ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟ ΠΑΣΡΧΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΔΚΣΡΟΛΟΓΧΝ ΜΗΥΑΝΙΚΧΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΧΝ ΣΟΜΔΑ ΤΣΗΜΑΣΧΝ ΗΛΔΚΣΡΙΚΗ ΔΝΔΡΓΔΙΑ ΔΡΓΑΣΖΡΗΟ ΖΛΔΚΣΡΟΜΖΥΑΝΗΚΖ ΜΔΣΑΣΡΟΠΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ ηνπ Φνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ ΥΡΗΣΟ ΛΔΧΝΙΓΑ ΓΔΛΑΚΑ Α.Μ.: 7768 ΜΔΛΔΣΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΑΝΤΦΧΣΗ ΤΝΔΥΟΤ ΣΑΗ Δ ΤΝΔΥΗ ΣΑΗ, ΠΗΓΗ ΔΜΠΔΓΗΗ, ΓΙΑ ΥΡΗΗ Δ ΓΙΑΦΟΡΔ ΔΦΑΡΜΟΓΔ Δπηβιέπσλ: Γξ.-Μερ. Δκκαλνπήι Σαηάθεο, Καζεγεηήο Ν ο 40 Πάηξα, Απξίιηνο 017 ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟΤΠΟΛΖ ΠΑΣΡΑ 6504 ΡΗΟ - ΠΑΣΡΑ Σει: +30.610.99641 Σει: +30.610.996415 Σει: +30.610.996414 Fax: +30.610.99736 E-mail e.c.tatakis@ece.upatras.gr
Πανεπιζηήμιο Παηπών, Τμήμα Ηλεκηπολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίαρ Υπολογιζηών Φπήζηορ Δελακάρ 017 Με ηην επιθύλαξη πανηόρ δικαιώμαηορ Σν ζχλνιν ηεο εξγαζίαο απνηειεί πξσηφηππν έξγν, παξαρζέλ απφ ηνλ Υξήζην Γειαθά, θαη δελ παξαβηάδεη δηθαηψκαηα ηξίησλ θαζ νηνλδήπνηε ηξφπν. Τιηθφ πνπ πεξηέρεηαη ζηελ εξγαζία, ην νπνίν δελ έρεη παξαρζεί απφ ηνλ ίδην, είλαη επδηάθξηην θαη αλαθέξεηαη ξεηψο εληφο ηνπ θεηκέλνπ ηεο εξγαζίαο σο πξντφλ εξγαζίαο ηξίηνπ, ζεκεηψλνληαο κε παξνκνίσο ζαθή ηξφπν ηα ζηνηρεία ηαπηνπνίεζήο ηνπ, ελψ παξάιιεια βεβαηψλεηαη πσο ζηελ πεξίπησζε ρξήζεο απηνχζησλ γξαθηθψλ αλαπαξαζηάζεσλ, εηθφλσλ, γξαθεκάησλ θιπ., ν ζπγγξαθέαο έρεη ιάβεη ηε ρσξίο πεξηνξηζκνχο άδεηα ηνπ θαηφρνπ ησλ πλεπκαηηθψλ δηθαησκάησλ γηα ηε ζπκπεξίιεςε θαη επαθφινπζε δεκνζίεπζε ηνπ πιηθνχ απηνχ.
ΠΑΝΔΠΗΣΖΜΗΟ ΠΑΣΡΧΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΔΚΣΡΟΛΟΓΧΝ ΜΗΥΑΝΙΚΧΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΧΝ ΣΟΜΔΑ ΤΣΗΜΑΣΧΝ ΗΛΔΚΣΡΙΚΗ ΔΝΔΡΓΔΙΑ ΔΡΓΑΣΖΡΗΟ ΖΛΔΚΣΡΟΜΖΥΑΝΗΚΖ ΜΔΣΑΣΡΟΠΖ ΔΝΔΡΓΔΗΑ ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ ηνπ Φνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ ΥΡΗΣΟΤ ΛΔΧΝΙΓΑ ΓΔΛΑΚΑ Α.Μ.: 7768 ΜΔΛΔΣΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΑΝΤΦΧΣΗ ΤΝΔΥΟΤ ΣΑΗ Δ ΤΝΔΥΗ ΣΑΗ, ΠΗΓΗ ΔΜΠΔΓΗΗ, ΓΙΑ ΥΡΗΗ Δ ΓΙΑΦΟΡΔ ΔΦΑΡΜΟΓΔ Δπηβιέπσλ: Γξ.-Μερ. Δκκαλνπήι Σαηάθεο, Καζεγεηήο Ν ο 40 Πάηξα, Απξίιηνο 017
Πανεπιζηήμιο Παηπών, Τμήμα Ηλεκηπολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίαρ Υπολογιζηών Φπήζηορ Δελακάρ 017 Με ηην επιθύλαξη πανηόρ δικαιώμαηορ Σν ζχλνιν ηεο εξγαζίαο απνηειεί πξσηφηππν έξγν, παξαρζέλ απφ ηνλ Υξήζην Γειαθά, θαη δελ παξαβηάδεη δηθαηψκαηα ηξίησλ θαζ νηνλδήπνηε ηξφπν. Τιηθφ πνπ πεξηέρεηαη ζηελ εξγαζία, ην νπνίν δελ έρεη παξαρζεί απφ ηνλ ίδην, είλαη επδηάθξηην θαη αλαθέξεηαη ξεηψο εληφο ηνπ θεηκέλνπ ηεο εξγαζίαο σο πξντφλ εξγαζίαο ηξίηνπ, ζεκεηψλνληαο κε παξνκνίσο ζαθή ηξφπν ηα ζηνηρεία ηαπηνπνίεζήο ηνπ, ελψ παξάιιεια βεβαηψλεηαη πσο ζηελ πεξίπησζε ρξήζεο απηνχζησλ γξαθηθψλ αλαπαξαζηάζεσλ, εηθφλσλ, γξαθεκάησλ θιπ., ν ζπγγξαθέαο έρεη ιάβεη ηε ρσξίο πεξηνξηζκνχο άδεηα ηνπ θαηφρνπ ησλ πλεπκαηηθψλ δηθαησκάησλ γηα ηε ζπκπεξίιεςε θαη επαθφινπζε δεκνζίεπζε ηνπ πιηθνχ απηνχ.
ΠΗΣΟΠΟΗΖΖ Πιζηοποιείηαι όηι η διπλυμαηική επγαζία με θέμα: "ΜΔΛΔΣΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΑΝΤΦΧΣΗ ΤΝΔΥΟΤ ΣΑΗ Δ ΤΝΔΥΗ ΣΑΗ, ΠΗΓΗ ΔΜΠΔΓΗΗ, ΓΙΑ ΥΡΗΗ Δ ΓΙΑΦΟΡΔ ΔΦΑΡΜΟΓΔ" ηνπ θνηηεηή ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ: ΥΡΗΣΟΤ ΛEΧΝΙΓΑ ΓΔΛΑΚΑ (Α.Μ. 7768) Παξνπζηάζηεθε δεκφζηα θαη εμεηάζηεθε ζην Σκήκα Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ζηηο 8/04/017 Ο Δπηβιέπσλ Ο Γηεπζπληήο ηνπ Σνκέα Δκκαλνπήι Σαηάθεο Καζεγεηήο Αληψληνο Αιεμαλδξίδεο Καζεγεηήο
Απιθμόρ Γιπλυμαηικήρ Δπγαζίαρ: 7768/017 ΣΙΣΛΟ: "ΜΔΛΔΣΗ ΚΑΙ ΚΑΣΑΚΔΤΗ ΑΝΤΦΧΣΗ ΤΝΔΥΟΤ ΣΑΗ Δ ΤΝΔΥΗ ΣΑΗ, ΠΗΓΗ ΔΜΠΔΓΗΗ, ΓΙΑ ΥΡΗΗ Δ ΓΙΑΦΟΡΔ ΔΦΑΡΜΟΓΔ" Φνηηεηήο: Δπηβιέπσλ: Υξήζηνο Γειαθάο ηνπ Λεσλίδα Γξ.-Μερ. Δκκαλνπήι Σαηάθεο, Καζεγεηήο Πεπίλητη Ζ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία πξαγκαηεχεηαη ηελ αλάιπζε ηεο ιεηηνπξγηθήο ζπκπεξηθνξάο θαη ηελ θαηαζθεπή ελφο κεηαηξνπέα αλχςσζεο ζπλερνχο ηάζεο ζε ζπλερή ηάζε πεγήο εκπέδεζεο, o νπνίνο αλαθέξεηαη ζηε δηεζλή βηβιηνγξαθία σο Z-Source DC-DC Boost Converter (Boost ZSC), θαη ζηε ζπλέρεηα ηνπ θεηκέλνπ ζα αλαθέξεηαη Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο. Ζ εξγαζία απηή εθπνλήζεθε ζην Δξγαζηήξην Ζιεθηξνκεραληθήο Μεηαηξνπήο Δλέξγεηαο ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ. θνπφο είλαη ε αλάιπζε απηήο ηεο ζρεηηθά λέαο θαηεγνξίαο κεηαηξνπέσλ, πνπ γηα πξψηε θνξά εμεηάδεηαη ζην ζπγθεθξηκέλν εξγαζηήξην, απφ ηελ νπνία ζα επηιεγεί έλαο κεηαηξνπέαο γηα ρξήζε σο πξψηεο βαζκίδαο αλχςσζεο ηεο ηάζεο, ζε θσηνβνιηαïθά πιαίζηα ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο (AC- PV modules). Αξρηθά κειεηήζεθαλ νη ηερλνινγίεο δηαζχλδεζεο ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ απφ ηηο νπνίεο ηδηαίηεξν ελδηαθέξνλ ζηηο κέξεο καο παξνπζηάδεη ε ηερλνινγία θσηνβνιηατθψλ πιαηζίσλ ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο (AC-PV modules), ζηελ νπνία, αλάινγα κε ηε ρξεζηκνπνηνχκελε ηνπνινγία, είλαη πηζαλφ λα απαηηείηαη ε ρξήζε κεηαηξνπέα ζπλερνχο ηάζεο ζε ζπλερή (DC-DC converter) σο πξψηε βαζκίδα αλχςσζεο ηεο ηάζεο. ηε ζπλέρεηα έγηλε εηζαγσγή ζηε ινγηθή ηνπ δηθηχνπ εκπέδεζεο, πνπ ηνπνζεηείηαη ζηελ είζνδν ηεο ηνπνινγίαο, θαη πξαγκαηνπνηήζεθε ζεσξεηηθή αλάιπζε ηεζζάξσλ δηαθνξεηηθψλ κεηαηξνπέσλ ηνπνινγίαο Z-source, νπφηε θαη πξνέθπςε κηα ζεσξεηηθή ζχγθξηζε ηεο ιεηηνπξγηθήο ζπκπεξηθνξάο ηνπο θαη ησλ ραξαθηεξηζηηθψλ ηνπο. Σν επφκελν βήκα ήηαλ ε πξνζνκνίσζε ζε πεξηβάιινλ PSpice ηεζζάξσλ κεηαηξνπέσλ γηα ιεηηνπξγία ζηα 50W θαη 5kHz ζηελ πεξηνρή ζπλερνχο αγσγήο (CCM). Μεηά ηε ζεσξεηηθή ζχγθξηζή ηνπο έγηλε ε επηινγή ηνπ κεηαηξνπέα πνπ ζα θαηαζθεπαζηεί. Γηα ην ζπγθεθξηκέλν κεηαηξνπέα πξαγκαηνπνηήζεθε θαη έιεγρνο M.P.P.T. (Maximum Power Point Tracking), γηα ηελ αλίρλεπζε ηνπ εκείνπ Μέγηζηεο Ηζρχνο (ΜΗ maximum power point) ζε πεξηβάιινλ Matlab/Simulink. Σέινο, θαηαζθεπάζηεθε ε πιαθέηα πνπ πεξηέρεη ηα θπθιψκαηα ηζρχνο, παικνδφηεζεο θαη ειέγρνπ. Ο πξνγξακκαηηζκφο ηνπ κηθξνειεγθηή πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε έγηλε ζε γιψζζα C-Assembly, κε ζθνπφ αξρηθά ηελ πινπνίεζε ηεο ηερληθήο ηεο δηακφξθσζεο ηνπ εχξνπο ησλ παικψλ (Pulse Width Modulation-PWM) θαη ζηε ζπλέρεηα ηελ πινπνίεζε ηνπ M.P.P.T. ειέγρνπ, γηα πξνζαξκνγή ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ γηα ηελ πξνζέγγηζε ηνπ ΜΗ. Με ηελ αμηνπνίεζε ησλ παικνγξαθεκάησλ θαη ησλ κεηξήζεσλ εμήρζεζαλ ηα ηειηθά ζπκπεξάζκαηα ηεο πξαγκαηηθήο ζπκπεξηθνξάο ηνπ κεηαηξνπέα, ηα νπνία επηβεβαηψλνπλ ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε.
Abstract The current diploma thesis deals with the analysis of the circular and mathematical analysis of an impedance-source DC-DC Boost converter which is known in the international bibliography as Z-S Boost converter or Z-source Boost converter or Boost ZSC. The thesis was conducted in the aboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The purpose of this thesis is the analysis of this relatively new category of converters which is being examined for the first time in the current laboratory. Then, one converter will be chosen for use as the first step of boosting the DC voltage of photovoltaic systems which are implemented with the technology of AC-PV modules. First of all, the technologies of the interconnection of photovoltaic systems are examined. Special attention is given to the technology of AC-PV modules, which, regarding the technology used, may require the use of a DC-DC converter in order to step-up the DC voltage of a PV panel. Subsequently, introduction to the logic of Z-source impedance network, which is placed in the entrance of the topology, is made and a thorough theoretical analysis for four different converters of Z-source topology is presented, from which a theoretical comparison of their operating behavior and characteristics is carried out. The next step is the simulation of the four aforementioned topologies of this topology for the operation of 50W and 5kHz in the Continuous Current Mode (CCM), using PSpice. Thus, a comparison is made between these four topologies and one of these converters is selected to be implemented. In the particular topology, a MPPT control technique is implemented in Matlab/Simulink. Finally, the PCB is implemented. The microcontroller used in this application was programmed in C- Assembly. After the use of a simple, open-loop, PWM technique, a more sophisticated was written in order to implement the MPPT control. By taking into account the experimental waveforms and measurements, the conclusions of the behavioral analysis of the converter were exported, which validate the theoretical analysis.
