Κυκλώματα και λογισμικό για μετατροπείς ΣΡ/ΣΡ με ημιαγωγούς καρβιδίου του πυριτίου για χρήση σε φωτοβολταϊκά συστήματα
Authors: Κοκόσης Σωτήριος 
Published: September 2021

Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται μια λεπτομερής έρευνα των τρανζίστορ Ένωσης Επίδρασης Πεδίου (Junction Field Effect Transistors-JFETs) κάθετης δομής (Vertical Trench-VT), τα οποία είναι κατασκευασμένα από ημιαγωγό καρβιδίου του πυριτίου (SiC), τόσο σε ορθή όσο και σε ανάστροφη αγωγή. Θα μελετηθούν JFET τύπου απογύμνωσης (Depletion mode) τα οποία άγουν όταν δεν υπάρχει διέγερση στην πύλη τους (Normally-on), καθώς επίσης και JFET τύπου πύκνωσης (Enhancement mode), τα οποία είναι σε αποκοπή χωρίς διέγερση στην πύλη τους (Normally-off). Παρουσιάζεται ένα ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα των JFET βάσει της δομής τους. Επίσης παρατίθεται ένα δεύτερο ισοδύναμο κύκλωμα που βασίζεται σε μαθηματικές σχέσεις και για το οποίο προσδιορίζονται τα στοιχεία του μοντέλου του SiC JFET για το SPICE. Τα SiC JFET συγκρίνονται με άλλους ημιαγωγικούς διακόπτες από SiC και από Si. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τα βελτιωμένα χαρακτηριστικά των ημιαγωγών SiC τόσο στη μόνιμη όσο και στη μεταβατική κατάσταση λειτουργίας τους. Επίσης, παρουσιάζονται με λεπτομέρεια τα κυκλώματα μέτρησης των ταχέως μεταβαλλόμενων ρευμάτων των SiC JFET και σχεδιάζεται ένα κύκλωμα μέτρησης με μετασχηματιστές ρεύματος (Current Transformers - CT). Αυτό το κύκλωμα έχει τη δυνατότητα άμεσης μέτρησης τόσο των ρευμάτων αγωγής όσο και των διαφορών τους, σε JFET που συνδέονται παράλληλα. Για τη λειτουργία της παράλληλης σύνδεσης διενεργείται παραμετρική ανάλυση στα λειτουργικά χαρακτηριστικά των SiC JFET σε μόνιμη και σε μεταβατική κατάσταση λειτουργίας και διερευνάται η επίδραση των παρασιτικών στοιχείων του τυπωμένου κυκλώματος (PCB). Η αποτελεσματικότητα της παράλληλης σύνδεσης, εξετάζεται όσον αφορά τη διανομή των ρευμάτων και την αξιοπιστία της λειτουργίας τόσο σε ορθή όσο και σε ανάστροφη αγωγή. Προτείνονται διάφορες μέθοδοι για την επίτευξη της ισορροπίας των ρευμάτων. Κατά τη διάρκεια της ορθής αγωγής, αυτό επιτυγχάνεται με χρησιμοποίηση ελεγχόμενης χρονικής καθυστέρησης του σήματος των πυλών των JFET, μέσω ενός ψηφιακού ελεγκτή σημάτων χαμηλού κόστους (Digital Signal Controller-DSC). Στη διάρκεια της ανάστροφης αγωγής η ανισορροπία των ρευμάτων αντιμετωπίζεται με εφαρμογή διαφορετικής τάσης πόλωσης των πυλών των JFET, ή με την προσθήκη μιας αντιπαράλληλης διόδου. Η λειτουργικότητα των παραλληλισμένων JFET επαληθεύεται μέσω προσομοίωσης και μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων τόσο σε θερμοκρασία δωματίου όσο και σε θερμοκρασία 150 °C. Επιπρόσθετα, σχεδιάστηκε ένας μετατροπέας ανύψωσης τάσης, για χρήση σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Η υλοποίηση έγινε με χρήση Normally‐on και Normally‐off SiC JFET και οι πειραματικές μετρήσεις επαλήθευαν ότι η απόδοση του είναι εξαιρετικά υψηλή της τάξης του 99%. Ερευνήθηκε μία νέα μέθοδος παρακολούθησης του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT) φωτοβολταϊκών συστοιχιών, σχεδιασμένη να λειτουργεί αποτελεσματικά σε περιβάλλοντα με μεγάλο θόρυβο, να έχει ταχεία προσέγγιση του σημείου μεγίστης ισχύος και λειτουργία χωρίς ανεπιθύμητες ταλαντώσεις. Ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης ενσωματώθηκε μαζί με ένα τριφασικό αντιστροφέα σε μία ενιαία συσκευή επιδεικνύοντας εξαιρετική λειτουργικότητα και αξιοπιστία κατά τη διενέργεια των πειραματικών μετρήσεων.