Mostrar registro simples

dc.creatorBarboza, Igor Bertoncello
dc.date.accessioned2022-10-21T15:49:06Z
dc.date.available2022-10-21T15:49:06Z
dc.date.issued2022-08-31
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/26615
dc.description.abstractThis work presents a comparative analysis in terms of efficiency and losses estimation between a power control (PC) stage of a commercial LED luminaire, which uses Silicon (Si) transistors, with respect to two prototypes that use distinct Gallium Nitride (GaN) transistors for the same application. The work development is presented in details, including the design of the proposed electronic systems, the theoretical losses analysis and experimental validations of both prototypes with GaN transistors. Firstly, a literature review about the structure, working principle, characteristics, advantages and disadvantages of GaN transistors is accomplished, as well as the main existing device types. The review addresses the technological challenges, including the PCB (printed circuit board) layout, thermal management and measurements in GaN transistors. Then the LEDs drivers in the literature are presented, focused on the selected topology, the voltage, current and power levels in the GaN devices, the power density and the efficiency, the type of GaN transistor employed, the switching frequencies and the maximum reached efficiencies. Finally, a comparative analysis of efficiency, losses estimation and its distribution between the main commercial components of the LED driver PC stage is performed. The converters with Si MOSFETs were compared to the Synchronous Buck converters which employ enhancement-mode GaN transistors, developed and implemented in the case study 1, with the monolithic solution MasterGaN1, and in the case study 2, with the discrete solution with GaN transistors of the model GS-065-011-1-L and the external gate drivers. The experimental efficiencies of the GaN-based synchronous buck converters of the case studies 1 and 2, disregarding the auxiliary circuits consumption (including the gate drivers), remained in the range between 96% and 97%, what showed an increase of at least 1% related to the best case compared to the Si MOSFET, in the whole LED load dimming range (10-100%). The discrete solution converter presented bigger efficiency, in nominal power, in comparison to the monolithic, which is a difference around 0.35%. Regarding the GaN devices temperature, the ones of the case study 2 remained in 80.4°C and 85°C, while the monolithic solution presented 90.4°C. An analysis of the losses prediction in GaN-based synchronous buck converters was developed. estimated and experimental va From this prediction, the absolute error lues, were 0.034% and 0. s obtained , between the 122%, respectively, for the case studies 1 and 2. Through the analysis of the losses prediction results of the Buck converters of the reference work, with Si MOSFET, it was observed t hat t the semicon ductor devices, MOSFET and freehe predominance of losses occur wheeling diode, s which concentrate leastw in ise 60% of the GaNSibased converter losses. For another side, the based synchronous buck converters theoretical showed that in theses circuits t losses analysis of the he losses are mainly in the buck converter inductor and correspond to 70% of the losses for both case studies, in nominal power.eng
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESpor
dc.languageporpor
dc.publisherUniversidade Federal de Santa Mariapor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/*
dc.subjectTransistor de nitreto de gáliopor
dc.subjectMasterGaN1por
dc.subjectEstágio de controle de potênciapor
dc.subjectSolução monolíticapor
dc.subjectSolução discretapor
dc.subjectEficiênciapor
dc.subjectEstimativa de perdaspor
dc.subjectGerenciamento térmicopor
dc.subjectLayout de PCBspor
dc.subjectElementos parasitaspor
dc.subjectGallium nitride transistoreng
dc.subjectMasterGaN1eng
dc.subjectPower control stageeng
dc.subjectMonolithic solutioneng
dc.subjectDiscrete solutioneng
dc.subjectEfficiencyeng
dc.subjectLosses estimationeng
dc.subjectThermal managementeng
dc.subjectPCBs layouteng
dc.subjectParasitic elementseng
dc.titleAvaliação do uso de semicondutores de nitreto de gálio no estágio de controle de potência de uma luminária LED para iluminação públicapor