ΠΡΟΛΟΓΟ Ππόλογορ ηελ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία πνπ εθπνλήζεθε ζην Δξγαζηήξην Ζιεθηξνκεραληθήο Μεηαηξνπήο Δλέξγεηαο (Δ.Ζ.Μ.Δ.) ηνπ Σκήκαηνο Ζιεθηξνιφγσλ Μεραληθψλ θαη Σερλνινγίαο Τπνινγηζηψλ ηεο Πνιπηερληθήο ρνιήο ηνπ Παλεπηζηεκίνπ Παηξψλ, γίλεηαη κηα πξψηε κειέηε - ζηα πιαίζηα ηνπ εξγαζηεξίνπ - ησλ κεηαηξνπέσλ ζπλερνχο ηάζεο ζε ζπλερή, πεγήο εκπέδεζεο (Z-source DC-DC κεηαηξνπείο). θνπφο είλαη ε θαηαζθεπή ελφο κεηαηξνπέα αλχςσζεο ηάζεο ν νπνίνο ζα ρξεζηκνπνηεζεί σο πξψηε βαζκίδα ζηα πιαίζηα ηεο ζχλδεζεο ελφο θσηνβνιηατθνχ ζπζηήκαηνο κε ην δίθηπν. Δπηπιένλ, ε ηνπνινγία αλχςσζεο ηάζεο κπνξεί λα εθαξκνζηεί θαη ζε νπνηαδήπνηε εθαξκνγή απαηηείηαη αλχςσζε ηεο κε πςειφ ιφγν ελίζρπζεο. πγθεθξηκέλα, πξαγκαηνπνηείηαη ε ζεσξεηηθή αλάιπζε ηεζζάξσλ δηαθνξεηηθψλ Z-source κεηαηξνπέσλ, απφ ηνπο νπνίνπο θαηφπηλ πξνζνκνηψζεσλ ζα επηιεγεί έλαο γηα πεξαηηέξσ αλάιπζε θαη θαηαζθεπή θαη ζα εμαρζνχλ ζπκπεξάζκαηα απφ ηελ εθηελή κειέηε ηνπ. Αλαιπηηθά, ζην κεθάλαιο 1 αλαθέξνληαη θάπνηα γεληθά ραξαθηεξηζηηθά ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ, κε έκθαζε ζηηο ηερλνινγίεο δηαζχλδεζεο θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ κε ην δίθηπν ρακειήο ηάζεο, απφ ηηο νπνίεο μερσξίδεη σο πην ζχγρξνλε θαη πξσηνπφξα ε ηερλνινγία ησλ Φ/Β πιαηζίσλ ελαιιαζζνκέλνπ ξεχκαηνο (AC-PV modules). Δπίζεο, παξνπζηάδνληαη νη ραξαθηεξηζηηθέο θακπχιεο P-V θαη I-V ησλ ειηαθψλ θπηηάξσλ θαη γίλεηαη αλάιπζε ηνπ ειέγρνπ M.P.P.T. (Maximum Power Point Tracking) θαη εηδηθά ηνπ αιγνξίζκνπ Incremental Conductance ν νπνίνο ζα πινπνηεζεί ζηηο πξνζνκνηψζεηο θαη ζηελ πεηξακαηηθή δηάηαμε. ην κεθάλαιο παξνπζηάδεηαη ε ζεσξεηηθή αλάιπζε ησλ ηεζζάξσλ Z-source DC-DC κεηαηξνπέσλ θαη ζπγθεθξηκέλα ηνπ θιαζηθνχ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα, ηνπ ηξνπνπνηεκέλνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα, ηνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε θνηλή γείσζε θαη πςειφ θέξδνο ηάζεο θαη ηέινο ηνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο. ην ηέινο ηεο ζεσξεηηθήο αλάιπζεο, πξαγκαηνπνηείηαη κηα πξψηε ζχγθξηζε ησλ ραξαθηεξηζηηθψλ ηνπο. ην κεθάλαιο 3 πξαγκαηνπνηνχληαη νη πξνζνκνηψζεηο ζε πεξηβάιινλ PSpice ησλ ηεζζάξσλ πξναλαθεξζέλησλ κεηαηξνπέσλ, πνπ επηβεβαηψλνπλ ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε πνπ πξνεγήζεθε. ηε ζπλέρεηα πξαγκαηνπνηήζεθε κηα ζχγθξηζε ησλ ηνπνινγηψλ απηψλ, πνπ βαζίζηεθε ζε πεξηζζφηεξν πξαθηηθά δεδνκέλα, θαη αλαδεηθλχνληαη ηα πιενλεθηήκαηα ησλ ραξαθηεξηζηηθψλ ηνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο, ζε - I -
Ππόλογορ ζρέζε κε ηνπο ππφινηπνπο, γηα ηελ εθαξκνγή ζηελ νπνία αλαθέξεηαη. ε απηφλ ην κεηαηξνπέα πινπνηείηαη θαη ν έιεγρνο MPPT ζχκθσλα κε ηνλ αιγφξηζκν Incremental Conductance ζε πεξηβάιινλ Matlab/Simulink θαη γίλεηαη ε βαζηθή δηαζηαζηνιφγεζή ηνπ πξηλ ηελ θαηαζθεπή. ην κεθάλαιο 4 επηιέγνληαη ηα απαξαίηεηα ζηνηρεία γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ κεηαηξνπέα πνπ αθνξνχλ ην θχθισκα παικνδφηεζεο θαη ειέγρνπ κε βάζε ην κηθξνειεγθηή DSPIC30F4011, ηα θπθιψκαηα κέηξεζεο ηνπ ξεχκαηνο θαη ηεο ηάζεο εηζφδνπ πνπ απαηηνχληαη γηα ηνλ έιεγρν MPPT, φπσο επίζεο θαη ην θχθισκα ηζρχνο κε ηα δνκηθά ζηνηρεία ηνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο. Αθφκα, γίλεηαη αλαθνξά ζην ινγηζκηθφ ζρεδίαζεο KiCad πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηελ θαηαζθεπή ζρεκαηηθψλ θαη ηππσκέλσλ θπθισκάησλ. ην κεθάλαιο 5 παξνπζηάδνληαη ηα πεηξακαηηθά απνηειέζκαηα ηεο δηάηαμεο πνπ πινπνηήζεθε θαη επηβεβαηψλνπλ ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε, θαζψο θαη ν MPPT έιεγρνο πνπ πξαγκαηνπνηήζεθε. Δπίζεο, αλαθέξνληαη ηα ζπκπεξάζκαηα ηεο πεηξακαηηθήο κειέηεο θαη γίλνληαη πξνηάζεηο γηα κειινληηθή έξεπλα ζην ζπγθεθξηκέλν είδνο κεηαηξνπέσλ. Σέινο, θαηαγξάθεηαη ε βηβιηνγξαθία πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε θαη ζηα παξαξηήκαηα ελζσκαηψλνληαη ην ζρεκαηηθφ δηάγξακκα θαη ην ηππσκέλν θχθισκα ηεο πιαθέηαο θαζψο θαη νη θψδηθεο πνπ αλαπηχρζεθαλ γηα ηνλ πξνγξακκαηηζκφ ηνπ κηθξνειεγθηή. ην ζεκείν απηφ ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ηδηαίηεξα ηνλ επηβιέπνληα Καζεγεηή ηεο δηπισκαηηθήο κνπ εξγαζίαο θ. Δκκαλνπήι Κ. Σαηάθε γηα ηελ εκπηζηνζχλε πνπ κνπ επέδεημε, ην ζπλερέο ελδηαθέξνλ ηνπ, ηελ απεξηφξηζηε βνήζεηα θαη ηελ θαζνξηζηηθή επηζηεκνληθή θαζνδήγεζή ηνπ ζε φια ηα ζηάδηα εθπφλεζήο ηεο. Ζ γλψζε πνπ έιαβα θαζφιε ηε δηάξθεηα ηεο ζπλεξγαζίαο καο είλαη αλεθηίκεηε. Δπίζεο, επραξηζηψ ζεξκά ηνλ ππνςήθην δηδάθηνξα θ. ηπιηαλφ πξίγν γηα ηηο πνιχηηκεο θαη νπζηαζηηθέο ζπκβνπιέο απφ ηελ αξρή κέρξη ην πέξαο ηεο δηπισκαηηθήο κνπ εξγαζίαο, ηνλ ππνςήθην δηδάθηνξα θ. Γεκήηξε Παπαζαλαζφπνπιν γηα ηε βνήζεηα ζην ζηάδην θαηαζθεπήο θαη ησλ πεηξακάησλ, ηνλ ππνςήθην δηδάθηνξα θ. Νηθφιαν Μήια, ηνλ ππνςήθην δηδάθηνξα θ. Κσλ/λν Εανζθνχθε θαη ηνπο πξνπηπρηαθνχο ζπλαδέιθνπο ηνπ εξγαζηεξίνπ Δ.Ζ.Μ.Δ. γηα ηε ζπλεξγαζία πνπ αλαπηχμακε θαη ηνπο θίινπο πνπ κνπ ζηάζεθαλ ζε φιν απηφ ην δηάζηεκα. Σέινο, έλα κεγάιν επραξηζηψ ζηελ νηθνγέλεηά κνπ γηα ηελ απέξαληε εκπηζηνζχλε θαη ζηήξημε ζε φιεο ηηο κέρξη ηψξα απνθάζεηο κνπ θαη γηα ηα εθφδηα πνπ κνπ έρεη πξνζθέξεη ζπλνιηθά. - II -
ΠΙΝΑΚΑ ΠΔΡΙΔΥΟΜΔΝΧΝ Πίνακαρ Πεπιεσομένυν ΚΔΦΑΛΑΙΟ 1 ΦΩΣΟΒΟΛΣΑΪΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ 1.1 Δηζαγσγή... 1 1. Δθαξκνγέο Φσηνβνιηατθψλ πζηεκάησλ... 1 1.3 Σερλνινγίεο ζηα Φσηνβνιηατθά ζπζηήκαηα... 1.3.1 Κεληξηθνπνηεκέλε Σερλνινγία... 3 1.3. Σερλνινγία αιπζίδαο... 3 1.3.3 Σερλνινγία πνιιαπιψλ αιπζίδσλ... 4 1.3.4 Σερλνινγία θσηνβνιηατθψλ πιαηζίσλ ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο (AC-PV modules... 5 1.4 Καηεγνξηνπνίεζε κεηαηξνπέσλ... 6 1.5 DC-DC κεηαηξνπείο ζηα Φσηνβνιηαïθά... 7 1.6 P-V θαη I-V ραξαθηεξηζηηθέο Φ/Β θπηηάξσλ... 8 1.7 M.P.P.T. έιεγρνο Φ/Β ζπζηεκάησλ... 9 1.8 πκπεξαζκαηα... 11 ΚΔΦΑΛΑΙΟ ΘΕΩΡΗΣΙΚΗ ΑΝΑΛΤΗ Z-SOURCE ΜΕΣΑΣΡΟΠΕΩΝ.1 Δηζαγσγή... 13. Κιαζηθφο Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο... 14..1 Αλάιπζε θαηαζηάζεσλ ιεηηνπξγίαο... 14.. Λφγνο αλχςσζεο... 18..3 Δπηινγή ειάρηζηνπ πελίνπ γηα CCM... 19..4 Δπηινγή ππθλσηψλ C... 19..5 Δπηινγή θίιηξνπ εμφδνπ... 0.3 Σξνπνπνηεκέλνο Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο... 0.3.1 Αλάιπζε θαηαζηάζεσλ ιεηηνπξγίαο... 1.3. Λφγνο αλχςσζεο... 5.3.3 Δπηινγή ειάρηζηνπ πελίνπ γηα CCM... 6.3.4 Δπηινγή ππθλσηψλ C ηνπ Z δηθηχνπ... 6.3.5 Δπηινγή ππθλσηή εμφδνπ... 7.4 Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο κε θνηλή γείσζε θαη πςειφ θέξδνο ηάζεο... 7 III
Πίνακαρ Πεπιεσομένυν.4.1 Αλάιπζε θαηαζηάζεσλ ιεηηνπξγίαο... 7.4. Λφγνο αλχςσζεο... 30.4.3 Δπηινγή ειάρηζηνπ πελίνπ γηα CCM... 31.4.4 Δπηινγή ππθλσηψλ C ηνπ Z δηθηχνπ... 31.4.5 Δπηινγή ππθλσηή εμφδνπ... 3.5 Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο... 3.5.1 Αλάιπζε θαηαζηάζεσλ ιεηηνπξγίαο... 33.5. Λφγνο αλχςσζεο... 35.5.3 Δπηινγή ειάρηζηνπ πελίνπ γηα CCM... 37.5.4 Δπηινγή ππθλσηψλ C... 37.5.5 Δπηινγή θίιηξνπ εμφδνπ... 38.6 χλνςε-χγθξηζε... 38 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΟΜΟΙΩΕΙ Z-SOURCE ΜΕΣΑΣΡΟΠΕΩΝ-ΕΠΙΛΟΓΗ ΜΕΣΑΣΡΟΠΕΑ ΓΙΑ ΚΑΣΑΚΕΤΗ 3.1 Δηζαγσγή... 41 3. Πξνζνκνηψζεηο θαη ζχγθξηζε κεηαηξνπέσλ... 41 3..1 Κιαζηθφο Z-source DC-DC κεαηξνπέαο... 41 3.. Σξνπνπνηεκέλνο Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο... 45 3..3 Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο κε θνηλή γείσζε θαη πςειφ θέξδνο ηάζεο... 49 3..4 Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο... 53 3..5 χλνςε-χγθξηζε... 57 3.3 Πξνζνκνίσζε κεηαηξνπέα πξνο θαηαζθεπή... 59 3.4 M.P.P.T. έιεγρνο... 63 3.4.1 Δθαξκνγή ηεο κεζφδνπ απμαλνκέλεο αγσγηκφηεηαο ρσξίο ρξήζε Φ/Β κνληέινπ... 64 3.4. Δθαξκνγή ηεο κεζφδνπ απμαλνκέλεο αγσγηκφηεηαο κε ρξήζε Φ/Β κνληέινπ.. 67 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΤΛΟΠΟΙΗΗ ΜΕΣΑΣΡΟΠΕΑ 4.1 Δηζαγσγή... 73 4. Κχθισκα ηζρχνο... 73 4..1 Δπηινγή MOSFET... 73 4.. Δπηινγή δηφδσλ... 74 4..3 Δπηινγή snubber... 75 4..4 Δπηινγή ππθλσηψλ... 75 IV
Πίνακαρ Πεπιεσομένυν 4..5 Δπηινγή-θαηαζθεπή πελίσλ... 76 4.3 Κχθισκα παικνδφηεζεο... 80 4.3.1 Δπηινγή κηθξνειεγθηή dspic30f4011... 80 4.3. Δπηινγή εληζρπηή ξεχκαηνο 74HC541... 81 4.3.3 Δπηινγή νπηνδεχθηε 6Ν137... 8 4.3.4 Δπηινγή driver IC7667... 83 4.3.5 Δπηινγή ηξνθνδνηηθνχ 7805... 84 4.4 Φπθηηθφ... 84 4.5 Μεηξεηηθά... 86 4.5.1 Μέηξεζε ξεχκαηνο... 86 4.5. Μέηξεζε ηάζεο... 87 4.6 ρεδηαζκφο πιαθέηαο... 88 ΚΔΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΙΑ-ΤΜΠΕΡΑΜΑΣΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΣΙΚΕ 5.1 Δηζαγσγή... 91 5. Λεηηνπξγία κεηαηξνπέα κε PWM ζηξαηεγηθή ειέγρνπ... 91 5..1 Μεηξήζεηο θαη θπκαηνκνξθέο γηα D=0.374... 91 5.. Μεηξήζεηο θαη θπκαηνκνξθέο γηα D=0.415... 94 5.. Μεηξήζεηο θαη θπκαηνκνξθέο γηα D=0.445... 97 5.3 Δθαξκνγή M.P.P.T. ειέγρνπ... 100 5.4 Παξαηεξήζεηο ζπκπεξάζκαηα θαη πξννπηηθέο... 103 ΒΗΒΛΗΟΓΡΑΦΗΑ... 105 ΠΑΡΑΡΣΖΜΑ Α... 109 ΠΑΡΑΡΣΖΜΑ Β... 111 V
