Resonant converter
Authors: Παπαδόπουλος Θεόφιλος 
Published: November 2023

Η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει στην ανάλυση και τον σχεδιασμό μετατροπέων συντονισμού υψηλής συχνότητας, με έμφαση στον σχεδιασμό των μαγνητικών στοιχείων. Συνεισφέρει με τις τροποποιήσεις υφιστάμενων εξισώσεων και την εισαγωγή νέων για την ακριβή εκτίμηση της επαγωγής παραλληλόγραμμων επίπεδων περιελίξεων, ενός και πολλών επιπέδων, επιτρέποντας τη γρήγορη σχεδίαση και την εφαρμογή αλγορίθμων βελτιστοποίησης. Επιπλέον, η παρούσα διατριβή παρέχει λύσεις κλειστής μορφής των διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν όλες τις περιοχές λειτουργίας των μετατροπέων συντονισμού LC και LLC, παρέχοντας λεπτομερή εικόνα της συμπεριφοράς τους και θέτοντας τα κριτήρια για την επιλογή παθητικών και ενεργών στοιχείων. Πραγματοποιείται σύγκριση μεταξύ των περιοχών και ορίζονται οι οριακές συνθήκες μεταξύ κάθε περιοχής λειτουργίας. Η δομή έχει ως εξής: Αρχικά, συγκεντρώνονται και παρατίθενται καλές πρακτικές σχεδιασμού πλακετών τυπωμένου κυκλώματος (ΠΤΚ), που διαχειρίζονται υψίσυχνες τάσεις και ρεύματα, των οποίων η δυσκολία σχεδιασμού έγκειται στο ότι περιλαμβάνουν σήματα υψηλής ισχύος και συχνότητας, καθώς και αναλογικά και ψηφιακά σήματα ελέγχου και μετρήσεων. Οι πρακτικές αυτές εμφανίζονται διάσπαρτες στη βιβλιογραφία (σε συγγράμματα και άρθρα), αλλά και σε συνεντεύξεις και παρουσιάσεις έμπειρων σχεδιαστών πλακετών υψηλών συχνοτήτων και ηλεκτρονικών ισχύος.Στη συνέχεια, προτείνονται τροποποιήσεις σε υπάρχουσες εξισώσεις για τον υπολογισμό της επαγωγής επίπεδων παραλληλόγραμμων τυλιγμάτων ενός επιπέδου, με το σφάλμα εκτίμηση να παραμένει μικρό, όπως και στις αρχικές εξισώσεις. Η χρήση παραλληλόγραμμων τυλιγμάτων δίνει έναν επιπλέον βαθμό ελευθερίας στον σχεδιαστή, ενώ η ακριβής γνώση της επαγωγής διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στον υπολογισμό των χαρακτηριστικών τιμών του μετατροπέα συντονισμού. Προτείνεται μία νέα μονώνυμη εξίσωση για τον υπολογισμό της επαγωγής παραλληλόγραμμων τυλιγμάτων πολλών επιπέδων, η οποία διατηρεί την υψηλή ακρίβεια εκτίμησης των εξισώσεων για τα τυλίγματα του ενός επιπέδου. Πραγματοποιείται συγκριτική μελέτη για την ακρίβεια των διάφορων εξισώσεων σε τυλίγματα ενός και πολλαπλών επιπέδων, αναδεικνύοντας αυτήν που παρέχει το μικρότερο σφάλμα, για κάθε περίπτωση. Γίνεται σύντομη ανάλυση της επίδρασης της εισαγωγής πυρήνα (τύπου φερρίτη) στη συμπεριφορά και την επαγωγή ενός επίπεδου τυλίγματος. Τέλος, παρουσιάζονται αναλυτικά μοντέλα στο πεδίο του χρόνου για τους μετατροπείς συντονισμού σειράς και LLC, για όλες τις περιοχές λειτουργίας (επαγωγική, συντονισμού, χωρητική), όπως αυτές προκύπτουν από τις λύσεις των διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν το κύκλωμα. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις οριακές συνθήκες των περιοχών και ειδικά στον διαχωρισμό μεταξύ περιοχής συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής. Από τις λύσεις προκύπτουν οι τιμές της τάσης και του ρεύματος για κάθε κόμβο του μετατροπέα συντονισμού, καθώς και οι απαραίτητες συνθήκες για την επίτευξη ομαλής μετάβασης των διακοπτών υπό μηδενική τάση ή ρεύμα. Πραγματοποιείται σύγκριση μεταξύ διακοπτικών στοιχείων τύπου MOSFET και IGBT και αναδεικνύεται η πιο αποδοτική περιοχή λειτουργίας για το κάθε στοιχείο. Με βάση τις τιμές των ηλεκτρικών μεγεθών, προτείνεται μια διαδικασία επιλογής παθητικών και ενεργών στοιχείων, η οποία συμπεριλαμβάνει τα παρασιτικά στοιχεία των ημιαγωγικών διακοπτών.