GaN anahtarlama elemanları kullanılarak SMPS tasarımı ve silikon bazlı tasarımla karşılaştırma

Abstract

Günümüzde güç elektroniği alanında kullanılan dönüştürücülerde yüksek verimlilik ve kompakt tasarım ön planda tutulmaktadır. Özellikle, GaN (Galyum Nitrür) tabanlı anahtarlama elemanları, silikon tabanlı elemanlara göre daha yüksek verimlilik, daha düşük ısıl kayıp ve daha küçük boyutlar sunarak önemli bir avantaj sağlamaktadır. GaN teknolojisinin, güç dönüştürücü tasarımlarında sağladığı bu üstünlük, güç elektroniği sistemlerinin performansını artırmakta ve daha verimli enerji dönüşümünü mümkün kılmaktadır. Bu tez, GaN tabanlı anahtarlama elemanları ile tasarlanan bir flyback dönüştürücüsünün silikon tabanlı tasarım ile karşılaştırılmasını ele almaktadır. Çalışmanın amacı, GaN teknolojisinin flyback dönüştürücü tasarımlarında sağladığı verimlilik artışı ve kompaktlık avantajlarını incelemektir. Çalışma kapsamında, ilk olarak bir güç kaynağı devresi, GaN tabanlı flyback kontrol entegresiyle tasarlanmış ve benzetimi gerçekleştirilmiştir. Ardından, gerçekleştirilen bu tasarım fiziksel olarak oluşturulmuştur ve test edilmiştir. Sonrasında oluşturulan tasarımdaki flyback kontrolcüsü, silikon bazlı bir kontrolcüyle değiştirilmiş ve bu tasarım da aynı analizlere ve testlere tabii tutulmuştur. Tasarımlar karşılaştırıldığında, GaN tabanlı devrenin silikon tabanlı devreye kıyasla daha daha düşük ısıl kayıplar ile daha yüksek verimlilik sunduğu ve daha küçük boyutlarda tasarlanabileceği gözlemlenmiştir. Ayrıca, her iki tasarımda da enerji verimliliği, güvenlik önlemleri ve izolasyon gibi parametreler incelenmiş ve GaN tabanlı tasarımın bu alanlarda daha avantajlı olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçların ışığında bu çalışma, GaN teknolojisinin güç elektroniği uygulamalarında, özellikle flyback dönüştürücü gibi yüksek verimlilik gerektiren tasarımlarda nasıl bir fark yaratabileceğini ortaya koymaktadır.

In today's power electronics, high efficiency and compact design are prioritized in converters. Particularly, GaN (Gallium Nitride) based switching elements offer significant advantages over silicon-based elements, providing higher efficiency, lower thermal losses, and smaller sizes. The superiority of GaN technology, especially in power converter designs, enhances the performance of power electronics systems and enables more efficient energy conversion. This thesis focuses on comparing a GaN-based flyback converter design with silicon-based designs. The aim of the study is to examine the efficiency increase and compactness advantages provided by GaN technology in flyback converter designs. Initially, a power supply circuit was designed using a GaN-based flyback control IC and simulated. Then, this circuit design was physically implemented and tested. Subsequently, the flyback controller in the circuit was replaced with a silicon-based controller and this design was subjected to the same analyses and tests. When the two designs are compared, it is observed that the GaN-based circuit offers higher efficiency with lower thermal losses compared to the silicon-based circuit and can be designed in smaller sizes. Additionally, parameters such as energy efficiency, safety measures, and isolation were examined in both designs, GaN-based design has been shown to be more advantageous in these areas. According to the findings, this study reveals how GaN technology can make a difference in power electronics applications, especially in designs requiring high efficiency such as flyback converters.