ΚΔΦΑΛΑΙΟ 1 Κεθάλαιο 1ο ΦΧΣΟΒΟΛΣΑΨΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ 1.1 Διζαγυγή Ζ ζηαδηαθή κείσζε ησλ απνζεκάησλ νξπθηψλ θαπζίκσλ πνπ απνηεινχλ ηελ παξαδνζηαθή κνξθή ελέξγεηαο θαζψο θαη ε αχμεζε ησλ ξχπσλ ζηελ αηκφζθαηξα, εηδηθά ηα ηειεπηαία ρξφληα, έρνπλ πάξεη ηέηνηεο δηαζηάζεηο πνπ κηα ζεηξά επξσπατθψλ θαη παγθφζκησλ νξγαληζκψλ αλαγθάδνληαη λα αζρνιεζνχλ κε ην δήηεκα ησλ Αλαλεψζηκσλ Πεγψλ Δλέξγεηαο (ΑΠΔ). Δλδεηθηηθά ζηελ Δπξσπατθή Έλσζε θάζε ρξφλν παξαηεξείηαη κηα λέα ζεηξά νδεγηψλ θαη πιαηζίσλ φπσο ην «Πιαίζην γηα ηηο πνιηηηθέο πνπ αθνξνχλ ην θιίκα θαη ηελ ελέξγεηα κε ρξνληθφ νξίδνληα ην έηνο 030» ηεο Πξάζηλεο Βίβινπ ηεο Δ.Δ. [1] θαη ε πξφζθαηε «Πξφηαζε γηα κηα νδεγία ηνπ επξσπατθνχ θνηλνβνπιίνπ θαη ζπκβνπιίνπ γηα ηελ πξνψζεζε ηεο ρξήζεο ελέξγεηαο απφ αλαλεψζηκεο πεγέο ελέξγεηαο» []. Απηφ έρεη νδεγήζεη κηα ζεηξά επηρεηξήζεσλ λα επελδχνπλ ζην ζπγθεθξηκέλν θνκκάηη κε ζθνπφ ηνλ έγθαηξν έιεγρν ηεο αγνξάο ησλ ΑΠΔ, θάηη πνπ έρεη απμήζεη ηνλ αληαγσληζκφ πνπ αλαπηχζζεηαη κεηαμχ ηνπο, κε απνηέιεζκα ηελ αικαηψδε εμέιημε πνπ παξαηεξείηαη ηα ηειεπηαία ρξφληα ζηηο ηερλνινγίεο ησλ ΑΠΔ. ην επίθεληξν απηήο ηεο δξαζηεξηφηεηαο βξίζθνληαη θαη νη ηερλνινγίεο ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ πνπ απνηεινχλ βαζηθή ζπληζηψζα ησλ ΑΠΔ. Έρνληαο, ινηπφλ, αλαδείμεη ηε ρξεζηκφηεηα ηεο αλάπηπμεο ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ, ζηε ζπλέρεηα ζα αλαθεξζνχλ, ζπλνπηηθά, ζπγθεθξηκέλα ραξαθηεξηζηηθά ηνπο. 1. Δθαπμογέρ Φυηοβοληαφκών ςζηημάηυν Σν πεδίν εθαξκνγψλ ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ είλαη πνιχ εθηελέο [3], θαζψο είλαη ηδηαίηεξα δηαδεδνκέλα, φπνπ νη ελεξγεηαθέο απαηηήζεηο είλαη πεξηνξηζκέλεο, φπνπ δελ ππάξρεη δπλαηφηεηα παξνρήο ελέξγεηαο κε άιιν ηξφπν, ή φπνπ ππάξρεη απηή ε δπλαηφηεηα, δελ είλαη ζπκθέξνπζα νηθνλνκηθά επηινγή θαη ηέινο φπνπ απαηηνχληαη, αθελφο κελ πςειή αμηνπηζηία σο ζπκπιεξσκαηηθή κνξθή παξνρήο ελέξγεηαο, αθεηέξνπ δε ρακειέο απαηηήζεηο ζπληήξεζεο. -1-
Κεθάλαιο 1ο Αξρηθά, ηα παξαπάλσ ηθαλνπνηνχληαη ζε θαηαλαισηηθά πξντφληα ρακειήο ηζρχνο ζε πεξηνρέο πνπ δε ζπλδένληαη κε ην δίθηπν ή θαη ζε ηξνρφζπηηα, ζθάθε αλαςπρήο, θιπ γηα λα θαιχςνπλ αλάγθεο θσηηζκνχ, ςχμεο, λα ιεηηνπξγήζνπλ ππνινγηζηέο, θαθνχο θιπ. Δπίζεο, ηθαλνπνηνχληαη ζε απηφλνκα ή απνκνλσκέλα ζπζηήκαηα παξαγσγήο ελέξγεηαο, φπσο γηα παξάδεηγκα θαηνηθίεο θαη κηθξνχο νηθηζκνχο πνπ δε ζπλδένληαη ζην δίθηπν θαη γηα ελέξγεηεο φπσο αθαιάησζε, θσηηζκφ (π.ρ. δξφκσλ), ζπζηήκαηα ηειεπηθνηλσληψλ θαη ζπλαγεξκνχ θιπ, πνπ είλαη κεζαίαο ηζρχνο. ε απηή ηελ θαηεγνξία εληάζζνληαη θαη νη δηαζηεκηθέο εθαξκνγέο, θαζψο ηα θσηνβνιηαïθά αληινχλ ελέξγεηα απφ ηνλ ήιην θαη δηαηεξνχλ ηελ απηνλνκία ησλ δνξπθφξσλ-δηαζηεκηθψλ ζηαζκψλ. Σέινο, ππάξρεη θαη ε θαηεγνξία ησλ θσηνβνιηατθψλ πνπ ζπλδένληαη ζην δίθηπν, αλ θαη κέρξη ζηηγκήο δελ είλαη δηαδεδνκέλα ζην κέγηζην ιφγσ πςεινχ θφζηνπο επέλδπζεο, ζπλεπψο πξνο ην παξφλ δελ απνδίδεηαη ην επηζπκεηφ θέξδνο. ε απηή ηελ πεξίπησζε ππάξρνπλ θπξίσο δχν θαηεγνξίεο ζπζηεκάησλ. Απφ ηε κία ζπζηήκαηα πνπ ηξνθνδνηνχλ θηίξηα ή ζπγθξνηήκαηα θηηξίσλ θαη φπνπ ε ελέξγεηα πνπ πιενλάδεη ζπλδέεηαη θαη «πσιείηαη» ζην δίθηπν θαη απφ ηελ άιιε θσηνβνιηατθνχο ζηαζκνχο παξαγσγήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο, κε ηνπ νπνίνπο δηνρεηεχεηαη ην ζχλνιν ηεο παξαγφκελεο ελέξγεηαο ζην δίθηπν. 1.3 Σεσνολογίερ ζηα Φυηοβοληαφκά ζςζηήμαηα Αλάινγα κε ηνλ ηξφπν ζχλδεζεο ησλ Φ/Β πιαηζίσλ (ζε ζεηξά ή παξάιιεια) δηαθξίλνληαη ηέζζεξηο βαζηθέο θαηεγνξίεο εθαξκνδφκελσλ ηερλνινγηψλ ζηα θσηνβνιηαïθά ζπζηήκαηα πνπ ζπλδένληαη ζην δίθηπν [4], [5]. Πην ζπγθεθξηκέλα, ε θεληξηθνπνηεκέλε ηερλνινγία (centralized technology), ε ηερλνινγία αιπζίδαο (string technology), ε ηερλνινγία πνιιαπιψλ αιπζίδσλ (multistring technology) θαη ε ηερλνινγία θσηνβνιηατθψλ πιαηζίσλ ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο (AC-PV module ή Module Integrated-MIC), νη νπνίεο ζα αλαιπζνχλ, παξαθάησ, ζε αδξέο γξακκέο. ην ζεκείν απηφ είλαη ρξήζηκν λα αλαθεξζεί φηη αλ θαη ηα θσηνβνιηαïθά ζπζηήκαηα ιεηηνπξγνχλ σο ειεθηξηθέο πεγέο κε ζπλερή κεγέζε ηάζεο θαη ξεχκαηνο δελ έρνπλ ην ραξαθηεξηζηηθφ ηεο ζηαζεξήο ηάζεο, θαζψο απηή κεηαβάιιεηαη κε γξακκηθά ζε ζρέζε κε ηελ έληαζε ηνπ ξεχκαηνο, φηαλ κεηαβιεζεί ε αθηηλνβνιία ή ε ζεξκνθξαζία πεξηβάιινληνο. Γηα ην ιφγν απηφ, θξίλεηαη απαξαίηεηε ε εθαξκνγή θαηάιιεινπ ειέγρνπ γηα ηε κέγηζηε δπλαηή απφδνζε ειεθηξηθήο ηζρχνο απφ κεξηάο Φ/Β ζηνηρείσλ, ν νπνίνο είλαη γλσζηφο σο αλίρλεπζε ηνπ ζεκείνπ ιεηηνπξγίαο κέγηζηεο απνδηδφκελεο ηζρχνο (Maximum Power Point Tracking-MPPT) [5]. --
1.3.1 Κεληξηθνπνηεκέλε Σερλνινγία Κεθάλαιο 1ο Ζ ζπγθεθξηκέλε ηερλνινγία είλαη απφ ηηο πξψηεο πνπ εθαξκφζηεθαλ ζην πεδίν πνπ αθνξά ηελ παξαγσγή κεγάισλ πνζψλ ειεθηξηθήο ελέξγεηαο θαη ηε δηαζχλδεζε κε ην δίθηπν, κε ηε ρξήζε ελφο αληηζηξνθέα (ρήκα 1.1). Ζ ειεθηξηθή ελέξγεηα παξάγεηαη απφ παξάιιεια ζπλδεδεκέλεο νκάδεο Φ/Β πιαηζίσλ γηα ηελ επίηεπμε ξεχκαηνο θαηάιιειεο εληάζεσο, φπνπ ε θάζε νκάδα απνηειείηαη απφ ελ ζεηξά ζπλδεδεκέλα Φ/Β πιαίζηα γηα ηελ επίηεπμε πςειήο ηηκήο ηάζεο. Σν ζχλνιν ησλ παξάιιεισλ νκάδσλ ζπλδένληαη ζε έλαλ θνηλφ αληηζηξνθέα, εθφζνλ κε ηελ παξαπάλσ ζχλδεζε ησλ Φ/Β ζηνηρείσλ ην επίπεδν ηάζεο είλαη θαηάιιειν γηα ηε ζχλδεζε κε ην δίθηπν. Ζ δίνδνο πνπ θαίλεηαη ζην ρήκα 1.1 ηνπνζεηείηαη αλά νκάδα πιαηζίσλ, γηα ηελ απνθπγή ξνήο ελέξγεηαο πξνο ηα πιαίζηα, θάηη πνπ κπνξεί λα ζπκβεί ζε πεξίπησζε ζθίαζεο νξηζκέλσλ νκάδσλ, νπφηε θαη ζα ζπκπεξηθεξζνχλ σο θνξηία πνπ ζα ηξνθνδνηεζνχλ απφ ηα ππφινηπα πιαίζηα. Ο MPPT έιεγρνο ζε απηήλ ηελ πεξίπησζε εθαξκφδεηαη ζην ζχλνιν ηνπ θσηνβνιηατθνχ ζπζηήκαηνο. ρήκα 1.1: Κεληξηθνπνηεκέλε Σερλνινγία [4]. 1.3. Σερλνινγία αιπζίδαο Απηή ε ηερλνινγία αληηθαηέζηεζε, θαηά θχξην ιφγν, ηελ θεληξηθνπνηεκέλε θαη εθαξκφδεηαη ζε κεγάιν βαζκφ ζε πξσηνπφξεο ρψξεο ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ ηνκέα, φπσο γηα παξάδεηγκα ζηε Γεξκαλία. ηε ζπγθεθξηκέλε πεξίπησζε, θάζε νκάδα ελ ζεηξά Φ/Β πιαηζίσλ ζπλδέεηαη κε έλαλ αληηζηξνθέα, φπσο θαίλεηαη θαη ζην ρήκα 1.. Σν κεηνλέθηεκα ηεο -3-
Κεθάλαιο 1ο ζπγθεθξηκέλεο δηαζχλδεζεο είλαη ε κηθξφηεξε ζε ζρέζε κε πξηλ, παξαγσγή ελέξγεηαο αλά νκάδα (0,5 σο 1kW ελψ πξνεγνπκέλσο έθηαλε ηα 10kW) αιιά είλαη απνδνηηθφηεξνο ν MPPT έιεγρνο, θαζψο πιένλ εθαξκφδεηαη ζε κηθξφηεξν αξηζκφ πιαηζίσλ θαη είλαη ε πεξηηηή ε ρξήζε ηεο δηφδνπ κεηά απφ θάζε νκάδα ιφγσ ηεο χπαξμεο ηνπ αληηζηξνθέα ζε θάζε θιάδν. ρήκα 1.: Σερλνινγία Αιπζίδαο [4]. 1.3.3 Σερλνινγία πνιιαπιψλ αιπζίδσλ Ζ ζπγθεθξηκέλε ηερλνινγία είλαη κηα επέθηαζε ηεο ηερλνινγίαο αιπζίδαο, ε νπνία εμαπιψλεηαη φιν θαη πεξηζζφηεξν ζηα Φ/Β ζπζηήκαηα. Όπσο θαίλεηαη ζην ρήκα 1.3, ε θάζε αιπζίδα ησλ ζε ζεηξά ζπλδεδεκέλσλ πιαηζίσλ ζπλδέεηαη κε έλαλ κεηαηξνπέα ζπλερνχο ηάζεο ζε ζπλερή (DC-DC converter) θαη φιεο καδί ζε έλαλ θνηλφ αληηζηξνθέα. Με ην κεηαηξνπέα ζπλερνχο ηάζεο, αλ θαη απμάλεηαη ην θφζηνο, αλπςψλεηαη ε ηάζε ζε θαηάιιειε ηηκή, έηζη ψζηε ε παξαγσγή ηεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο λα είλαη πιένλ ζπγθξίζηκε κε ηελ θεληξηθνπνηεκέλε ηερλνινγία. Με ηε ζπγθεθξηκέλε ζχλδεζε ησλ Φ/Β ζηνηρείσλ είλαη εχθνιε ε επέθηαζε ηνπ Φ/Β ζπζηήκαηνο κε λέεο αιπζίδεο πνπ ζα ζπλδεζνχλ ζηνλ θνηλφ -4-
Κεθάλαιο 1ο αληηζηξνθέα, ελψ φπσο θαη πξηλ είλαη πεξηηηή ε ρξήζε ησλ δηφδσλ ηζρχνο πνπ ππάξρνπλ ζηελ θεληξηθνπνηεκέλε ηερλνινγία. ρήκα 1.3: Σερλνινγία Πνιιαπιψλ Αιπζίδσλ [4]. 1.3.4 Σερλνινγία θσηνβνιηατθψλ πιαηζίσλ ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο (AC-PV modules H ηερλνινγία θσηνβνιηατθψλ πιαηζίσλ ελαιιαζζφκελνπ ξεχκαηνο (AC-PV Modules) είλαη ε πιένλ ζχγρξνλε ζηηο νηθηαθέο Φ/Β εθαξκνγέο. Απνηειείηαη απφ δηαηάμεηο κηθξήο ηζρχνο ζηηο νπνίεο έλα κφλν Φ/Β πιαίζην ζπλδέεηαη κε έλαλ αληηζηξνθέα, φπσο θαίλεηαη θαη ζην ρήκα 1.4, θαη ζπλδένληαη απεπζείαο ζην δίθηπν ρακειήο ηάζεο ησλ αζηηθψλ πεξηνρψλ. Γηα ηελ επίηεπμε θαηάιιεινπ επηπέδνπ ηάζεο ζηελ είζνδν γηα ηε δηαζχλδεζε ζην δίθηπν δηαλνκήο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο, ηνπνζεηείηαη αλάκεζά ηνπο έλαο κεηαηξνπέαο αλχςσζεο ηάζεο απφ ζπλερή ζε ζπλερή. ε ζρέζε κε ηηο πξναλαθεξζείζεο ηερλνινγίεο, ε ρξήζε ελφο κφλν θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ επηηξέπεη ηε βέιηηζηε εθαξκνγή ηνπ MPPT ειέγρνπ. Απηφ ζπκβαίλεη γηαηί ζηηο πξνεγνχκελεο πεξηπηψζεηο ν MPPT έιεγρνο αθνξνχζε νιφθιεξε ηελ αιπζίδα θη φρη ην θάζε πιαίζην μερσξηζηά θη έηζη, αλ θάπνην πιαίζην δε ιεηηνπξγεί ζηα νλνκαζηηθά ραξαθηεξηζηηθά, π.ρ. ιφγσ ζθίαζεο, ηφηε ην ζχλνιν ηεο αιπζίδαο δε ζα -5-
