Ανάλυση διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος με χρήση διακοπτικών συναρτήσεων

Abstract

Αντικείμενο της διπλωματικής είναι τα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος και οι διατάξεις αυτών που χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα μετατροπέων ηλεκτρικής ενέργειας. Η ανάλυσή τους βασίζεται στη θεωρία των διακοπτικών συναρτήσεων, των συναρτήσεων εκείνων δηλαδή που περιγράφουν τη διακοπτική λειτουργία των ημιαγωγικών στοιχείων ενός κυκλώματος λαμβάνοντας την τιμή 1 ή την τιμή 0, ανάλογα με την κατάσταση αγωγής του στοιχείου. Αρχικά παρουσιάζονται τα κυριότερα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στην υλοποίηση κυκλωμάτων μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας, δίνοντας έμφαση στις διακοπτικές τους ιδιότητες και τις τιμές τάσης, έντασης και συχνότητας που μπορούν να λειτουργήσουν. Στη συνέχεια μελετώνται τα βασικότερα κυκλώματα ανορθωτών και αντιστροφέων, κατασκευάζεται η διακοπτική συνάρτηση που περιγράφει τη λειτουργία τους και αναζητείται η ανάλυση Fourier της παραπάνω συνάρτησης προκειμένου να είναι δυνατός ο υπολογισμός των αρμονικών συνιστωσών στην έξοδο τους. Τέλος, παρουσιάζονται μερικά από τα βασικότερα κυκλώματα μετατροπέων εναλλασσόμενης τάσης που χρησιμοποιούνται σήμερα ή βρίσκονται ακόμα σε ερευνητικό στάδιο για μελλοντική χρήση. Η ανάλυση τους βασίζεται στην εύρεση του συνόλου των διακοπτικών συναρτήσεων που απαιτούνται ώστε τα μεγέθη στην έξοδο να συνδεθούν άμεσα με τα μεγέθη στην είσοδο, προκειμένου να είναι δυνατός ο υπολογισμός των επιθυμητών τιμών τάσης και έντασης μεταβάλλοντας τους χρόνους αγωγής των διακοπτικών στοιχείων του μετατροπέα.

Power electronics can be described as a group of electrical and electronic components arranged to form an electric circuit or group of circuits for the purpose of modifying or controlling electric power from one form to another. The modern age of power electronics began with the introduction of thyristors in the late 1950s and now there are several types of power devices available for high-power and high-frequency applications. The most notable power devices are diodes, thyristors, transistors, power MOSFETs and IGBTs. Those devices are presented to the first part of this book. Power electronic devices have exactly two distinct states, ON and OFF, such us a simple switch. The switching function method of analysis represents those two states and gives the response of a switched circuit. When the parameters of the switching function are changed, the new steady state can be defined but it does not tell us how it goes there and how long it takes. Hence at the moment the switching function technique is limited to the steady state. Switching function analysis is very useful in that it can allow us to describe the effects of the input upon the output of a circuit and reverse. It also allows us to describe the operation of the circuit as sum of sines and cosines and estimate power system harmonic content of voltage and current. Switching functions are presented to second and third part of this book.