simulation environment and the results are shared in the study. In the fourth chapter, new generation fast switches and their technology are mentioned. Which semiconductors are used for these switches and their advantages are shared in this section. In the fifth section, the experimental studies of the induction cook-top topology designed in the third section are included. The switching and conduction characteristics of Si IGBT and SiC MOSFET have been measured and shared in detail. In addition, experimental studies are supported by efficiency and thermal performance measurements.
Single-switch parallel resonance circuit for 2300W power level has been analysed and a prototype of this circuit has been developed for use in a domestic induction cook-top. Si and SiC power elements with similar current and voltage characteristics were chosen from different companies to be used in experimental studies. Two different loads were preferred for use in the experimental study. The circuit developed thanks to these loads was operated at two different power levels and two different frequencies. Thus, it was possible to analyse the topology for different load conditions. The turn off times, turn off power losses and conduction power losses of the semiconductor elements used in this study were measured and presented experimentally. In addition, the case temperatures of the switches for two different load conditions were measured experimentally. In addition, in order to understand the effect of power loss measurements on efficiency, the system efficiency of the induction hob topology was measured.
SiC MOSFET and Si IGBT need different gate drive circuits requirements. SiC MOSFETs need a wide voltage range and higher voltage values for the gate drive. While it can be easily driven at a standard Si IGBT + 12V voltage level, this value reaches + 20V voltage level for the SiC MOSFETs. In addition, the fast switching characteristics cause oscillations in the driving circuits. These oscillations cause false turn on in the switching devices and there is a need to drive with protection circuits or negative voltage in order to avoid that disadvantage of these oscillations.
The SiC MOSFETs provide improved electrical properties in terms of switching losses. Approximately switching losses were reduced by 1/5. Improvements in these losses greatly improve the thermal performance of the switching devices. According to the results of the experimental study, SiC MOSFETs maximum working temperature approximately 25 percent less than Si IGBTs at the same power levels. From this, SiC MOSFETs reduce the cooling system costs and size considerably for the same power level. According to the efficiency measurements, SiC MOSFETs have a two percent better efficiency compared to Si IGBTs.
SiC MOSFET prices are expected to decrease considerably with the developments in SiC technology. SiC MOSFETs may be preferred in the future for applications that want to increase the power density for induction cookers or decrease the usage of high-speed fans in the cooling system. Also, thanks to the improvements in switching losses, it can be developed to non-resonance induction cook-top topologies with SiC MOSFET elements. Thus, load dependence and control difficulties, which are the biggest disadvantage of resonant induction cook-top topologies, will be eliminated. In this way, SiC MOSFETs will allow the development of non-resonance induction cook-top topologies with a wider control range.