Κεθάλαιο 1ο ιεηηνπξγεί ζην κέγηζην ζεκείν ηζρχνο. Δπίζεο, ζηελ πεξίπησζε ησλ αιπζίδσλ, ζε πεξίπησζε θαηαζηξνθήο θάπνηνπ πιαηζίνπ (π.ρ. ιφγσ ραιαδφπησζεο), ζα ζηακαηήζεη ε ιεηηνπξγία φιεο ηεο αιπζίδαο ιφγσ ηεο ζε ζεηξάο ζχλδεζεο (ζηελ πεξίπησζε ηεο κε χπαξμεο αλεπίζηξνθεο δηφδνπ ζε θάζε πιαίζην), ελψ ζηα AC-PV modules δελ επεξεάδεηαη ε ιεηηνπξγία ησλ ππφινηπσλ πιαηζίσλ πνπ ιεηηνπξγνχλ. Έηζη, ην φιν ζχζηεκα παξνπζηάδεη κεγαιχηεξε αμηνπηζηία. ρήκα 1.4: AC-PV Modules [4]. 1.4 Καηηγοπιοποίηζη μεηαηποπέυν Όπσο αλαθέξζεθε παξαπάλσ ε ζπλερήο ηάζε ησλ Φ/Β πιαηζίσλ πξέπεη λα κεηαηξαπεί ζε ελαιιαζζφκελε γηα ηελ πξαγκαηνπνίεζε ηεο δηαζχλδεζεο κε ην δίθηπν, κε ηε ρξήζε ελφο ειεγρφκελνπ ειεθηξνληθνχ κεηαηξνπέα. Αλάινγα κε ηηο βαζκίδεο απφ ηηο νπνίεο απνηειείηαη ν κεηαηξνπέαο, κπνξεί λα γίλεη ε εμήο θαηεγνξηνπνίεζε [5]: Μεηαηξνπείο κίαο βαζκίδαο: ε απηή ηελ πεξίπησζε, γίλεηαη ρξήζε ελφο κφλν αληηζηξνθέα (inverter) πνπ κεηαηξέπεη ηε ζπλερή ηάζε εμφδνπ ηνπ Φ/Β ζε ελαιιαζζφκελε γηα ηε δηαζχλδεζε κε ην δίθηπν, κε ηελ ελδερφκελε παξεκβνιή ελφο θίιηξνπ θαη ελφο κεηαζρεκαηηζηή γηα ηελ αλχςσζε ζην επηζπκεηφ επίπεδν ηάζεο, πνπ σζηφζν κεηψλεη ηελ απφδνζε ηνπ ζπλνιηθνχ ζπζηήκαηνο. -6-
Κεθάλαιο 1ο Μεηαηξνπείο δχν βαζκίδσλ: ε απηή ηε δηάηαμε ν κεηαηξνπέαο ζπλίζηαηαη απφ έλα κεηαηξνπέα ζπλερνχο ζε ζπλερή ηάζε (DC-DC converter) γηα ηελ αλχςσζε ηεο ηάζεο θαη έλαλ αληηζηξνθέα γηα ηε δηαζχλδεζε κε ην δίθηπν κέζσ ελφο θαησδηαβαηνχ θίιηξνπ. Ζ απφδνζε εδψ είλαη έλαο θξίζηκνο παξάγνληαο, θαζψο γίλεηαη ρξήζε δχν κεηαηξνπέσλ, νπφηε γίλεηαη κεηαζρεκαηηζκφο ηεο ελέξγεηαο δχν θνξέο, ελψ ηα επηπιένλ εκηαγσγηθά ζηνηρεία απμάλνπλ ηηο απψιεηεο. Μεηαηξνπείο πνιιαπιψλ βαζκίδσλ: Δδψ ν κεηαηξνπέαο απνηειείηαη απφ πνιιαπιέο βαζκίδεο κεηαηξνπέσλ ζπλερνχο ηάζεο ζε ζπλερή πνπ ζην ηέινο ζπλδένληαη κε έλαλ αληηζηξνθέα γηα ηε δηαζχλδεζε κε ην δίθηπν. Λφγσ ηεο απμεκέλεο ρξήζεο ησλ κεηαηξνπέσλ, απαηηείηαη πξνζεθηηθφο ζρεδηαζκφο γηα ηε κείσζε ηνπ φγθνπ θαη ηνπ βάξνπο, θαζψο θαη γηα ηε βειηίσζε ηεο απφδνζεο, ιφγσ ηεο δηαδνρηθήο κεηαηξνπήο ηεο ελέξγεηαο. 1.5 DC-DC μεηαηποπείρ ζηα Φυηοβοληαïκά Όπσο θαίλεηαη θαη ζηηο πξνεγνχκελεο παξαγξάθνπο, ζπλήζσο ε ρξήζε ελφο ή πεξηζζφηεξσλ κεηαηξνπέσλ ζπλερνχο ηάζεο ζε ζπλερή είλαη απαξαίηεηε πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ην επηζπκεηφ επίπεδν ηάζεο, πξνηνχ ζπλδεζεί ην Φ/Β ζην δίθηπν. Απηφ ζεκαίλεη φηη ν κεηαηξνπέαο πξέπεη λα κπνξεί λα αλπςψζεη ηελ ηάζε πνπ πξνθχπηεη αλάινγα κε ηελ εθαξκνδφκελε ηερλνινγία ζηα 400V ψζηε αλ ιεθζεί ππφςηλ ζπληειεζηήο πιάηνπο δηακφξθσζεο ζηνλ αληηζηξνθέα 0,8, ε ελεξγφο ηηκή λα πξνθχπηεη 400 0,8/ 30V, φζν δειαδή ε ελεξγφο ηηκή ηεο ηάζεο ηνπ δηθηχνπ ζηελ Διιάδα. ηηο Ζ.Π.Α. γηα παξάδεηγκα, ε αληίζηνηρε ελεξγφο ηηκή είλαη 10V, πνπ ζεκαίλεη φηη ε αλπςσκέλε ηάζε ηνπ κεηαηξνπέα πξέπεη λα θηάλεη ηελ ηηκή ησλ 10 /0,8 1V. Δθηφο φκσο απφ ηε ζεκαζία ηεο αλχςσζεο, ηδηαίηεξεο πξνζνρήο ρξήδεη θαη ε απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα. Ο ιφγνο είλαη, φπσο πξναλαθέξζεθε, φηη ε απφδνζε ηνπ θάζε κεηαηξνπέα δξα πνιιαπιαζηαζηηθά ζηε ζπλνιηθή απφδνζε ηνπ Φ/Β ζπζηήκαηνο, καδί κε ηνπο ππφινηπνπο κεηαηξνπείο, ηνλ αληηζηξνθέα, πηζαλφλ ην κεηαζρεκαηηζηή θαζψο θαη ην θίιηξν. Γηα ηνπο αλσηέξσ ιφγνπο, έρνπλ πξνηαζεί κηα ζεηξά κεηαηξνπέσλ κε δηαθνξεηηθά ραξαθηεξηζηηθά, πνπ αμηνπνηνχληαη αλάινγα κε ηελ εθαξκνγή. -7-
Κεθάλαιο 1ο ηελ εξγαζία [6], γίλεηαη ε αλάπηπμε ελφο κεηαηξνπέα flyback, ν νπνίνο είλαη απιφο ζρεδηαζηηθά θαη πεξηέρεη κεηαζρεκαηηζηή απνκφλσζεο γηα ηελ απνζήθεπζε καγλεηηθήο ελέξγεηαο, νπφηε πξνζθέξεη πςειφ θέξδνο ηάζεο. ηηο εξγαζίεο [7] θαη [8] παξνπζηάδνληαη δχν κεηαηξνπείο παξφκνηαο ινγηθήο κε ην κεηαηξνπέα flyback, θαζψο πεξηέρνπλ κεηαζρεκαηηζηέο γηα ηελ αλχςσζε ηεο ηάζεο εηζφδνπ, νη νπνίνη αλ θαη πξνζθέξνπλ ηε δπλαηφηεηα κεγάινπ θέξδνπο ηάζεο, ε απφδνζε απνηειεί απνηξεπηηθφ παξάγνληα, εμαηηίαο ηεο ρξήζεο πεξηζζφηεξσλ ηνπ ελφο κεηαζρεκαηηζηψλ, ελψ νη θαηαπνλήζεηο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ απφ ππεξηάζεηο είλαη ζεκαληηθέο. Αθφκα, ζηελ εξγαζία [[9] αλαθέξνληαη νη R P κεηαηξνπείο, νη νπνίνη αλ θαη έρνπλ κεγάιν ιφγν αλχςσζεο, έρνπλ ρακειή απφδνζε. Σέινο, ζηηο εξγαζίεο [10] [13], παξνπζηάδνληαη θάπνηεο λέεο ζρεηηθά ηνπνινγίεο Z- source δηθηχσλ κε ηδηαίηεξα ραξαθηεξηζηηθά, νη νπνίεο θαη ζα αλαιπζνχλ δηεμνδηθά ζηα επφκελα θεθάιαηα, πξνθεηκέλνπ λα δηεξεπλεζεί ε δπλαηφηεηα ρξήζεο ηνπο ζηα θσηνβνιηαïθά, εμεηάδνληαο ην ιφγν αλχςσζεο ηάζεο, ηελ θαηαπφλεζε ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ, θαζψο θαη ηελ απφδνζε ζε πςειέο ηζρείο. Δίλαη θαλεξφ φηη νη κεηαηξνπείο πνπ ιεηηνπξγνχλ σο πξψηε βαζκίδα ελίζρπζεο πξηλ ηε δηαζχλδεζε ηνπ θσηνβνιηατθνχ κε ην δίθηπν παξνπζηάδνπλ ηδηαίηεξν ελδηαθέξνλ θαη κηα πην δηεμνδηθή έξεπλα ζηε βηβιηνγξαθία κπνξεί λα απνδείμεη πεξαηηέξσ ηε ζεκαζία ηνπο θαη ηελ εξεπλεηηθή ηνπο αμία. 1.6 P-V και I-V σαπακηηπιζηικέρ Φ/Β κςηηάπυν Σν ηζνδχλακν θχθισκα ελφο ειηαθνχ θπηηάξνπ παξνπζηάδεηαη ζην ρήκα 1.5. Ζ βαζηθή εμίζσζε πνπ έρεη πξνθχςεη γηα ην ειηαθφ θχηηαξν απφ ην θχθισκα απηφ θαη απφ πεηξακαηηθέο παξαηεξήζεηο θαη πεξηγξάθεη ηε ζρέζε κεηαμχ ηάζεο V θαη ξεχκαηνο εμφδνπ ηνπ θπηηάξνπ I είλαη [14]: q (V IR ) V A K T R S I I I0 exp( 1 SH (1.1) φπνπ I ην θσηφξεπκα, I 0 ην ξεχκα θφξνπ δηφδνπ, q ην θνξηίν ειεθηξνλίνπ, V ε ηάζε ζηελ έμνδν ηνπ θπηηάξνπ, R S ε ελ ζεηξά αληίζηαζε ηνπ θπηηάξνπ, Α ζηαζεξά κε ηηκέο κεηαμχ ησλ 1 θαη θαη νθείιεηαη ζε θαηλφκελα επαλαζχλδεζεο, Κ ε ζηαζεξά Boltzmann θαη T ε απφιπηε ζεξκνθξαζία. -8-
Κεθάλαιο 1ο Ζ απεηθφληζε ηεο παξαπάλσ εμίζσζεο δείρλεη ηελ αλαπαξάζηαζε ηεο I-V ραξαθηεξηζηηθήο ελφο ειηαθνχ θπηηάξνπ, ε νπνία έρεη επηθξαηήζεη, γηα ιφγνπο θπθισκαηηθήο αλάιπζεο λα παξνπζηάδεηαη ζην πξψην ηεηαξηεκφξην (ρήκα 1.6). ην ίδην ζρήκα θαίλεηαη θαη ε P-V ραξαθηεξηζηηθή πνπ αλαπαξηζηά ηεο ζρέζε κεηαμχ ηζρχνο (P=V I) θαη ηάζεο (V). ην ρήκα 1.6, I SC είλαη ην ξεχκα βξαρπθπθιψζεσο, V OC ε ηάζε αλνηθηνχ θπθιψκαηνο θαη P max ην ζεκείν κέγηζηεο ηζρχνο ζην νπνίνο αληηζηνηρεί ξεχκα I m θαη ηάζε V m. Σν ζεκείν απηφ πξνζεγγίδεηαη αλ ζπλδεζεί ζηελ έμνδν κία αληίζηαζε R ε νπνία ηζνχηαη κε V m /I m θαη ζα θαηλφηαλ ζην ρήκα 1.6 σο επζεία πνπ δηέξρεηαη απφ ηελ αξρή ησλ αμφλσλ θαη έρεη θιίζε 1/R. ρήκα 1.5: Ηζνδχλακν θχθισκα ειηαθνχ θπηηάξνπ [15]]. ρήκα 1.6: I-V θαη P-V ραξαθηεξηζηηθή ειηαθνχ θπηηάξνπ [16]. 1.7 M.P.P.T. έλεγσορ Φ/Β ζςζηημάηυν Ζ ρακειή απφδνζε ησλ θσηνβνιηατθψλ ζπζηεκάησλ θαζηζηά απαξαίηεηε ηελ εχξεζε ηνπ ζεκείνπ κέγηζηεο ηζρχνο γηα ηηο ζπγθεθξηκέλεο ζπλζήθεο ζεξκνθξαζίαο θαη αθηηλνβνιίαο -9-
Κεθάλαιο 1ο ζηηο νπνίεο ιεηηνπξγεί. Ζ ηερληθή εληνπηζκνχ απηνχ ηνπ ζεκείνπ νλνκάδεηαη Maximum Power Point Tracking (MPPT) θαη βαζηθή αξρή ιεηηνπξγίαο είλαη ε πξνζαξκνγή ηνπ θνξηίνπ ηνπ θσηνβνιηατθνχ πιαηζίνπ κε ηέηνην ηξφπν, ψζηε λα απνκαζηεχεη ηε κέγηζηε ηζρχ πνπ κπνξεί λα απνδψζεη ην πιαίζην Μηα ζεηξά ηερληθψλ MPPT έρνπλ αλαπηπρζεί γη απηφ ην ζθνπφ κε δηαθνξεηηθά πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηα ε θάζε κία. Αλαθέξνληαη ελδεηθηηθά ν αιγφξηζκνο απμαλφκελεο αγσγηκφηεηαο (Incremental Conductance) [17], δηαηαξαρήο θαη παξαηήξεζεο (perturb and observe) [18], θιαζκαηηθήο ηάζεο αλνηρηνθχθισζεο (fractional open-circuit voltage) [19], λεπξσληθψλ δηθηχσλ (neural network) [0] θαη πνιιέο άιιεο ηερληθέο, ε αλάιπζε ησλ νπνίσλ δελ είλαη αληηθείκελν ηεο ζπγθεθξηκέλεο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο. Γηα ηηο αλάγθεο ηεο παξνχζαο εθαξκνγήο, γηα ηνλ έιεγρν MPPT έγηλε ρξήζε ηνπ αιγνξίζκνπ απμαλφκελεο αγσγηκφηεηαο (incremental conductance), πνπ ρξεζηκνπνηείηαη επξέσο ιφγσ ηεο απιφηεηαο, ηεο αθξίβεηαο, θαζψο θαη ηεο κεγάιεο ηαρχηεηαο ζχγθιηζεο πνπ παξνπζηάδεη. Ζ ινγηθή απηήο ηεο ηερληθήο παξνπζηάδεηαη ζην δηάγξακκα ξνήο ηνπ ρήκαηνο 1.7. χκθσλα κε απηή ηε κέζνδν απαηηείηαη ε κέηξεζε ηεο ηάζεο θαη ηνπ ξεχκαηνο ζηελ έμνδν ηεο Φ/Β γελλήηξηαο. Κξηηήξην γηα ηελ εχξεζε ηνπ ζεκείνπ κέγηζηεο ηζρχνο είλαη ε θιίζε ηεο θακπχιεο ηζρχνο-ηάζεο (P-V) θαη ε κεδεληθή παξάγσγνο ζην ζεκείν απηφ ( ΓP/ΓV=0). Αλάινγα, ινηπφλ, κε ηα θξηηήξηα, κεηαβάιιεηαη ε ηάζε έηζη ψζηε λα πξνζεγγηζηεί ην εκείν κέγηζηεο Ηζρχνο. Πξνθχπηεη ινηπφλ: P (VI) I I V 0 άξα V V V I I V V Έηζη ν έιεγρνο κεηαθέξεηαη ζηελ θακπχιε ξεχκαηνο-ηάζεο (I-V) φπσο θαίλεηαη πξνεγνπκέλσο θαη είλαη: I I άξα V V I I άξα V V I I άξα V V P 0 θαη ην ζχζηεκα βξίζθεηαη ζην ζεκείν κέγηζηεο ηζρχνο V P 0 θαη ην ζχζηεκα βξίζθεηαη αξηζηεξά ηνπ ζεκείνπ V P 0 θαη ην ζχζηεκα βξίζθεηαη δεμηά ηνπ ζεκείνπ. V -10-
