Ev tipi indüksiyon ocaklarda yeni nesil güç anahtarlarının kullanımının incelenmesi
Examination of new generation power semiconductors in domestic induction cooktops
Yazar: AHMET ERKEN
Danışman: DOÇ. DR. ATİYE HÜLYA OBDAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüz dünyasında enerji verimliği ve düşük karbon salınımı gibi konular her geçen gün önem kazanırken yüksek güç yoğunluğu ve düşük hacim gibi konular da gelişen ve gitgide karmaşıklaşan teknolojiyle birlikte ihtiyaç haline gelmiştir. Bilindiği üzere çok uzun yıllardır güç elektroniği dönüştürücüleri Silikon (Si) temelli güç yarıiletkenleri üzerine kurulmuştur. Oldukça iyi bilinen ve birçok farklı uygulama sahasında test edilme ve sınanma şansı yakalayan bu yarıiletken teknolojisi günümüz ihtiyaçlarına cevap verememektedir. Yüksek üretim teknikleriyle birlikte bu yarıiletken malzeme teorik limitlerine dayanmıştır. Bahsi geçen zorlayıcı isterleri gerçekleştirmek amacıyla farklı yarıiletken malzemeler üzerine çalışılmaya başlanmıştır. Birçok farklı malzeme üzerine çalışılmış olsa da güç elektroniği uygulamaları için GaN ve SiC ön plana çıkmaktadır. Bu malzemeler Si muadillerine göre çok daha üstün kimyasal ve fiziksel performans sergilemektedir. Bu üstün performans güç elektroniği dönüştürücülerine doğrudan etki etmektedir.
Bilindiği üzere günümüz güç elektroniği dönüştürücülerinin ekseriyetle çoğunluğu yüksek frekans düşük- orta güç uygulamaları için MOSFET, düşük- orta frekans ve yüksek güçler için IGBT tercih edilmektedir. MOSFET'in yüksek frekanslarda tercih edilme nedeni hızlı anahtarlama karakteristiği iken IGBT'nin yüksek güçlerde tercih edilme nedeni düşük doyum gerilimidir. Günümüzde öne çıkan SiC MOSFET ve GaN HEMT anahtarlar hem çok yüksek anahtarlama hızlarına ve oldukça düşük iç dirence sahiptirler. SiC MOSFET özellikle yüksek güçlerde ve yüksek frekanslarda tercih edilirken GaN HEMT çok yüksek frekanslarda (MHz) ve düşük güçlerde kendilerine uygulama alanı bulmaktadır. 
Bu çalışmada bahsi geçen yeni nesil güç anahtarlarının indüksiyonla ısıtma sistemlerine uygulanması incelenecektir. Burada indüksiyon ocaklarda kullanılan topolojilerin özellikleri detaylıca incelenerek hangi çalışma koşullarında WBG anahtar kullanımının en uygun olacağı ele alınacaktır. Sadece güç elektroniği özelinde değil endüksiyon ocağın tamamını etkileyen faktörlerin tamamı detaylıca ele alınacaktır.

Abstract:
While energy efficiency and low CO2 emission have been getting attention day by day, high power density and low-volume power converters are needed in modern and complicated devices. Power converters have been using Si-based power semiconductors for a long time. Si-based power semiconductors have well-known technology and they have been tested for different applications and operating conditions however, they cannot answer the demands mentioned above. Thanks to modern semiconductor manufacturing techniques, Si-based power devices have approached their theoretical limits. Therefore, WBG power semiconductors have been getting attention for a while to answer these challenging demands. Although there are different types of WBG power semiconductors, SiC and GaN are the most popular ones for power applications. These WBG power semiconductors show superior chemical and physical characteristics than Si-based counterparts. As a result of this, power electronics converters are directly affected by these superior characteristics. 
In modern power electronics converters, MOSFET is mostly preferred for low or medium-power and high frequency applications due to its superior switching characteristic while IGBT is preferred for medium or high power and low frequency applications due to its low saturation voltage. SiC MOSFET and GaN HEMT have much better switching characteristics than Si-MOSFET and competitive internal resistance in comparison with Si-IGBT. While SiC MOSFET is more appropriate for high-frequency and high-power applications, GaN HEMT is preferred for low-power and ultra-high switching frequencies.
In this study, WBG power semiconductors are examined for domestic induction heating applications. Power topologies widely used in domestic induction heating applications are analyzed in detail and the most appropriate operating condition is tried to find for WBG power semiconductors. Results are evaluated in detail not only in terms of power switches but also the whole of the induction cooker.