Κυκλώματα Οδήγησης Ημιαγωγικών Διακοπτών Normally-On και Normally-Off JFETs Καρβιδίου Πυριτίου: Εφαρμογή σε Μετατροπέα Ανύψωσης Τάσης για Φωτοβολταϊκά Συστήματα

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, ο σχεδιασμός, η προσομοίωση και η κατασκευή κυκλωμάτων οδήγησης κατάλληλα για τους ημιαγωγικούς διακόπτες JFETs καρβιδίου του πυριτίου. Στη συνέχεια τα συγκεκριμένα κυκλώματα οδήγησης εφαρμόζονται κατά τον σχεδιασμό, τη προσομοίωση και την κατασκευή ενός μετατροπέα ανύψωσης τάσης βασισμένο στους συγκεκριμένους ημιαγωγικούς διακόπτες ισχύος. Αρχικά μελετούνται τα χαρακτηριστικά των Normally‐On και για τα Normally‐Off SiC JFETs και αναφέρονται τα πλεονεκτήματα των συγκεκριμένων ημιαγωγών εν συγκρίσει με τους συνήθεις ημιαγωγούς πυριτίου. Προκειμένου να πραγματοποιηθούν οι προσομοιώσεις των προτεινόμενων κυκλωμάτων οδήγησης των συγκεκριμένων ημιαγωγών, υλοποιούνται με χρήση του Orcad Pspice Model Editor τα μοντέλα του Normally‐On SiC JFET και αντίστοιχα του Normally‐Off. Προτείνονται διατάξεις κυκλωμάτων οδήγησης τα οποία καλύπτουν τις απαιτήσεις οδήγησης για τα Normally‐On και Normally‐Off SiC JFETs και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων μέσω του προγράμματος Orcad Pspice καθώς και τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Με βάση τα συγκεκριμένα αποτελέσματα γίνεται μια σύγκριση ανάμεσα στα χαρακτηριστικά των Normally‐On και των Normally‐Off SiC JFETs. Επιπρόσθετα, μελετάται και σχεδιάζεται μετατροπέας ανύψωσης τάσης με χρήση Normally‐On και Normally‐Off SiC JFETs τα οποία οδηγούνται με χρήση των προτεινόμενων κυκλωμάτων οδήγησης που σχεδιάστηκαν. Αντίστοιχα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων μέσω του προγράμματος Orcad Pspice καθώς και τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα, ενώ γίνεται σύγκριση της απόδοσης του μετατροπέα όταν υλοποιείται με Normally‐On και με Normally‐Off SiC JFETs. Τέλος, για την διασύνδεση του συγκεκριμένου μετατροπέα ανύψωσης με φωτοβολταϊκά συστήματα καθιστά απαραίτητη την ιχνηλάτηση του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT). Για αυτό το λόγο γίνεται μοντελοποίηση της φωτοβολταϊκής γεννήτριας και του μετατροπέα ανύψωσης με έλεγχο MPPT με την βοήθεια του Matlab Simulink. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοίωσης και τα αντίστοιχα πειραματικά.

The purpose of this diploma thesis is the study, design, simulation and construction of gate driver circuits suitable for silicon carbide JFETs power switches. Then, these drive circuits will be applied in the design, simulation and construction of a boost converter based on these specific semiconductors. Initially, the characteristics of Normally‐On and the Normally‐Off SiC JFETs are under investigation, as well as, the benefits of using these semiconductors, compared with the common silicon semiconductors, are referred. In order the simulations of the proposed driver circuit of these specific semiconductors to be carried out, Pspice models of Normally‐On and Normally‐Off SiC JFETs are created, using Orcad Pspice Model Editor. Drive circuits which satisfy the driving requirements of the Normally‐On and Normally‐Off SiC JFETs are proposed, the simulation results using the Orcad Pspice are presented, as well as the experimental results. Based on these results a comparison between the characteristics of Normally‐On and Normally‐Off SiC JFETs is undertaken. Additionally, a boost converter based on Normally‐On and Normally‐Off SiC JFETs is being studied and designed, using the proposed drive circuits had been designed before. Respectively, the simulation results using the Orcad Pspice are presented and the corresponding experimental results. A comparison of the performance of the converter is carried out, while the converter is implemented with Normally‐On and while with Normally‐Off SiC JFETs. Finally, in order this boost converter to be connected with photovoltaic systems a maximum power point tracking (MPPT) control is required. For this reason, the models of the PV generator and the boost converter with MPPT control have been created using Matlab Simulink. The simulation results and the respective experimental are presented.