Κεθάλαιο 1ο Sense V(k), I(k) dv=v(k) -V(k-1) di=i(k) -I(k-1) dv=0 YES NO YES di/dv=-i/v di=0 YES NO NO YES di/dv>-i/v di>0 YES NO NO D=D+Inc D=D-Inc D=D-Inc D=D+Inc V(k-1) =V(k) I(k-1) =I(k) RETURN ρήκα 1.7: Γηάγξακκα ξνήο αιγνξίζκνπ απμεηηθήο αγσγηκφηεηαο [1]. 1.8 ςμπεπάζμαηα Ζ ζπγθεθξηκέλε δηπισκαηηθή εξγαζία έρεη ζθνπφ ηελ αλάπηπμε ελφο κεηαηξνπέα ζπλερνχο ηάζεο ζε ζπλερή ηάζε πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί σο πξψηε βαζκίδα γηα ηελ αλχςσζε ηεο ηάζεο ζηα θσηνβνιηαïθά, ζηα νπνία ρξεζηκνπνηείηαη ε ηερλνινγία ησλ AC-PV modules. Απηφ ζεκαίλεη, ζχκθσλα κε ηα παξαπάλσ φηη ζα δηεξεπλεζεί ε δπλαηφηεηα ρξήζεο ελφο κφλν Φ/Β πιαηζίνπ ηζρχνο πεξίπνπ 50W θαη ηάζεο 40V γηα ηε δηαζχλδεζε κε ην δίθηπν. Ο κεηαηξνπέαο πνπ ζα αλαιπζεί είλαη Z-source ηνπνινγίαο (Z-source DC-DC boost converter) θαη πξνθχπηεη θαηφπηλ πξνζνκνηψζεσλ πνπ παξαηίζεληαη ζην ν θεθάιαην. -11-
-1- Κεθάλαιο 1ο
ΚΔΦΑΛΑΙΟ Κεθάλαιο ο ΘΔΧΡΗΣΙΚΗ ΑΝΑΛΤΗ Z-SOURCE ΜΔΣΑΣΡΟΠΔΧΝ.1 Διζαγυγή Σν δίθηπν πεγήο εκπέδεζεο πξνηάζεθε γηα πξψηε θνξά απφ ηνλ F.Z. Peng ην 00 []. Σν δίθηπν απηφ δίλεη ηε δπλαηφηεηα ππνβηβαζκνχ-αλχςσζεο ηεο ηάζεο εμφδνπ σο πξνο ηελ ηάζε εηζφδνπ ζηνλ αληηζηξνθέα θαη λα έρεη πςειή αμηνπηζηία [3] [8]. πλεπψο, ν Z- source αληηζηξνθέαο (ζπλη. ZSI) είλαη θαηάιιεινο γηα ηηο αλαλεψζηκεο πεγέο ελέξγεηαο (π.ρ. θσηνβνιηαïθά, θπςέιεο θαπζίκνπ), φπνπ ζπλήζσο απαηηείηαη ε κεηαηξνπή κηαο ρακειήο ηηκήο ζπλερνχο ηάζεο ζε κηα πςειήο ηηκήο ελαιιαζζφκελε ηάζε ζηελ έμνδν. Ζ ινγηθή απηνχ ηνπ δηθηχνπ θαίλεηαη ζην ρήκα.1, φπνπ βιέπνπκε φηη απνηειείηαη απφ δχν πελία θαη δχν ππθλσηέο ζπλδεδεκέλα ζε κνξθή Υ. Οη ππθλσηέο ιεηηνπξγνχλ νπζηαζηηθά ζαλ πεγέο ηάζεο πνπ απνδίδνπλ ζηα πελία ηε ρακέλε ηνπο ελέξγεηα. Z-source Network 1 DV(Voltage or Current) Source C 1 C Converter or Inverter To oad ρήκα.1: Γεληθή δνκή Z-source κεηαηξνπέα [1]. Σν δίθηπν απηφ κπνξεί λα εθαξκνζηεί εθηφο απφ ηνλ αληηζηξνθέα DC-AC θαη ζηνπο ππφινηπνπο ηξεηο κεηαηξνπείο ηζρχνο (αλνξζσηέο AC-DC, ξπζκηζηέο ελαιιαζζφκελεο ηάζεο AC-AC, κεηαηξνπείο ζπλερνχο ηάζεο ζε ζπλερή DC-DC). Πξνθεηκέλνπ, ινηπφλ, λα μεπεξαζηνχλ πξνβιήκαηα ηνπ θιαζηθνχ κεηαηξνπέα αλχςσζεο, φπσο ν πεξηνξηζκφο ηνπ κέγηζηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο θαη άξα ηνπ κέγηζηνπ ιφγνπ αλχςσζεο εμαηηίαο ησλ αληηζηάζεσλ αγσγήο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ θαη ηεο επζηάζεηαο ηνπ ζπζηήκαηνο, εηζάγεηαη ην δίθηπν Z ζε DC-DC κεηαηξνπείο. πλεπψο, έρνπλ πξνηαζεί κηα ζεηξά κεηαηξνπέσλ. -13-
Κεθάλαιο ο Απφ απηνχο ηνπο κεηαηξνπείο, ζα αλαιπζνχλ, ζεσξεηηθά, κφλν γηα ηελ θαηάζηαζε ζπλερνχο αγσγήο ξεχκαηνο: ν θιαζηθφο Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο [10] ν ηξνπνπνηεκέλνο Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο [11] ν Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο κε θνηλή γείσζε θαη πςειφ θέξδνο ηάζεο [1] ν Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο [13]. Κλαζικόρ Z-source DC-DC μεηαηποπέαρ Ο κεηαηξνπέαο πνπ ζα αλαιπζεί θαίλεηαη ζην ρήκα.. Δίλαη έλαο κεηαηξνπέαο αλχςσζεο ηάζεο θαη απνηειείηαη απφ ηελ πεγή ηάζεο V I ζηελ είζνδν, κία δίνδν D 1, δχν φκνηα πελία θαη δχν φκνηνπο ππθλσηέο C πνπ ζπληζηνχλ ην Z-δίθηπν, έλαλ ελεξγφ δηαθφπηε S (π.ρ. MOSFET), έλα θαησδηαβαηφ θίιηξν δεχηεξεο ηάμεο πνπ ζπλίζηαηαη απφ έλα πελίν f θαη έλαλ ππθλσηή C f θαη ηέινο ην θνξηίν ζηελ έμνδν R. D 1 + v + - + f + V I V C - C C V C - + S C f R V O - v + V GS - - ρήκα.: Κιαζηθφο Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο [10]...1 Αλάιπζε θαηαζηάζεσλ ιεηηνπξγίαο Πξηλ ηελ αλάιπζε ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ κεηαηξνπέα ζε ζπλερή αγσγή (CCM), γίλνληαη νη παξαδνρέο φηη νη ππθλσηέο, νη αληηζηάζεηο θαη ηα πελία είλαη γξακκηθά, ρξνληθά αλαιινίσηα θαη αλεμάξηεηα ηεο ζπρλφηεηαο θαη φηη ηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία είλαη ηδαληθά (ρσξίο απψιεηεο), ελψ ε παικνδφηεζε ηνπ κεηαηξνπέα γίλεηαη κε ηελ ηερληθή PWM. Ζ δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ S, άξα θαη ηνπ κεηαηξνπέα, είλαη f S =1/T θαη ν ιφγνο θαηάηκεζήο ηνπ D=t on /T, φπνπ t on είλαη ε ρξνληθή δηάξθεηα αγσγήο ηνπ S. Σν ειεγρφκελν δηαθνπηηθφ ζηνηρείν S θαη ε δίνδνο D1 άγνπλ ζπκπιεξσκαηηθά. πλεπψο, ν -14-
Κεθάλαιο ο ιφγνο θαηάηκεζεο ηεο δηφδνπ είλαη 1-D. Σν θχθισκα είλαη ζπκκεηξηθφ κε 1 = = θαη C 1 =C =C θαη άξα V 1 =V =V θαη V C1 =V C =V C. Γηα ην δηάζηεκα 0 t DT : Σν ηζνδχλακν θχθισκα θαίλεηαη ζην ρήκα.3. ε απηφ ην δηάζηεκα ε ηάζε πάλσ ζηε δίνδν είλαη V I -V C. Άξα, είλαη αλάζηξνθα πνισκέλε θαη δελ άγεη απνκνλψλνληαο ηελ πεγή ζηελ είζνδν απφ ην ππφινηπν θχθισκα. Δπίζεο, ε ηάζε ζην ειεγρφκελν δηαθνπηηθφ ζηνηρείν S είλαη κεδεληθή. Γειαδή i D1 =0 θαη v S =0. Ζ ηάζε θαη ην ξεχκα πάλσ ζηα πελία 1 θαη είλαη: di v V V V dt C C C (..1) 1 t VC i (t) v 0 dt i (0) t i (0) (..) Σν κέγηζην ξεχκα ζην πελίν πξνθχπηεη ζηε ρξνληθή ζηηγκή t=dt θαη είλαη: θαη άξα V (..3) C i (DT) (DT) i (0) VD C i i (DT) i (0) (..4) f S Απφ ηνλ πξψην λφκν ηνπ Kirchhoff ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην S είλαη i S =i -I O. Ζ ηάζε ζηελ έμνδν δηαηεξείηαη ζρεδφλ ζηαζεξή, ιφγσ ηνπ ππθλσηή εμφδνπ C f. Ζ ηάζε πάλσ ζην πελίν ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ θαη ην ξεχκα πνπ ην δηαξξέεη δίλνληαη απφ ηηο ζρέζεηο: di v V dt f f O (..5) f 1 V i (t) v dt i (0) t i (0) (..6) t O f f 0 f f f f Γηα t=dt ην ειάρηζην ξεχκα πνπ ξέεη κέζα απφ ην πελίν ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ είλαη: V (..7) O i (DT) DT i f (0) f VD O θαη άξα i i f (DT) i f (0) (..8) f f -15- S f
Κεθάλαιο ο i - V D1 + I Ο f + + v + V I V C - C C V C - i S C f R V O v i - ρήκα.3: Ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ θιαζηθνχ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα φηαλ ν S είλαη ON θαη ε D1 OFF [10]. Γηα ην δηάζηεκα : Σν ηζνδχλακν θχθισκα θαίλεηαη ζην ρήκα.4. ε απηφ ην δηάζηεκα ε δίνδνο είλαη νξζά πνισκέλε θαη άγεη. ε απηή ηελ θαηάζηαζε ην Z δίθηπν ιεηηνπξγεί σο δηεπαθή κεηαμχ πεγήο θαη θνξηίνπ. Δπίζεο, ην S δελ άγεη θαη ην ξεχκα πνπ ην δηαξξέεη είλαη κεδέλ. Γειαδή V D1 =0, V S =V O -V I θαη I S =0. Ζ ηάζε θαη ην ξεχκα πάλσ ζηα πελία 1 θαη είλαη: di v V V dt I C (..9) Γηα t=σ: 1 T VI VC i (t) v DT dt i (DT) (t DT) i (DT) (..10) V V (..11) I C i (T) (1 D)T i (DT) Ζ ηάζε πάλσ ζην πελίν ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ θαη ην ξεχκα πνπ ην δηαξξέεη είλαη: di v V V dt f f O I (..1) f 1 V V i (t) v dt i (DT) (t DT) i (DT) (..13) t O I f f DT f f f f -16-
Κεθάλαιο ο Γηα t=t ην κέγηζην ξεχκα πνπ ξέεη κέζα απφ ην πελίν ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ είλαη: θαη άξα: V V (..14) O I i (t) (1 D)T i f (DT) f f V V (..15) O I i i f (T) i f (DT) T(1 D) f f ην ρήκα.5 θαίλνληαη ζπγθεληξσκέλεο νη θπκαηνκνξθέο πνπ κφιηο αλαιχζεθαλ. i D1 i f I Ο + v + + V I V C - C C V C - + v S - C f R V O v i - ρήκα.4: Ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ θιαζηθνχ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα φηαλ ν S είλαη OFF θαη ε D 1 ON [10]. -17-
Κεθάλαιο ο ρήκα.5: Κπκαηνκνξθέο ηάζεο θαη ξεχκαηνο ηνπ θιαζηθνχ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα [10]... Λφγνο αλχςσζεο ηε κφληκε θαηάζηαζε ε κέζε ηηκή ηεο ηάζεο πάλσ ζηα πελία είλαη κεδεληθή. Απφ ηηο ζρέζεηο (..1) θαη (..9), πξνθχπηεη: θαη έηζη VC DT (VI V C)(1 D)T 0 θαη DT T v 0 (t)dt v DT (t)dt 0 (..16) VC 1 D (.17) V 1 D I Απφ ην ρήκα.1 εθαξκφδνληαο ηνλ δεχηεξν λφκν ηνπ Kirchhoff ζην βξφρν πνπ πεξηέρεη ηνλ ππθλσηή C ηνπ Z-δηθηχνπ, ην πελίν f ηνπ θίιηξνπ, ηνλ παξάιιειν ζπλδπαζκφ ησλ R θαη C f θαη ην πελίν ηνπ Z-δηθηχνπ: V V V V 0 C f O -18-
