GaN yarı iletken tabanlı totem-pole köprüsüz yükselten PFC dönüştürücü analizi ve tasarımı
GaN semiconductor based totem-pole bridgeless boost PFC analysis and design
Yazar: ENES ÇATLIOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anahtarlama = Switching ; Güç elektroniği = Power electronics ; Güç çeviriciler = Power converters ; Mosfet = Mosfet

Özet:
Günümüze pek çok uygulama için alternatif akım ve gerilimin, doğru akıma dönüştürülmesi gerekmektedir. AC-DC dönüştürücüler, kesintisiz güç kaynakları, LED sürücüler, motor sürücüler ve şarj cihazları gibi pek çok uygulamada sıklıkla karşılaştığımız dönüştürücü türlerinden biridir. Teknolojinin gelişmesi ile birlikte artan enerji ihtiyacı, kullanımı oldukça fazla olan AC-DC dönüştürücülerin verimli ve kaliteli çalışması gerekliliğini doğurmuştur. Bu doğrultuda, kullanılan enerjinin kalitesini ve verimliliğini artırmak, getirilen standart ve limitlere uyum sağlamak için güç elektroniği sistemlerinde, güç faktörü düzeltme (PFC) devrelerinin kullanımı kaçınılmaz hale gelmiştir. Güç faktörünü (PF) düzeltmek amacı ile çeşitli yöntemler geliştirilmiştir.
Güç faktörünü düzeltmek için aktif filtre, pasif filtre ve reaktif güç kompanzasyonu gibi yöntemler vardır ancak kullanılan en modern çözümlerden birisi aktif güç faktörü düzeltme devresi kullanarak güç faktörünü iyileştirmektir. Aktif güç faktörü düzeltme devrelerinde, yüksek frekansta anahtarlama yapılarak giriş akımının şebeke gerilimi ile aynı fazda olması sağlanır. Bu amaçla geliştirilen topolojilerden en yaygın kullanılanı ise temel yükselten PFC (TYPFC) dönüştürücüsüdür. Ancak bu topoloji, girişinde bulunan köprü diyot yapısından dolayı verimlilik sorunu yaşamaktadır. Güç faktörü düzeltme devrelerinde verimi artırabilmek için köprüsüz olarak adlandırılan dönüştürücüler araştırmacıların ilgisini çekmiştir. Köprüsüz PFC ailesinin bir üyesi olan Totem-Pole köprüsüz yükselten PFC (TKYPFC) ise yapısında minimal eleman içerdiği için basitlik ve maliyet açısından ön plana çıkmaktadır.
Totem-pole köprüsüz yükselten PFC dönüştürücü, sürekli iletim modunda (SİM) çalıştığında verim problemleri oluşmaktadır. Özellikle MOSFET'lerin dahili diyotlarından kaynaklanan ters toparlanma akımı, yükselten MOSFET iletime geçerken büyük bir kayba sebep olmaktadır. Dolayısı ile ters toparlanma akımı, anahtarlama kayıplarına bağlı ısıl problemler ve düşük verimlilik gibi zorluklarla başa çıkmayı zorlaştırarak totem-pole köprüsüz yükselten PFC'nin yaygın olarak kullanılmasının önünde bir engeldir. Totem-pole köprüsüz yükselten PFC dönüştürücünün çözülmesi gereken büyük sorunu ters toparlanma akımlarıdır. Son dönemlerde, galyum nitrür (GaN) ve silisyum karbür (SiC) gibi yeni nesil anahtar teknolojilerinin gelişmesi ile birlikte ters toparlanma akımları oldukça düşmüş ve bu sayede TKYPFC cazip hale gelmiştir. 
Bu tez kapsamında, güç faktörü düzeltme amacı ile en sık kullanılan tek fazlı AC-DC dönüştürücüler incelenmiştir. Bu topolojilerin verimlilik, basitlik, güç yoğunluğu ve maliyet gibi parametreler için karşılaştırılması sunulmuştur. Basitlik ve az sayıda eleman içermesi sebebi ile tercih edilen totem-pole köprüsüz yükselten PFC dönüştürücü, 185V-290V giriş gerilimi aralığı, 1kw çıkış gücü, 380V çıkış gerilimi ve 100 kHz anahtarlama frekansı ile dijital kontrolcü kullanılarak tasarlanmıştır. Devre tasarımında GaN yarı iletken anahtarlar kullanılmıştır. Analiz sırasında detaylı yarı iletken kaybı hesabı yapılmıştır. İstenilen akım ve gerilim dalga formlarını elde etmek için endüktans ve kondansatör değeri seçimi yapılmış, güç faktörü düzeltme devresi kontrolü için kontrolcü analizi ve tasarımı yapılmıştır. Yapılan analizler ve hesaplar ile PSIM simülasyon programı kullanılarak benzetim çalışması yapılmıştır. Simülasyon doğrulamasının ardından tasarımı doğrulamak için baskı devre kartı çizilip devre gerçeklenerek laboratuvar ortamında ölçümler alınmıştır. Sonuç olarak köprüsüz totem-pole yükselten PFC dönüştürücüsü ile, GaN yarı iletken anahtar kullanılarak %98'in üzerinde bir verim ve 1'e yakın güç faktörü elde edilmiştir.

Abstract:
With developing technology and increasing welfare levels, the use of electrical devices has gradually increased and more energy has begun to be used. The increase in non-linear loads connected to the network causes pollution of the network, increased losses and inefficient use of energy due to harmonic current and EMI noise. In addition, the fact that energy resources are depleting day by day has made it necessary to use electrical energy in high quality and more efficiently. In this regard, national and international standards and limits have been developed for the efficient and high-quality use of energy. 
