Characterization of GaN transistors and development of bi-directional DC/DC converter with half-bridge having short circuit protection for parallel switches

Artırılmış elektron hareketlilikleri ve bozulma dayanımı seviyeleri ile geniş bant aralıklı yarı iletkenler Si tabanlı yarı iletkenlere göre daha üstündür. Bu üstünlük yarı iletkenlerin küçük paketlerde üretilmesine, düşük parazitik oluşmasına ve anahtarlama frekansının artırılabilir olmasına olanak sağlar. Geniş bant aralıklı yarı iletkenler ile özellikle de GaN HEMT cihazlar ile yüksek verimli ve düşük hacimli güç çeviricileri tasarlanılabilir. Bu tezde, GaN HEMT anahtarlar, nitelendirme ve uygulama çalışmaları ile incelenmiştir. Yarı iletken kapısının elektriksel yükü ve çıkış sığası, tasarlanmış deneysel çalışmalarla nitelendirilmiş olup üreticinin paylaştığı veri ile kıyaslanmıştır. Üretici verisi ile deneysel sonuçlar arasındaki farklar vurgulanmış ve bu farkların sebepleri irdelenmiştir. Nitelendirilen bu parametreler ile GaN HEMT cihazların anahtarlama performansları benzetim çalışmaları ile degerlendirilmiş ve paket sığası, parazitik endüktans,sıcaklık, kapı direnci gibi parametrelerden nasıl etkilendiği tartışılmıştır. Daha sonra hat tasarım eniyileştirme çalışması yapılarak paralel GaN HEMT kullanımı ile birlikte yarım köprü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bununla beraber, GaN HEMT'leri yüksek akımdan korumak ve güvenilirliği artırmak için bir kısa devre koruma yöntemi aynı yarım köprü baskı devre kartı üzerine yerleştirilmiştir. Bu kısa devre koruma yöntemi, hatayı 40 ns içerisinde algılamakta ve 100 ns içerisinde kısa devre akımını kontrol altına alabilmektedir. Son olarak bir çift yönlü DA/DA çevirici örnek uygulaması tasarlanan yarım köprü baskı devre kartları kullanılarak gerçekleştirilmiş ve 5.24 kW/l güç yogunluğuna 5.4 kW güç değeri altında ulaşılmıştır. Bu güç yogunluğu sıfır gerilim anahtarlama uygulanarak çıkılan 450 kHz anahtarlama frekansı ile elde edilmiştir. Sıfır gerilim anahtarlamanın elde edim yöntemi kritik mod anahtarlamadır. DA/DA çeviricinin verimliliği tam yük altında %97.7 olarak ölçülmüştür.