Κεθάλαιο ο θαη αθνχ νη κέζεο ηηκέο ησλ ηάζεσλ ζηα πελία είλαη κεδέλ: Ο ιφγνο αλχςσζεο ηάζεο πξνθχπηεη: Δλψ γηα ηα ξεχκαηα εηζφδνπ θαη εμφδνπ ηζρχεη: V I C V (..18) O VO 1 D (..19) V 1 D IO 1 D (..0) I 1 D I..3 Δπηινγή ειάρηζηνπ πελίνπ γηα CCM Απφ (..3) θαη (..19) ην κέγηζην ξεχκα πνπ δηέξρεηαη απφ ην πελίν είλαη: VD (..1) O i (DT) i (0) f S ην φξην ζπλερνχο-αζπλερνχο αγσγήο ηζρχεη φηη i (0)=0 θαη έηζη: VD O i i (DT) (..) f S Γηα λα είλαη κφληκα ζε CCM πξέπεη πάληα ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ηνπ πελίνπ λα είλαη κεγαιχηεξε απφ ηε κηζή θπκάησζή ηνπ: Καη απφ ηε ζρέζε (..0): εθφζνλ I O V R O I i VD O II (..3) fs I O D(1 D)V f (1 D), πξέπεη: D(1 D)R f (1 D) S S O (..4) (..5)..4 Δπηινγή ππθλσηψλ C Ζ επηινγή ησλ ππθλσηψλ C γίλεηαη κε θξηηήξην ηελ επηζπκεηή θπκάησζε ηεο ηάζεο ηνπο (x C %). ην δηάζεκα 0 t DT ηζρχεη φηη i C =i. Άξα, νη κέζεο ηηκέο ησλ ξεπκάησλ ζε απηφ -19-
ην δηάζηεκα ηζνχληαη, δειαδή: 1D 1D V IC I II IO 1D 1D R dv (..18) V C =V O θαη αθνχ μέξνπκε φηη i C C, πξνθχπηεη φηη: dt O Κεθάλαιο ο. Δπίζεο απφ ηε ζρέζε άξα: I DT (1 D)V DT (..6a) C O C x C %V C (1 D)R(x C %)V O I DT (1 D)D (..6b) C C x C %V C (1 D)Rf S (x C %)..5 Δπηινγή θίιηξνπ εμφδνπ Ζ επηινγή ηνπ πελίνπ ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ πξέπεη λα γίλεη έηζη ψζηε λα είλαη ζε θαηάζηαζε ζπλερνχο αγσγήο (CCM). Ηζρχεη φηη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ I o ηζνχηαη κε ηε κέζε ηηκή ηνπ πελίνπ απηνχ VD I f V R O IO θαη, επίζεο, απφ ηε ζρέζε (..8) φηη O I. Άξα, πξνθεηκέλνπ ν κεηαηξνπέαο λα ιεηηνπξγεί ζηελ πεξηνρή ζπλερνχο f f S f αγσγήο, πξέπεη: I f I V V D DR (..7) R f f f O O f S f S Ο ππθλσηήο εμφδνπ ππνινγίδεηαη απφ ηε ζρέζε [10]: C VD (..8) O f 8fS f VC f (p p) φπνπ ε θπκάησζε ηνπ ππθλσηή εμφδνπ..3 Σποποποιημένορ Z-source DC-DC μεηαηποπέαρ ηα πιαίζηα αλάπηπμεο ησλ ZSI, έρνπλ πξνηαζεί κηα ζεηξά κεηαηξνπέσλ πνπ δηαθνξνπνηνχληαη ζηνλ ηξφπν ζχλδεζεο ηνπ δηθηχνπ εκπέδεζεο θαη ηεο πεγήο εηζφδνπ, φπσο θαίλεηαη ζην ρήκα.6. Κάζε ζπλδεζκνινγία έρεη δηαθνξεηηθά πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηα θαη γη' απηφ ην ιφγν θξίλεηαη ρξήζηκν λα αλαπηπρζεί ε ινγηθή ηνπο φζν γίλεηαη θαη ζηνπο DC-DC κεηαηξνπείο. Έηζη, ζε απηφ ην θεθάιαην ζα κειεηεζεί ε ινγηθή ηεο ηξίηεο ζπλδεζκνινγίαο ηνπ ρήκαηνο.6, αθνχ ε πξψηε ζπλδεζκνινγία θάλεθε ζην πξνεγνχκελν θεθάιαην. -0-
Κεθάλαιο ο V I V I V I ρήκα.6: Οη ηξφπνη ζχλδεζεο ηνπ δηθηχνπ εκπέδεζεο θαη ηεο πεγήο ηάζεο ζηνλ (a) παξαδνζηαθφ Z-source αληηζηξνθέα (b) quasi Z-source αληηζηξνθέα θαη (c) βειηησκέλν Z-source αληηζηξνθέα [11]. Ο κεηαηξνπέαο πνπ πξνηείλεηαη ζηα πιαίζηα απηά θαίλεηαη παξαθάησ ζην ρήκα.7. Δίλαη έλαο κεηαηξνπέαο αλχςσζεο θαη απνηειείηαη απφ ηελ πεγή ηάζεο V I ζηελ είζνδν, έλα κνλφζπξν δίθηπν εκπέδεζεο, κία δίνδν D, έλαλ ελεξγφ δηαθφπηε S (π.ρ. MOSFET), έλαλ ππθλσηή εμφδνπ C f θαη ηέινο ην θνξηίν ζηελ έμνδν R. Σν κνλφζπξν δίθηπν εκπέδεζεο απνηειείηαη απφ δχν φκνηνπο ππθλσηέο C 1 θαη C, κία δίνδν D 1 θαη δχν φκνηα πελία 1 θαη. Σν δίθηπν απηφ ζπλδέεηαη ζε ζεηξά κε ηελ πεγή ηάζεο ζηελ είζνδν θαη γη' απηφ είζνδνο θαη έμνδνο κπνξνχλ λα έρνπλ θνηλή γείσζε. ρήκα.7: Σξνπνπνηεκέλνο Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο [11]..3.1 Αλάιπζε θαηαζηάζεσλ ιεηηνπξγίαο ηελ αλάιπζε πνπ αθνινπζεί, φια ηα ζηνηρεία είλαη ηδαληθά, ν κεηαηξνπέαο ιεηηνπξγεί ζε θαηάζηαζε ζπλερνχο αγσγήο (CCM) θαη φηη σο ηερληθή ειέγρνπ ηνπ δηαθφπηε S επηιέγεηαη ε PWM. ην ρήκα.11 παξνπζηάδνληαη νη θπκαηνκνξθέο πνπ πξνθχπηνπλ απφ ηελ αλάιπζε. Ζ πεξίνδνο ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα ζεσξείηαη ίζε κε T θαη ν ιφγνο θαηάηκεζεο ηνπ δηαθφπηε S ίζνο κε D. χκθσλα κε ηηο θαηαζηάζεηο αγσγήο ησλ S, D 1 θαη D, ν -1-
Κεθάλαιο ο ζπγθεθξηκέλνο κεηαηξνπέαο παξνπζηάδεη ηξεηο θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο. Λφγσ ηεο ζπκκεηξίαο ηνπ Z-δηθηχνπ ( 1 =, C 1 =C ) κπνξεί λα ζεσξεζεί φηη: I I I, I I I, V V V θαη V V V. 1 C1 C C 1 1 ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο 0 t t1 ( t 1 DT ): C1 C C Απηή ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο θαίλεηαη ζην ρήκα.8. Ο δηαθφπηεο S άγεη, ελψ νη δίνδνη D 1, D είλαη αλάζηξνθα πνισκέλεο θαη δελ άγνπλ. Γειαδή, I I 0 θαη S D1 D V 0. Έηζη, δεκηνπξγνχληαη δχν βξφρνη ηάζεο, φπνπ ην πελίν 1 θνξηίδεηαη απφ ηελ ηάζε εηζφδνπ V I θαη ηνλ ππθλσηή C, ελψ ην πελίν απφ ηελ ηάζε εηζφδνπ V I θαη ηνλ ππθλσηή C 1. Λφγσ ηεο κεγάιεο ρσξεηηθφηεηαο θαη ηεο πςειήο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο, ε ηάζε ησλ ππθλσηψλ κπνξεί λα ζεσξεζεί ζηαζεξή V C. Σν ξεχκα ζηα πελία, ινηπφλ, απμάλεηαη γξακκηθά θαη πξνθχπηνπλ νη αθφινπζεο εμηζψζεηο: i i (.3.1) C i I i (.3.) di v V V dt I C (.3.3) v V V (.3.4) D1 I C Γηα ην ξεχκα i : 1 t VI VC i (t) v 0 dt i (0) t i (0) (.3.5) Σν κέγηζην ξεχκα ζην πελίν πξνθχπηεη ζηε ρξνληθή ζηηγκή t=dt θαη είλαη: θαη άξα: V V (.3.6) I C i (DT) DT i (0) (V V )D I C i i (DT) i (0) (.3.7) f S Απφ ηνλ πξψην λφκν ηνπ Kirchhoff ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην ειεγρφκελν δηαθνπηηθφ ζηνηρείν S, είλαη i S =i I =i. Δπίζεο, v D V. Tν ξεχκα ζην θνξηίν R =R παξέρεηαη απφ ηνλ O ππθλσηή εμφδνπ C f. Ζ θαηάζηαζε απηή δηαξθεί DT θαη ηειεηψλεη κφιηο ζηακαηήζεη λα άγεη ν δηαθφπηεο S. --
Κεθάλαιο ο ρήκα.8: 1 ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο [11]. ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο t 1 t t ( t 1 DT ): ην ρήκα.9, ν δηαθφπηεο S δελ άγεη, ε δίνδνο D 1 έρεη πνισζεί νξζά θαη άγεη, ελψ ε δίνδνο D δελ άγεη. Γειαδή vd 1 0, id 0 θαη S i 0. Οη ππθλσηέο C 1 θαη C θνξηίδνληαη απφ ηα πελία 1 θαη αληίζηνηρα. Έηζη, ην ξεχκα ζηα πελία κεηψλεηαη γξακκηθά. Ζ ηάζε ζην δηαθφπηε S είλαη κηθξφηεξε απφ ηελ ηάζε εμφδνπ γη απηφ θαη ε D είλαη αλάζηξνθα πνισκέλε. Σν ξεχκα εηζφδνπ είλαη κεδεληθφ, αθνχ ε ηάζε εηζφδνπ είλαη ζε ζεηξά κε ην κνλφζπξν Z-δίθηπν ην νπνίν είλαη απνκνλσκέλν απφ ην θνξηίν. Μφιηο ε ηάζε ζην δηαθφπηε μεπεξάζεη νξηαθά ηελ ηάζε εμφδνπ, έζησ ζηε ρξνληθή ζηηγκή t, ε δίνδνο D ζα μεθηλήζεη λα άγεη θαη ζα ηειεηψζεη απηή ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο. Άξα: i i (.3.8) C i D1 i (.3.9) di v V dt C (.3.10) vs VI VC (.3.11) Γηα ην ξεχκα i : 1 t VC i (t) v DT dt i (DT) (t DT) i (DT) (.3.1) -3-
Κεθάλαιο ο ρήκα.9: ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο [11]. 3 ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο t t T : Απηή ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο θαίλεηαη ζην ρήκα.10. Ο δηαθφπηεο S δελ άγεη αθφκα, ελψ νη δίνδνη D 1, D άγνπλ. Δμαθνινπζεί ινηπφλ λα ηζρχεη ε εμίζσζε (.3.10) θαη άξα: Δπίζεο, πξνθχπηνπλ νη αθφινπζεο ζρέζεηο: 1 t VC i (t) v t dt i (t ) (t t ) i (t ) (.3.13) ii i ic (.3.14) i i i (.3.15) D1 I VO vs VI VC (.3.16) ην ζρήκα.11 παξνπζηάδνληαη νη θπκαηνκνξθέο πνπ πξνθχπηνπλ απφ ηελ αλάιπζε. ρήκα.10: 3 ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο [11]. -4-
Κεθάλαιο ο ρήκα.11: Κπκαηνκνξθέο ηνπ ηξνπνπνηεκέλνπ κεηαηξνπέα [11]..3. Λφγνο αλχςσζεο Ζ ηάζε, φπσο πξναλαθέξζεθε, ζηνπο ππθλσηέο ζεσξείηαη ζηαζεξή θαη ε ηάζε ζην πελίν θαηά ηελ αγσγή ηνπ S είλαη V I +V C θαη -V C φηαλ δελ άγεη. Αθφκα, επεηδή ε κέζε ηηκή ηεο ηάζεο ζην πελίν ζηε κφληκε θαηάζηαζε είλαη κεδεληθή, πξνθχπηεη φηη: (VI V C)DT ( V C)(1 D)T 0 (.3.17) D Άξα: VC VI (.3.18) 1 D πλδπάδνληαο ηηο (.3.16) θαη (.3.18), πξνθχπηεη φηη ν ιφγνο αλχςσζεο είλαη: -5-
Κεθάλαιο ο VO 1 (.3.19) V 1 D I.3.3 Δπηινγή ειάρηζηνπ πελίνπ γηα CCM ηε κφληκε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο, ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ησλ ππθλσηψλ είλαη κεδέλ. Δθφζνλ ην Z-δίθηπν είλαη ζε ζεηξά κε ηελ πεγή εηζφδνπ, πξνθχπηεη φηη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ζηα πελία I είλαη ίζε κε ηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ I I. Δπίζεο, ππφ ηδαληθέο ζπλζήθεο ε ηζρχο εηζφδνπ είλαη ίζε κε ηελ ηζρχ εμφδνπ. Γη' απηνχο ηνπο ιφγνπο θαη ιακβάλνληαο ππφςε ηε ζρέζε (.3.19) πξνθχπηεη φηη: I P P V I V V (.3.0) V V V V R (1 D) R in out O O O I II I I I I Καζψο ε ηάζε πάλσ ζηα πελία είλαη -V C φηαλ ν δηαθφπηεο S δελ άγεη, ε θπκάησζε ηνπ ξεχκαηνο ζην πελίν είλαη: V (1 D) (1 D)DV C I i (.3.1) fs (1 D)fS Γηα λα είλαη ζε θαηάζηαζε ζπλερνχο αγσγήο (CCM) πάληα, πξέπεη: I V I (1 D)DV (1 D) R (1 D)f I I S (1 D)(1 D)DR Άξα: (.3.) f S.3.4 Δπηινγή ππθλσηψλ C ηνπ Z δηθηχνπ Ζ επηινγή ησλ ππθλσηψλ C γίλεηαη κε θξηηήξην ηελ επηζπκεηή θπκάησζε ηεο ηάζεο ηνπο (x C %). ηελ 1 ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο ηζρχεη φηη i C =i. Έηζη, νη κέζεο ηηκέο ησλ ξεπκάησλ ζε απηφ ην δηάζηεκα είλαη ίζεο, δειαδή, I V I. Δπίζεο, απφ ηε ζρέζε (.3.18) (1 D) R I C V C D VI (1 D) θαη άξα: dv θαη αθνχ μέξνπκε φηη i C C, πξνθχπηεη φηη: dt I DT (1 D)V DT C (.3.3a) (x %)V (1 D) R(x %)DV C I C C C I 1 C (.3.3b) (1 D)Rf (x %) S -6- C