Today, for many applications, alternating current and voltage must be converted to direct current. AC-DC converters are one of the converter types we frequently encounter in many applications such as uninterruptible power supplies, LED drivers, motor drivers and chargers. In this regard, power factor correction (PFC) circuits have become inevitable in power electronic systems in order to increase the quality and efficiency of the energy used and to comply with the standards and limits. Various methods have been developed for the power factor (PF) correction.
There are methods such as passive filter, active filter, reactive power compensation and active power factor correction circuits created using power electronic circuits for power factor correction. Passive filters are one of the simplest power factor correction methods, built with different combinations of inductors and capacitors. These filters have been frequently used due to their simplicity of structure, easy application and understandability. However, passive filter structures are quite large and bulky in size for high powers. It is also high in cost. In the power factor correction process with an active filter, the mains current for a non-linear load is constantly monitored and an inverter is connected to the input of the load and appropriate current pulses at high frequency are injected into the system to eliminate harmonics. Since active filters are quite complex and expensive, they are preferred only for very high-power special applications. In static reactive power compensation, the power factor is generally tried to be controlled with capacitor blocks connected in parallel to inductive loads such as motors. Semiconductor power elements are used to control inductance and capacitor values at variable loads. 
Active power factor correction circuits are a modern solution for the power factor correction process, with aspects such as easy to control, applicable and low cost. In addition, their ability to operate at high frequency increases the power density by reducing the size of the elements used. The active power factor correction circuit is switched at high frequency to ensure that the input current is in phase with the mains voltage. Many active power factor correction circuit topologies have been studied in the literature. The most widely used of these is the conventional boost PFC converter with bridge diode rectifier. Although this topology is widely used, it has some disadvantages. The biggest drawback of the conventional boost PFC is the bridge diode rectifier located at its input. At one stage of their operating mode, three semiconductors are conducting simultaneously, two of which are lossy diodes. This reduces overall efficiency by 2% to 3%. Nowadays, converters that work more efficiently and reliably are needed. For this reason, structures with low conduction and switching losses are required. Bridgeless PFC topologies are interesting for their ability to reduce conduction losses due to the absence of an input bridge rectifier. Basic bridgeless boost PFC, semi-bridgeless boost PFC, pseudo totem-pole bridgeless boost PFC and totem-pole bridgeless boost PFC can be shown as the most common single-phase bridgeless power factor correction topologies.
Among bridgeless PFC topologies, totem-pole bridgeless boost PFC attracts much attention compared to other bridgeless power factor correction topologies due to its simplicity and small number of elements. However, this topology has not gained enough popularity with traditional silicon MOSFET due to efficiency issues. When the totem-pole bridgeless boost PFC operates in continuous conduction mode, high conduction losses occur because it has a hard-switching structure. Especially losses caused by reverse recovery currents reduce efficiency considerably. In other bridgeless PFC topologies that do not have a reverse recovery current problem, extra elements are needed. This causes the power density of the circuit to decrease and its cost to increase. In basic bridgeless boost PFC with the same number of elements has a common mode noise problem. In order to comply with the standards, it requires a large-sized EMI filter at the input of the circuit. Likewise, in this case, it causes the power density to decrease and the cost to increase.
With the development of new generation, wide bandgap switch technologies, totem-pole bridgeless boost PFC topology has become available with high efficiency. In particular, the absence of an internal body diode in the structure of the GaN switch is a solution to the reverse recovery current problem in the totem-pole bridgeless boost PFC. In addition, their parasitic capacitances are very low, allowing fast switching turn on and turn off, thus reducing switching losses. Switching losses increase in direct proportion to frequency. Therefore, when switching losses are reduced, it becomes possible to operate at higher frequencies. With new generation switches, the circuit can be operated at high frequency, reducing the size of the magnetic elements used and increasing the power density of the circuit.
In this thesis study, firstly, the concept of power factor was examined and the most commonly used single-phase AC-DC converters for power factor correction are examined. Their advantages and disadvantages were presented comparatively with parameters such as efficiency, cost, common mode noise, design difficulty and number of elements. Afterwards, information about GaN semiconductor switch technology is given. Bridgeless totem-pole boost PFC were analysed. During the analysis, working principle given, detailed semiconductor loss calculations were made. In order to obtain the desired current and voltage waveforms, inductance and capacitor values were selected and controller analysis and design were made for power factor correction circuit control. A design example was made for the analysed bridgeless totem-pole boost PFC. The design was made by using a digital controller with an input voltage range of 185V-290V, 1kW output power, 380V output voltage and 100 kHz switching frequency. GaN semiconductor switches were used in the circuit design. With the analyses and calculations made, a simulation study was carried out using the PSIM simulation program. After the simulation verification, the printed circuit board was drawn and the circuit was implemented and measurements were taken in the laboratory environment to verify the design. 
As a result of the laboratory study and the absence of reverse recovery currents thanks to the GaN semiconductor switch technology, the totem-pole bridgeless boost PFC provides total harmonic distortion below 10% was achieved between 250 W and 1000 W. High power density was achieved by reaching a switching frequency of 100 kHz.
A problem observed in the totem-pole amplifying PFC application is that the input current has sudden increases at the grid voltage zero crossing. Future studies can be carried out to find a solution to this problem.