DESIGN AND IMPLEMENTATION OF ULTRA HIGH POWER DENSITY, SINGLE-PHASE GaN INVERTER USING HIGH CURRENT MAGNETIC CIRCUIT DESIGN ON MULTILAYER PRINTED CIRCUIT BOARD

In this thesis, a systematic approach to the design and development of a high power density, natural-convection-cooled, single-phase inverter with a multilayer, high-current PCB magnetics, is presented. The size and efficiency of inverters implemented with the silicon transistor technology have almost reached a certain limit. The use of wide bandgap power semiconductors, such as the silicon carbide (SiC) power MOSFET and the gallium nitride (GaN) enhancement-mode (e-mode) transistor, with a proper circuit layout, not only pushes further the efficiency limits, but also shrinks the inverter size. A systematic approach is proposed here in order to obtain a high power density, and high efficiency single-phase GaN inverter which relies basically upon two new approaches: the derivation of analytical expressions for the inverter losses as a function of the inverter modulation index, for the optimum transistor and highest switching frequency pair selection, and the design of the output filter inductor based on a multilayer, high current PCB magnetics. In the developed 5-kVA single-phase inverter, GaN e-mode transistors are used to minimize the inverter power losses and to decrease the cooling requirement, and size of the system. A quantative comparison between power losses of GaN e-mode transistors and the other candidate transistors, such as silicon and silicon carbide power MOSFET with similar specifications, is performed. Computer simulations are carried out on LTspice ve MATLAB Simulink computer programs in order to observe both the switching characteristics of the GaN transistors and the performance of the whole single-phase inverter under load. The proposed systematic design approach has been verified on the implemented 5-kVA, 50-kHz, naturally-air-cooled (convection) GaN inverter. A power density of 2.7 W/cm3 (44.3 W/inch3), and a full-load efficiency of 98 % is achieved with the designed inverter.ÖZET I ABSTRACT III TEŞEKKÜR V İÇİNDEKİLER VI ÇİZELGELER VIII ŞEKİLLER IX SİMGELER VE KISALTMALAR XII 1. GİRİŞ 1 1.1 Tek fazlı evirgeç yapıları 1 1.2 Tezin amacı ve katkısı 8 1.3 Tezin yapısı 9 2. TEK FAZLI EVİRGEÇ İÇİN SİSTEMATİK TASARIM YAKLAŞIMI 10 2.1 Sistematik Tasarım Adımları 10 2.2 Evirgeç Boyutunun Küçültülmesi için Kritik Tasarım Yaklaşımları 12 2.2.1 Tranzistör güç kaybı hesabı için analitik yaklaşım 12 2.2.2 Çok katmanlı yüksek akımlı baskı devre manyetik tasarım prosedürü 16 2.3 Örnek Tasarım 19 2.3.1 Güç tranzistörü ve anahtarlama frekansı seçimi 20 2.3.2 GaN tranzistör çalışma modları 24 2.3.3 Çok katmanlı yüksek akımlı baskı devre manyetik tasarımı 27 2.3.4 Baskı devre tasarımındaki önemli noktalar 34 3. BENZETİM SONUÇLARI 41 3.1. GaN tranzistör anahtarlama benzetimleri 41 3.2. Tek fazlı GaN evirgeç benzetim sonuçları 44 4. TEK FAZLI GaN EVİRGEÇ GELİŞTİRİLMESİ 50 4.1 Yüksek güç yoğunluklu tek fazlı evirgeç genel yapısı 50 4.2 Yüksek akımlı çok katmanlı baskı devre kartı ile tasarlanmış çıkış filtre bobini 53 5. DENEYSEL SONUÇLAR 56 6. DEĞERLENDİRME 63 7. SONUÇLAR 67 KAYNAKLAR 69 EKLER 73 ÖZGEÇMİŞ 81Bu tezde, çok katmanlı, yüksek akımlı baskı devre manyetik tasarımı ile yüksek güç yoğunluklu, doğal konveksiyon soğutmalı, tek fazlı evirgeç tasarımı ve geliştirilmesi için sistematik bir yaklaşım sunulmuştur. Silisyum tranzistör teknolojisi ile tasarlanan evirgeçlerin boyut ve verimliliği neredeyse belirli bir sınıra ulaşmıştır. Uygun bir devre düzenine sahip silisyum karbür (SiC) güç MOSFET’i ve galyum nitrat (GaN) arttırma modlu (a-mod) tranzistör gibi geniş band aralığına sahip güç yarı iletkenlerinin kullanımı, verimlilik sınırlarını daha da ileri götürmekle birlikte aynı zamanda evirgeç boyutunu küçültmektedir. Bu çalışmada, yüksek güç yoğunluğu ve yüksek verimli tek fazlı bir GaN evirgeç elde etmek için temelde iki yeni yaklaşıma dayanan sistematik bir metod önerilmektedir. Bu iki yaklaşım: optimum tranzistör ve anahtarlama frekansı ikilisi seçimi için evirgeç kayıplarının modülasyon endeksinin fonksiyonu olan analitik ifadelerini türetmek ve çok katmanlı yüksek akımlı baskı devre manyetik tasarımına dayalı çıkış filtresi bobini tasarımıdır. Geliştirilen 5-kVA çıkış gücüne sahip tek fazlı evirgeçte, evirgeç güç kayıplarını en aza indirgemek, soğutma gereksinimini ve sistemin boyutunu azaltmak için GaN a-mod tranzistörleri kullanılmıştır. GaN a-mod tranzistörlerin benzer teknik özelliklere sahip, silisyum ve silisyum karbür güç MOSFET’i gibi diğer aday tranzistörlerle güç kayıpları açısından nicelik olarak karşılaştırması gerçekleştirilmiştir. Hem GaN tranzistörlerin anahtarlama karakteristiğini, hem de tek fazlı evirgecin tüm sistem olarak yük altındaki performansını görmek için LTspice ve MATLAB Simulink programları ile bilgisayar benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Önerilen sistematik tasarım yaklaşımı gerçekleştirilen 5-kVA, 50-kHz, doğal (konveksiyon) hava soğutmalı GaN evirgeç üzerinde doğrulanmıştır. Tasarlanan evirgeç ile 2.7 W/cm3 (44.3 W/inç3) güç yoğunluğuna ve % 98 tam yük verimliliği değerlerine ulaşılmıştır