dc.title.alternativeEvaluation of the use of gallium nitride semiconductors in the power control stage of an LED luminaire for public lightingeng
dc.typeDissertaçãopor
dc.description.resumoEste trabalho apresenta uma análise comparativa em termos de eficiência e estimativa de perdas entre um estágio de controle de potência (CP) de uma luminária LED comercial, que faz uso de transistores de silício (Si), em relação a dois protótipos que utilizam transistores de nitreto de gálio (GaN) distintos para a mesma aplicação. O desenvolvimento do trabalho é apresentado em detalhes, incluindo o projeto dos sistemas eletrônicos propostos, as análises de perdas teóricas e as validações experimentais de ambos os protótipos com transistores GaN. Primeiramente, uma revisão bibliográfica sobre estrutura, princípio de funcionamento, características, vantagens e desvantagens dos transistores GaN é realizada, assim como os principais tipos de dispositivos existentes. A revisão aborda os desafios tecnológicos, incluindo layout de placas de circuito impresso (PCBs, do inglês Printed Circuit Boards), gerenciamento térmico e medições em transistores GaN. Após isso, são apresentados os circuitos de acionamento de LEDs presentes na literatura, com ênfase na topologia selecionada, nos níveis de tensão, corrente e potência nos dispositivos GaN, a densidade de potência e a eficiência, o tipo de transistor GaN empregado, as frequências de comutação e as eficiências máximas atingidas. Ao final, uma análise comparativa de eficiência, estimativa e distribuição de perdas entre os principais componentes do estágio de CP do circuito de acionamento de LEDs comercial é elaborada. Os conversores com MOSFETs de Si foram comparados aos conversores Buck Síncronos que empregam transistores GaN do tipo intensificação, desenvolvidos e implementados no estudo de caso 1, com a solução monolítica MasterGaN1, e no estudo de caso 2, com a solução discreta com transistores GaN de modelo GS-065-011-1-L e circuitos de gate driver externos. As eficiências experimentais dos conversores Buck Síncronos com transistores GaN dos estudos de caso 1 e 2, desconsiderando o consumo dos circuitos auxiliares (incluindo os de gate driver), ficaram no intervalo aproximado de 96 a 97%, o que evidenciou um aumento de pelo menos 1% em relação ao melhor caso comparado com MOSFET de Si, ao longo de todo o intervalo de dimerização da carga LED (10-100%). O conversor da solução discreta apresentou maior eficiência, em potência nominal, em relação à monolítica, a qual é uma diferença em torno de 0,35%. Com respeito às temperaturas nos dispositivos GaN, as do estudo de caso 2 ficaram em 80,4°C e 85°C, enquanto a da solução monolítica apresentou 90,4°C. Uma análise de estimativa de perdas dos conversores Buck Síncronos com transistores GaN foi desenvolvida. A partir dessa predição, o erro absoluto obtido, entre os valores estimado e experimental em potência nominal, foi 0,034% e 0,122%, respectivamente, para os estudos de caso 1 e 2. Através da análise dos resultados da estimativa de perdas dos conversores Buck do trabalho de referência, com MOSFET de Si, observou-se que a predominância de perdas ocorre nos dispositivos semicondutores, MOSFET e diodo de roda-livre, que concentram pelo menos 60% das perdas dos conversores com dispositivos de Si. Por outro lado, a análise teórica de perdas dos conversores Buck Síncronos com transistores GaN mostrou que nesses circuitos as perdas estão principalmente no indutor do conversor Buck e correspondem a 70% das perdas para ambos os estudos de caso, em potência nominal.por
dc.contributor.advisor1Dalla Costa, Marco Antônio
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4455422053321491por
dc.contributor.referee1Piovesan, Tális
dc.contributor.referee2Almeida, Pedro Santos
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/3824773568274109por
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentEngenharia Elétricapor
dc.publisher.initialsUFSMpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétricapor
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICApor
dc.publisher.unidadeCentro de Tecnologiapor


Arquivos deste item

Thumbnail
Thumbnail

Este item aparece na(s) seguinte(s) coleção(s)

Mostrar registro simples

Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International
Exceto quando indicado o contrário, a licença deste item é descrito como Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International