Κεθάλαιο ο.3.5 Δπηινγή ππθλσηή εμφδνπ Ζ επηινγή ηνπ ππθλσηή εμφδνπ C f γίλεηαη θαη εδψ κε θξηηήξην ηελ επηζπκεηή θπκάησζε ηεο ηάζεο πάλσ ηνπ θαη άξα ζηελ έμνδν (x C %). Δπίζεο, είλαη V θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο, άξα: C I DT D Cf V θαη i O Cf i ζηελ 1ε Cf f x C%V C f f S(x C%)R (.3.7) O.4 Z-source DC-DC μεηαηποπέαρ με κοινή γείυζη και ςτηλό κέπδορ ηάζηρ Ο ζπγθεθξηκέλνο κεηαηξνπέαο, φπσο θαίλεηαη ζην ρήκα.1, απνηειείηαη απφ ηελ πεγή ηάζεο V I ζηελ είζνδν, ην Z-source δίθηπν (1,, C 1 θαη C ), έλαλ δηαθφπηε S (π.ρ. MOSFET), δχν δηφδνπο D 1 θαη D, έλαλ ππθλσηή C 3 ζηελ έμνδν γηα θίιηξν θαη κηα αληίζηαζε R γηα θνξηίν. ε ζρέζε κε ην κεηαηξνπέα ηνπ Κεθαιαίνπ.1, εθηφο απφ ηελ αληηθαηάζηαζε ηνπ πελίνπ ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ κε ηε δίνδν D, δηαθέξεη κφλν ζηε κεηαθνξά ηεο γείσζεο ηνπ θνξηίνπ πξηλ ην Z-δίθηπν. Με απηφλ ηνλ ηξφπν, ε είζνδνο θαη ε έμνδνο έρνπλ θνηλή γείσζε (θάηη πνπ δηθαηνινγεί, ελ κέξεη, ην φλνκα ηνπ κεηαηξνπέα). ρήκα.1: Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο κε θνηλή γείσζε θαη πςειφ θέξδνο ηάζεο [1]..4.1 Αλάιπζε θαηαζηάζεσλ ιεηηνπξγίαο Πξηλ ηελ αλάιπζε ηνπ θπθιψκαηνο, γίλνληαη θαη εδψ νη παξαδνρέο φηη φια ηα ζηνηρεία είλαη ηδαληθά, ν κεηαηξνπέαο ιεηηνπξγεί ζε θαηάζηαζε ζπλερνχο αγσγήο (CCM) θαη φηη σο -7-
Κεθάλαιο ο ηερληθή ειέγρνπ ηνπ δηαθφπηε S επηιέγεηαη ε PWM. ην ρήκα.15 παξνπζηάδνληαη νη θπκαηνκνξθέο πνπ πξνθχπηνπλ απφ ηελ αλάιπζε. Ζ ηάζε πάλσ ζηνπο ππθλσηέο, ιφγσ ηεο ρσξεηηθφηεηαο θαη ηεο πςειήο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο, κπνξεί λα ζεσξεζεί ζηαζεξή. Δπίζεο, ιφγσ ηεο ζπκκεηξίαο ηνπ Z-δηθηχνπ ( 1 = =, C 1 =C =C) έπεηαη φηη: I I I, I I I, V V V θαη V V V. 1 C1 C C 1 C1 C C Ζ πεξίνδνο ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα ζεσξείηαη ίζε κε T θαη ν ιφγνο θαηάηκεζεο ηνπ δηαθφπηε S ίζνο κε D. χκθσλα κε ηηο θαηαζηάζεηο αγσγήο ησλ S θαη D 1 θαη D, ν ζπγθεθξηκέλνο κεηαηξνπέαο παξνπζηάδεη δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο. 1 ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο 0 t DT : Απηή ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο έρεη δηάξθεηα T 0 =DT θαη θαίλεηαη παξαθάησ ζην ρήκα.13. Ο δηαθφπηεο S θαη ε δίνδνο D άγνπλ, ελψ ε δίνδνο D 1 δελ άγεη. Γειαδή VS VD 0 θαη I 0. Γεκηνπξγνχληαη δχν βξφρνη: ν πξψηνο απνηειείηαη απφ ηα 1, C 1 (ή, C ) θαη ην D 1 δηαθφπηε S, νπφηε ν ππθλσηήο C 1 (ή ν C ) απνδίδεη κέξνο ηεο απνζεθεπκέλεο ελέξγεηάο ηνπ ζην πελίν 1 (ή ), ελψ ν δεχηεξνο απνηειείηαη απφ ηα C 1, C, D, C 3, θαη R, νπφηε νη C 1 θαη C εθθνξηίδνληαη ζηνλ C 3 θαη R. Έηζη, πξνθχπηνπλ νη αθφινπζεο εμηζψζεηο: Γηα ην ξεχκα i : di v V dt C (.4.1) di VO v VC V (.4.) C dt dvc ic C i I (.4.3) O dt 1 t vc i (t) v 0 dt i (0) t i (0) (.4.4) Σν κέγηζην ξεχκα ζην πελίν πξνθχπηεη ζηε ζηηγκή t=dt θαη είλαη: Άξα Απφ ηνπο λφκνπο ηνπ Kirchhoff είλαη : v (.4.5) C i (DT) DT i (0) C i i (DT) i (0) (.4.6) fs -8- VD is IO i (.4.7) i D I (.4.8) O
θαη Κεθάλαιο ο v V V (.4.9) D1 I C ρήκα.13: 1 ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο [1]. ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο DT t T : Απηή ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο έρεη δηάξθεηα T 1 =(1-D)T θαη θαίλεηαη ζην ρήκα.14. Ο δηαθφπηεο S θαη ε δίνδνο D δελ άγνπλ, ελψ άγεη ε δίνδνο D 1. Γειαδή, -9- IS ID 0 θαη VD 1 0. Γεκηνπξγνχληαη πάιη δχν βξφρνη: ν πξψηνο απνηειείηαη απφ ηα 1, C (ή, C 1 ), D 1 θαη ηελ πεγή V I, νπφηε ν ππθλσηήο C (ή ν C 1 ) θνξηίδεηαη δηακέζνπ ηνπ πελίνπ 1 (ή ηνπ ) απφ ηελ πεγή, ελψ ν δεχηεξνο απνηειείηαη απφ ηα C 3 θαη R, νπφηε ν C 3 παξέρεη ελέξγεηα ζηελ αληίζηαζε R. Έηζη, πξνθχπηνπλ νη αθφινπζεο εμηζψζεηο: Γηα ην ξεχκα i : Σν ξεχκα ζην πελίν ηε ζηηγκή t=t είλαη: Άξα: Απφ ηνπο λφκνπο ηνπ Kirchhoff είλαη : di v V V dt I C (.4.10) dvc ii ic i C i (.4.11) dt 1 t VI VC i (t) v DT dt i (DT) t i (DT) (.4.1) V V (.4.13) I C i (T) (1 D)T i (DT) (V V )(1 D) I C i i (T) i (DT) (.4.14) f S
Κεθάλαιο ο vs VI VC (.4.15) i D1 I (.4.16) I ρήκα.14: ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο [1]. ρήκα.15: Κπκαηνκνξθέο κεηαηξνπέα κε θνηλή γείσζε θαη πςειφ θέξδνο ηάζεο [1]..4. Λφγνο αλχςσζεο ηε κφληκε θαηάζηαζε, ε κέζε ηηκή ηεο ηάζεο πάλσ ζηα πελία είλαη κεδεληθή. Απφ ηηο ζρέζεηο (.4.1) θαη (..10) απηφ κπνξεί λα εθθξαζηεί σο εμήο: Οπφηε, VC DT (VI V C)(1 D)T 0 θαη: DT T v 0 (t)dt v DT (t)dt 0 (.4.17) VC 1 D (.4.18) V 1 D I -30-
Κεθάλαιο ο Απφ ηελ εμίζσζε (.4.1) θαη ιφγσ ηεο (.4.), ν ιφγνο αλχςσζεο ηάζεο πξνθχπηεη: VO (1 D) V 1 D Καη γηα ην ιφγν ησλ ξεπκάησλ εμφδνπ-εηζφδνπ έρνπκε: I IO 1 D I (1 D) I (.4.19) (.4.0).4.3 Δπηινγή ειάρηζηνπ πελίνπ γηα CCM ηε κφληκε θαηάζηαζε απφ λφκν Kirchhoff θαη επεηδή ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ησλ ππθλσηψλ είλαη κεδέλ ζε κία πεξίνδν ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα, είλαη: (1 D) I II IO IC I IO IO 1 D Δπίζεο απφ (.4.6) θαη ιφγσ ησλ (.4.18) θαη (.4.19): I 1 V (.4.1) O (1 D)R VD O i i (DT) i (0) (.4.) fs Γηα λα είλαη ζε θαηάζηαζε ζπλερνχο αγσγήο (CCM) πάληα, πξέπεη: I 1 i VD O (1 D)R 4f VO S (.4.3) D(1 D)R Άξα: (.4.4) 4f S.4.4 Δπηινγή ππθλσηψλ C ηνπ Z δηθηχνπ Ζ επηινγή ησλ ππθλσηψλ C γίλεηαη κε θξηηήξην ηελ επηζπκεηή θπκάησζε ηεο ηάζεο ηνπο (x C %). ηελ 1 ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο απφ ηε ζρέζε (.4.3) θαη ηε (.4.1) ηζρχεη φηη I C 37D 4D (1 D) I O 1 D θαη ιφγσ ηεο (.4.18), VC VI. Αθνχ μέξνπκε φηη ic 1 D dv C dt πξνθχπηεη φηη ICDT (3 7D 4D )IODT(1 D) C x %V (1 D)(x %)(1 D)V C C C I -31- θαη άξα απφ ηε (.4.5):
(3 7D 4D )D S C Κεθάλαιο ο C (.4.6) (1 D)Rf (x %).4.5 Δπηινγή ππθλσηή εμφδνπ Ζ επηινγή ηνπ ππθλσηή εμφδνπ C f γίλεηαη θαη εδψ κε θξηηήξην ηελ επηζπκεηή θπκάησζε ηεο ηάζεο πάλσ ηνπ θαη άξα ζηελ έμνδν (x C %). Δπίζεο είλαη θαη ζηελ ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο θαη άξα: C I (1 D)T 1 D Cf f (.4.7) (x C%)VC f f S(x C%)R.5 Z-source DC-DC μεηαηποπέαρ με εν ζειπά πςκνυηέρ μεηαγυγήρ Ο κεηαηξνπέαο απηφο είλαη παξφκνηαο ινγηθήο κε απηφλ πνπ αλαπηχρζεθε ζην θεθάιαην.1, κε έλα επηπιένλ ζηάδην ελίζρπζεο πξηλ ην θίιηξν εμφδνπ, φπσο θαίλεηαη θαη ζην ρήκα.16. Απνηειείηαη απφ ηελ πεγή ηάζεο Δ ζηελ είζνδν, κία δίνδν D 0, δχν φκνηα πελία θαη δχν φκνηνπο ππθλσηέο C 1 θαη C πνπ ζπληζηνχλ ην Z-δίθηπν, έλαλ ελεξγφ δηαθφπηε S (π.ρ. MOSFET), έλα ζηάδην ελίζρπζεο κε δχν φκνηνπο ππθλσηέο C 3 θαη C 4 θαη δχν δηφδνπο D 1 θαη D, έλα θαησδηαβαηφ θίιηξν δεχηεξεο ηάμεο πνπ ζπλίζηαηαη απφ έλα πελίν f θαη έλαλ ππθλσηή C f θαη ηέινο ην θνξηίν ζηελ έμνδν R. Ζ ινγηθή ηεο βαζκίδαο ελίζρπζεο ζα κπνξνχζε ελδερνκέλσο λα εθαξκνζηεί θαη ζε άιινπο Z-source κεηαηξνπείο. ρήκα.16: Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο [13]. -3-
.5.1 Αλάιπζε θαηαζηάζεσλ ιεηηνπξγίαο Κεθάλαιο ο Πξηλ ηελ αλάιπζε ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ κεηαηξνπέα ζε ζπλερή αγσγή (CCM), γίλνληαη νη παξαδνρέο φηη νη ππθλσηέο, νη αληηζηάζεηο θαη ηα πελία είλαη γξακκηθά, ρξνληθά αλαιινίσηα θαη αλεμάξηεηα ηεο ζπρλφηεηαο, φηη ηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη είλαη ηδαληθά ζηνηρεία (ρσξίο απψιεηεο) θαη φηη ε ηερληθή ειέγρνπ είλαη ε PWM. Ζ δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ S 1 θαη άξα ηνπ κεηαηξνπέα είλαη f s =1/T θαη ν ιφγνο θαηάηκεζήο ηνπ D=t on /T, φπνπ t on είλαη ε ρξνληθή δηάξθεηα αγσγήο ηνπ S 1. Ο ειεγρφκελνο εκηαγσγηθφο δηαθφπηεο S 1 θαη νη δίνδνη D 0, D 1 θαη D άγνπλ ζπκπιεξσκαηηθά θαη άξα ν ιφγνο θαηάηκεζήο ηνπο είλαη 1-D. Σν θχθισκα είλαη ζπκκεηξηθφ κε 1 = = θαη C 1 =C =C θαη άξα V 1 =V =V θαη V C1 =V C =V C. Δπίζεο ε αλάιπζε γίλεηαη γηα C 3 =C 4 νπφηε θαη V C3 =V C4 =V CS. Οη ηέζζεξηο ππθλσηέο έρνπλ ίδηα ρσξεηηθφηεηα. Ζ ηάζε πάλσ ζηνπο ππθλσηέο ιφγσ ηεο κεγάιεο ρσξεηηθφηεηαο θαη ηεο πςειήο δηαθνπηηθήο ζπρλφηεηαο ζεσξείηαη, ζηελ αλάιπζε πνπ αθνινπζεί, ζηαζεξή. Γηα ην δηάζηεκα 0 t DT : Σν ηζνδχλακν θχθισκα θαίλεηαη ζην ρήκα.17. Έζησ φηη T 1 =DT. ε απηφ ην δηάζηεκα ν δηαθφπηεο S 1 άγεη, ελψ νη δίνδνη δελ άγνπλ, αθνχ είλαη αλάζηξνθα πνισκέλεο. Έηζη, ηζρχεη v V V, v v v, i i i 0 θαη S DO C E D1 D CS DO D1 D ξεχκα ζηα πελία 1 θαη θαη ηθαλνπνηνχληαη νη αθφινπζεο εμηζψζεηο: di v V dt v 0. Οη ππθλσηέο C 1 θαη C δίλνπλ C (.5.1) 1 t VC i (t) v 0 dt i (0) t i (0) (.5.) Σν κέγηζην ξεχκα ζηα πελία πξνθχπηεη ηε ζηηγκή t=dt θαη είλαη: Άξα V (.5.3) C i (DT) DT i (0) VC i i (DT) i (0) DT (.5.4) Απφ ηνλ πξψην λφκν ηνπ Kirchhoff, ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην δηαθφπηε S 1 είλαη i S =i +I O. Ζ ηάζε ζηελ έμνδν δηαηεξείηαη ιφγσ ησλ ππθλσηψλ ζηε βαζκίδα ελίζρπζεο. Ζ ηάζε πάλσ ζην πελίν ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ θαη ην ξεχκα πνπ ην δηαξξέεη δίλνληαη απφ ηηο ζρέζεηο: di f f CS O (.5.5) f v V V dt -33-
