Θερμιδομετρική διάταξη για την μέτρηση απωλειών ισχύος σε μετατροπείς Silicon Carbide

Abstract

Ο σχεδιασμός μετατροπέων ισχύος με ημιαγωγούς απο καρβίδιο πυριτίου (SiC) μπορεί να ακολουθήσει τρείς κατευθύνσεις. Αυτές είναι η υψηλή διακοπτική συχνότητα, η υψηλή θερμοκρασία και η υψηλή απόδοση. Η υψηλή απόδοση προτιμάται για μετατροπείς με ονομαστικές ισχύς, από δεκάδες W μέχρι και κάποια MW. Συγκεκριμένα, οι αναμενόμενες αποδόσεις για τέτοιους μετατροπείς ισχύος, είναι πάνω από 99.5%. Επομένως, οι αναμενόμενες απώλειες ισχύος είναι πολύ χαμηλές σε σχέση με την ονομαστική ισχύ και η μέτρηση τους αντιμετωπίζει προβλήματα τα οποία πρέπει να αντιμετωπισθούν. Οι τυπικές μέθοδοι μέτρησης της απόδοσης βασίζονται στην μέτρηση των ισχύων εισόδου και εξόδου. Ωστόσο, η μέτρηση αυτή περιέχει μεγάλα σφάλματα τα οποία οφείλονται στα σφάλματα ανάγνωσης της τάσης και του ρεύματος καθώς και στα σφάλματα ανάγνωσης της διαφοράς φάσης των δύο μεγεθών. Η ηλεκτρομαγνητική παρενόχληση (ΕΜΙ) μπορεί επίσης να δημιουργήσει προβλήματα στην ανάγνωση αυτών των μεγεθών. Οι μετρούμενες ποσότητες, περιέχουν αρμονικές υψηλής τάξης τις οποίες τα περισσότερα ψηφιακά όργανα δεν είναι σε θέση να μετρήσουν με υψηλή ακρίβεια. Συνεπώς, είναι δύσκολο να μετρηθεί με ακρίβεια η απόδοση τέτοιων μετατροπέων των οποίων η απόδοση υπερβαίνει το 99.5%. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μια άμεση μέθοδος, για να μετρηθούν με ακρίβεια οι απώλειες ισχύος. Μια θερμιδομετρική διάταξη είναι σε θέση να μετρήσει με ακρίβεια την θερμότητα που εκλύεται από έναν μετατροπέα, δηλαδή να μετρήσει άμεσα τις απώλειες ισχύος, με ένα σφάλμα που κυμαίνεται από 5% έως και 1%. Σε αυτή την διπλωματική εργασία, παρουσιάζεται η διαδικασία σχεδιασμού και υλοποίησης μιας θερμιδομετρικής διάταξης ανοιχτού τύπου, για τη μέτρηση απωλειών ισχύος, για μετατροπείς πυριτίου καρβιδίου. Παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία σχεδιασμού, καθώς δίνεται και το απαιτούμενο θεωρητικό υπόβαθρο. Υπάρχει μια εκτεταμένη ανάλυση αυτού, καθώς και πως αυτό συνεισφέρει στην πορεία αυτής της διπλωματικής εργασίας. Έπειτα, παρουσιάζονται η διαστασιολόγηση του συστήματος , η υλοποίηση, η κατασκευή του, καθώς επίσης αναφέρονται και οι πιθανές πηγές σφαλμάτων της μέτρησης. Επιπρόσθετα, περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο έγινε η βαθμονόμηση και παραθέτονται οι σχετικές μετρήσεις. Στην θερμιδομετρική διάταξη τοποθετείται και μετράται η απόδοση ενός dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης, ο οποίος αποτελείται από 4 ημιαγωγούς SiC (BJT) σε παράλληλη σύνδεση. Δίνονται πειραματικά αποτελέσματα τα οποία συγκρίνονται με τα αποτελέσματα που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας ένα μετρητή ισχύος και τέλος, δίνονται προτάσεις για εξέλιξη της παρούσας εργασίας καθώς και μια ανάλυση των κύριων συμπερασμάτων της εργασίας.

Three design directions might be used when silicon carbide power semiconductor devices are employed in power electronics converters. High switching frequency, high-temperature operation and high efficiency count as these three directions. The last design direction is favorable in power electronics converters having power ratings from a few tens of W up to several hundreds of MW. In particular, efficiencies well above 99.5% are expected for silicon carbide converters. The anticipated power losses is, therefore, very low and, thus, issues related to accurately measure this low amount of power losses must be dealt with. The typical measurement way of efficiencies is based on measuring the inlet and outlet powers. However, this results in huge errors due to reading errors of the voltage and current as such, but also due the phase- angle between the voltage and current. Electromagnetic interference (EMI) might also cause reading errors of the important quantities. The measurement quantities contain high order terms and most of the digital instruments are unable to measure them with high accuracy. Consequently, it is a difficult task to accurately measure the efficiency of such converters which might have efficiencies exceeding 99.5%. Therefore, it is necessary to use a direct method in order to accurately measure the power losses. A calorimetric power loss measurement setup is able to measure the heat dissipated from a device and as a result to measure directly the power losses with a negligible error which may vary from 5% to even 1%. In this thesis, the design process and implementation of an open type calorimetric power loss measurement setup for silicon carbide power electronics converters is presented. The design process is analytically presented and a theoretical background is also given. There is an extended analysis of the theoretical background presented and how this background fits to the project requirements. Afterwards, the dimensioning of the system and the implementation process are presented while possible sources of errors are also discussed. Furthermore, the way that the measurement setup has been calibrated is analyzed and related experimental results are shown. The efficiency of a 6 kW dc/dc boost converter consisting of 4 parallel-connected silicon carbide bipolar junction transistors was measured using the calorimetric setup. Various experimental results are shown and compared to results obtained using a power meter. A discussion along with suggestions for future work are given in the last chapter.