Yeni nesil yarıiletken güç elemanlarının endüksiyonlu ocaklarda kullanımının incelenmesi

Abstract

Enerjinin verimli kullanılması güç elektroniği uygulamalarında önemlidir. Endüksiyonla ısıtma temassız ve direk bir ısıtma yöntemi olduğu için diğer ısıtma türlerine göre daha verimli, hızlı ve güvenlidir. Endüksiyonla ısıtmada yüksek frekanslı güç elektroniği dönüştürücüsünün ve manyetik elemanın verimli kullanılması gerekir. Güç elektroniği dönüştürücüsünün kontrolünü sağlayan yarıiletken güç elemanlarındaki teknolojik gelişmeler endüksiyonla ısıtma sisteminin veriminin artması anlamına gelmektedir. Silisyum (Si) yarıiletken yerine enerji bant aralığı daha geniş olan Silisyum Karbür (SiC) yarıiletken ile üretilen güç elemanlarının iletim dirençleri ve güç kayıpları azaltılmıştır. Böylece yeni nesil yarıiletken güç elemanları kullanılarak güç elektroniği uygulamalarında yüksek güç ve yüksek frekanslara çıkmak amaçlanmıştır.Bu tez çalışmasında, yeni nesil yarıiletken güç elemanlarının endüksiyonlu ocaklarda kullanımı incelenmiştir. Güç elektroniği uygulamalarında kullanılan yarıiletken elemanların içyapıları ve çalışma prensipleri detaylı olarak incelenmiştir. Ev tipi endüksiyonlu ocaklarda kullanılmak üzere 45-125 kHz frekans aralığında çalışabilen seri rezonanslı yarım köprü inverter devresinin tasarımı ve bir prototipi gerçekleştirilmiştir. Farklı firmalara ait benzer akım, gerilim değerlerine sahip Si ve SiC güç elemanları seçilmiştir. 45-125 kHz frekans aralığında yarıiletken güç elemanlarının kesime girme enerji kayıpları, kesime girme süreleri, akımlarının sıfıra düşme süreleri, iç diyotlarının güç kayıpları ve iletim gerilim düşümleri uygulama devresinden alınan verilerle hesaplanmıştır. Detaylı analizler sonucunda, düşük frekanslarda Si IGBT yarıiletken güç elemanının güç kayıplarının daha az olduğu, frekans yükseldikçe SiC yarıiletken güç elemanlarının güç kayıplarının azaldığı görülmüştür.

Efficient use of energy is important in power electronics applications. Since induction heating is a non-contact and direct heating method, it is more efficient, faster and safer than other heating types. For induction heating, high frequency power electronics converter and magnetic element must be used efficiently. Technological advances in the semiconductor power devices that provide control of the power electronics converters means an increase in the efficiency of the induction heating system. Conduction resistance and power losses of semiconductor devices produced with wider energy band Silicon Carbide (SiC) semiconductor instead of Silicon (Si) are decreased. Thus, it is aimed to reach high power and high frequencies in power electronics applications by using new generation semiconductor power devices.In this thesis, the use of new generation semiconductor power devices in induction cookers is investigated. The internal structure and working principles of semiconductor devices used in power electronics applications are examined in detail. The design and prototype of the series resonance half bridge inverter circuit, which can operate in the frequency range of 45-125 kHz, have been realized for use in domestic induction cookers. Si and SiC power devices with similar current and voltage values were selected. The semiconductor power devices in the frequency range of 45-125 kHz, the energy losses during turn off, the falling time, the power losses of the body diodes and the conduction voltage drops are calculated with the data taken from the application circuit. As a result of the detailed analysis, it is concluded that the power losses of Si IGBT semiconductor power devices are lower in low frequency regions and the power losses of SiC semiconductor power devices decrease as the frequency increases.