Μελέτη, Ανάλυση, Προσομοίωση, Συγκριτική μελέτη Ημιαγωγικών Διακοπτών τύπου Αραίωσης και Πύκνωσης JFETs Καρβιδίου του Πυριτίου και εφαρμογή σε Αντριστροφέα Ισχύος

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, η ανάλυση και η συγκριτική μελέτη μεταξύ ημιαγωγικών διακοπτών τύπου Αραίωσης και Πύκνωσης JFETs Καρβιδίου του Πυριτίου. Οι νέοι ημιαγωγοί μελετώνται και συγκρίνονται με σύγχρονους ημιαγωγούς Πυριτίου που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα σε εφαρμογές. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη συμπεριφορά τους τόσο κατά την ορθή όσο και κατά την ανάστροφη λειτουργία αγωγής. Σκοπός είναι να εξηγηθεί και να διαπιστωθεί κατά πόσον είναι απαραίτητη η προσθήκη αντιπαράλληλων διόδων αγωγής σε διάφορες εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος. Επιπλέον σχεδιάζονται νέα μοντέλα των ημιαγωγών στο λογισμικό Orcad Pspice έτσι ώστε να γίνει αποτελεσματικά η προσομοίωση τους. Ύστερα καινοτόμα κυκλώματα οδήγησης σχεδιάστηκαν με σκοπό την αξιοποίηση όσο το δυνατόν περισσότερο των ιδιαιτέρων χαρακτηριστικών των καινούριων ημιαγωγών. Πειραματική μελέτη και σύγκριση μεταξύ τους διεξάγεται έτσι ώστε να καταλήξουμε στην καλύτερη δυνατή λύση. Αφού εξηγηθεί η λειτουργία των κυκλωμάτων και τα σημεία στα οποία πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη έμφαση κατά την κατασκευή τους, προχωράμε στην ανάπτυξη μεθόδων με τις οποίες μπορούμε να περιορίσουμε το ανεπιθήμητο φαινόμενο των ταλαντώσεων στις κυματομορφές των τάσεων και ρεύματος εξόδου. Στο τελευταίο κεφάλαιο, γίνεται η προσομοίωση αντιστροφέων με ημιαγωγικούς διακόπτες Καρβιδίου του Πυριτίου με και χωρίς αντιπαράλληλες διόδους και συγκρίνονται με σύγχρονους αντιστροφείς Πυριτίου. Τέλος, κατασκευάζεται αντιστροφέας μόνο με ημιαγωγούς τύπου Αραίωσης JFET και οι κυματομορφές εξόδου καθώς και η απόδοση του παρουσιάζονται.

The purpose of this diploma thesis is the study, analysis and comparison study between Silicon Carbide Depletion Mode and Enhancement Mode JFETs. The new semiconductors are presented and compared with equivalent modern Silicon devices which are used to today applications. Special attention is given to the forward and reverse characteristics of the Silicon Carbide JFETs in order to evaluate and explain if the addition of freewheeling diodes in Silicon Carbide power electronics applications is necessary. Furthermore, novel gate drive circuits were designed so that it can be possible to exploit the unique features of the new devices. Experimental evaluation and comparison between them is exhibited to conclude to the best solution. After we have explained the operation of the circuits and the points on which special care should be given, we proceed to the development of methods in order to reduce the undesirable problem of oscillations in the output voltage and current waveforms. In the last chapter, an analytical simulation between power inverters based on Silicon JFETs with and without antiparallel diodes is done and they are compared with up to date Silicon converters. Finally, an inverter consisted only by Depletion Mode JFETs is constructed and the output voltage and current waveforms as well as its efficiency are presented.