Κεθάλαιο ο i (t) 1 v dt i (0) V V t i (0) (.5.6) t CS O f f 0 f f f f Γηα t=dt ην ειάρηζην ξεχκα πνπ ξέεη κέζα απφ ην πελίν ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ είλαη: θαη άξα V V (.5.7) CS O i (DT) DT i f (0) f f (V V )D CS O i i f (DT) i f (0) (.5.8) f f S f ρήκα.17: Ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε έλα ζηάδην ελίζρπζεο φηαλ ν S είλαη ON θαη νη δίνδνη OFF [13]. Γηα ην δηάζηεκα : Σν ηζνδχλακν θχθισκα θαίλεηαη ζην ρήκα.18. ε απηφ ην δηάζηεκα νη δίνδνη είλαη νξζά πνισκέλεο θαη άγνπλ ελψ ν δηαθφπηεο S 1 δελ άγεη, νπφηε ηζρχεη φηη. Σα ξεχκαηα ζηα πελία 1 θαη ηξνθνδνηνχληαη απφ ηελ πεγή ζηελ είζνδν ε νπνία θνξηίδεη επίζεο ηνπο ππθλσηέο. Ζ ηάζε θαη ην ξεχκα πάλσ ζηα πελία 1 θαη είλαη: di v V V dt E C (.5.9) Γηα t=σ: 1 t VE VC i (t) v 0 dt i (0) (t DT) i (DT) (.5.10) V V (.5.11) E C i (T) (1 D)T i (DT) -34-
(V V )(1 D) Κεθάλαιο ο E C i i (T) i (DT) (.5.1) f S Ζ ηάζε πάλσ ζην πελίν ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ θαη ην ξεχκα πνπ ην δηαξξέεη είλαη: di v v V dt f f S O (.5.13) f 1 V V i (t) v dt i (DT) (t DT) i (DT) (.5.14) t S O f f DT f f f f Γηα t=t ην κέγηζην ξεχκα πνπ ξέεη κέζα απφ ην πελίν ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ είλαη: V V (.5.15) S O i (T) (1 D)T i f (DT) f f Άξα f f f V V S O i i (T) i (DT) T(1 D) (.5.16) f ρήκα.18: Ηζνδχλακν θχθισκα ηνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε έλα ζηάδην ελίζρπζεο φηαλ ν S είλαη OFF θαη νη δίνδνη ON [13]..5. Λφγνο αλχςσζεο ηε κφληκε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο, ε κέζε ηηκή ηεο ηάζεο πάλσ ζηα πελία 1 θαη είλαη κεδεληθή. Απφ ηηο ζρέζεηο (.5.1) θαη (.5.9) απηφ κπνξεί λα εθθξαζηεί σο εμήο: DT T v 0 (t)dt v DT (t)dt 0 (.5.17) -35-
θαη έηζη VC DT (VE V C)(1 D)T 0 θαη E Κεθάλαιο ο VC 1 D (.5.18) V 1 D Ζ κέζε ηηκή ηεο ηάζεο v C ζηελ 1 ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο είλαη ίζε κε ηελ αληίζηνηρε ζηε ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο: 1 DT 1 T v 0 C(t)dt v DT C(t)dt VC (.5.19) DT (1 D)T Ζ κέζε ηηκή ηεο ηάζεο ζην δηαθφπηε S 1, αλ ιεθζεί ππφςε ε ηάζε ηνπ ζε θάζε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο, θαζψο θαη ε εμίζσζε (.5.19) θαη (.5.18), είλαη: 1 T 1 DT T 1 T VS v 0 S(t)dt ( v 0 S(t)dt v DT S(t)dt (0 v DT S(t)dt) T T T Δπίζεο, ε κέζε ηηκή ηεο ηάζεο V CS ζηελ 1 ε αληίζηνηρε ζηε ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο: 1 D V S (1 D)(VC V E) V (.5.0) E 1 D 1 DT 1 T v 0 CS(t)dt v DT CS(t)dt VCS DT (1 D)T θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο είλαη ίζε κε ηε (.5.1) Δπεηδή ζηε ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο είλαη VCS vs, ηζρχεη φηη 1 T 1 T v DT CS(t)dt v DT S(t)dt θαη ιφγσ ηεο εο ηζφηεηαο ηεο (.5.0) θαη ηεο (1 D)T (1 D)T (.5.1) πξνθχπηεη: Γηα ην πελίν f είλαη VCS vs : 1 1 V V V 1D 1D CS S C (.5.) θαη απφ (.5.13) θαη (.5.5) θαη εθφζνλ ζηε ε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο DT T DT T v (t)dt v (t)dt 0 (V V )dt (v V )dt 0 CS O S O 0 f DT f 0 DT VO VS DVCS (.5.3) Καη απφ ηηο (.5.0), (.5.) θαη (.5.3) ν ιφγνο αλχςσζεο ηάζεο είλαη ηειηθά: -36-
Καη γηα ην ιφγν ξεπκάησλ έρνπκε: Κεθάλαιο ο VO 1 D (.5.4) V 1 D E E IO 1 D (.5.5) I 1 D.5.3 Δπηινγή ειάρηζηνπ πελίνπ γηα CCM Ζ κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ησλ πελίσλ ζηε κφληκε θαηάζηαζε, εθφζνλ ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ησλ ππθλσηψλ είλαη κεδεληθή, είλαη: 1 D I I E IC I (.5.6) O 1 D Γηα λα είλαη ν κεηαηξνπέαο κφληκα ζε CCM πξέπεη πάληα ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ηνπ πελίνπ λα είλαη κεγαιχηεξε απφ ηε κηζή θπκάησζή ηνπ (.5.4): Απφ ηε ζρέζε (.5.18): θαη αθνχ I O V R O, πξέπεη: I 1 D i VD C 1D f IO (1 D)D(1 D)V f (1 S S D) IO (1 D)D(1 D)R f (1 D) S O (.5.7) (.5.8) (.5.9).5.4 Δπηινγή ππθλσηψλ C Ζ επηινγή ησλ ππθλσηψλ C γίλεηαη κε θξηηήξην ηελ επηζπκεηή θπκάησζε ηεο ηάζεο ηνπο (x C %). ην δηάζεκα ηζρχεη φηη i C =i θαη άξα νη κέζεο ηηκέο ησλ ξεπκάησλ ζε 1D 1D VO απηφ ην δηάζηεκα ηζνχληαη, δειαδή IC I IE IO. Δπίζεο απφ ηηο 1D 1D R 1 D dv ζρέζεηο (.5.18) θαη (.5.4) VC VOθαη αθνχ i C C, πξνθχπηεη φηη: 1 D dt -37-
I DT (1 D)V DT(1 D) C O C (x C %)V C (1 D)R(x C %)(1 D)V O Κεθάλαιο ο θαη άξα: ICDT (1 D) D C (.5.30) (x %)V (1 D)(1 D)Rf (x %) C C S C.5.5 Δπηινγή θίιηξνπ εμφδνπ Ζ επηινγή ηνπ πελίνπ ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ γίλεηαη έηζη ψζηε λα είλαη ζε θαηάζηαζε ζπλερνχο αγσγήο (CCM). Ηζρχεη φηη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ I o ηζνχηαη κε ηε κέζε ηηκή ηνπ πελίνπ απηνχ (V V )D I CS O I. Λφγσ ηεο (.5.) V f CS VC f S f 1 D V D(1 D)V f V R I CS. Άξα, γηα ιεηηνπξγία ζε CCM πξέπεη: (1 D)fSf I f I V I D(1 D)VI R (1 D)f f O f O IO θαη επίζεο απφ ηε ζρέζε (.5.8) φηη S f f 1 θαη ηεο (.5.18), έρνπκε: θαη απφ ηελ (.5.4): D(1 D)R (1 D)f κεγαιχηεξε απφ ηελ ηάζε εμφδνπ. Σα πην πνιχπινθα θίιηξα εμφδνπ ηα έρνπλ απηνί νη δχν -38- S (.5.31) Ο ππθλσηήο εμφδνπ ππνινγίδεηαη φπσο ζην θεθάιαην..5, αληηθαζηζηψληαο ην Γi f απηήο ηεο πεξίπησζεο απφ ηε ζρέζε: φπνπ C V D(1 D) O f 8(1 D)fs f VC f (p p) VC f (p ε θπκάησζε ηνπ ππθλσηή εμφδνπ. p).6 ύνοτη-ύγκπιζη (.5.3) πλνςίδνληαο ηελ αλάιπζε ησλ κεηαηξνπέσλ πνπ πξνεγήζεθε, δεκηνπξγείηαη ν Πίλαθαο 1 ψζηε θαη κέζσ απηήο ηεο θσδηθνπνίεζεο λα είλαη πην εχθνιε κηα εθηίκεζε ησλ δηαθνξψλ ηνπο. Απφ ην ζπγθεθξηκέλν πίλαθα θαίλεηαη φηη ν κεηαηξνπέαο κε ηνπο ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο δηαζέηεη ηα πεξηζζφηεξα εκηαγσγηθά ζηνηρεία. Ζ κεγαιχηεξε θαηαπφλεζε ηνπ MOSFET ιφγσ ηάζεο εκθαλίδεηαη ζηνλ θιαζηθφ Z-source κεηαηξνπέα, θαζψο είλαη αξθεηά
Κεθάλαιο ο κεηαηξνπείο, θαζψο απαηηνχλ θαησδηαβαηφ θίιηξν -C, ελψ νη άιινη δχν ρξεζηκνπνηνχλ κφλν έλαλ ππθλσηή γηα ζηαζεξνπνίεζε ηεο ηάζεο. ην επφκελν θεθάιαην πνπ πεξηέρνληαη νη πξνζνκνηψζεηο, ζα θαλνχλ πην άκεζα νη δηαθνξέο ησλ κεηαηξνπέσλ, θαζψο δελ ζα αθνξνχλ κφλν ζεσξεηηθή ζχγθξηζε ηχπσλ αιιά κηα πην πξαθηηθή ζχγθξηζε ησλ ζπκπεξηθνξψλ ηνπο. Πίνακαρ 1 Κλαζικόρ Σποποποιημένορ Με κοινή γείυζη Με εν ζειπά πςκνυηέρ μεηαγυγήρ Γιακόπηερ 1 1 1 1 Γίοδοι 1 3 Λόγορ Ανύτυζηρ 1 D 1 D 1 1 D (1 D) 1 D 1 D 1 D Max ηάζη διακόπηη 1 VI 1 D 1 VI 1 D 1 VI 1 D 1 D VI 1 D min (zδικηύος) D(1 D)R f (1 D) S (1 D)(1 D)DR f S D(1 D)R 4f S (1 D)D(1 D)R f (1 D) S C(zδικηύος) (1 D)D (1 D)RfSx C% 1 (1 D)Rf x % S C (3 7D 4D )D (1 D)Rf x % S C (1 D) D (1 D)(1 D)Rf x % S C Φίληπο εξόδος -C C C -C -39-
-40- Κεθάλαιο ο
ΚΔΦΑΛΑΙΟ 3 Κεθάλαιο 3ο ΠΡΟΟΜΟΙΧΔΙ Z-SOURCE ΜΔΣΑΣΡΟΠΔΧΝ-ΔΠΙΛΟΓΗ ΜΔΣΑΣΡΟΠΔΑ ΓΙΑ ΚΑΣΑΚΔΤΗ 3.1 Διζαγυγή Αξρηθά, ζα πξνζνκνησζνχλ ζε πεξηβάιινλ PSpice, νη κεηαηξνπείο πνπ αλαιχζεθαλ ζεσξεηηθά ζην πξνεγνχκελν Κεθάιαην. ηε ζπλέρεηα, θαηφπηλ ζχγθξηζήο ηνπο, ζα επηιεγεί ν κεηαηξνπέαο πνπ ζα θαηαζθεπαζηεί θαη ζε απηφλ ζα εθαξκνζζεί θαη MPPT έιεγρνο. Ζ φιε πξνζνκνίσζε ζα πξαγκαηνπνηεζεί ζε πεξηβάιινλ Simulink/Matlab. 3. Πποζομοιώζειρ και ζύγκπιζη μεηαηποπέυν Οη πξνζνκνηψζεηο πνπ αθνινπζνχλ έρνπλ πξαγκαηνπνηεζεί γηα ηελ ηππηθή ηζρχ ησλ 50W, κε ηάζε εηζφδνπ 40V θαη ιφγν αλχςσζεο ίζν κε 10. Απφ απηφ ζπλεπάγεηαη φηη ε ηάζε ζηελ έμνδν ζα πξέπεη λα είλαη ζηα 400V θαη άξα ην θνξηίν/αληίζηαζε ζηελ έμνδν ζηα 640Χ (400 /640=50W). Σα πελία ηνπ Z-δηθηχνπ έρνπλ επηιεγεί έηζη ψζηε λα είλαη ζε θαηάζηαζε ζπλερνχο αγσγήο γηα ην 10% ηεο ηζρχνο ησλ 50W, δειαδή γηα 5W (R=6400). Ζ δηαθνπηηθή ζπρλφηεηα ησλ κεηαηξνπέσλ επηιέγεηαη f S =5kHz. 3..1 Κιαζηθφο Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο Απφ ηε ζρέζε (..19) πξνθχπηεη φηη V V O I D V O V I θαη γηα V O =400V θαη V I =40V πξνθχπηεη D=0.4737 δειαδή t on =18.948κs. Σα πελία 1 = = απφ ηε ζρέζε (..5) γηα R=6400Χ πξέπεη λα είλαη 6.1mH θαη επηιέγνληαη 1 = =6.mH. Απφ ηε ζρέζε (..6) θαη γηα R=640Χ θαη x C %=0.% πξνθχπηεη C=3.7κF θαη επηιέγνληαο C 1 =C =00κF ε θπκάησζε ηεο ηάζεο είλαη νπζηαζηηθά κεδεληθή. Γηα ην θίιηξν εμφδνπ, ην πελίν ππνινγίδεηαη απφ ηνλ ηχπν (..7) κε R=6400Χ, f 60.6mH θαη επηιέγεηαη f 61mH ελψ ν ππθλσηήο απφ ηνλ ηχπν (..8) γηα V 0.01V πξνθχπηεη f C f (p p) C 6F θαη γηα Cf 00F είλαη V 0.0031V. ε ζεηξά κε ηα πελία έρεη ζπλδεζεί κηα παξαζηηηθή αληίζηαζε ησλ mχ, C f (p p) ελψ κε ηνπο ππθλσηέο κηα παξαζηηηθή αληίζηαζε ησλ 1mΧ. Ζ R on ηνπ MOSFET επηιέρζεθε -41-
Κεθάλαιο 3ο 0.Χ ελψ ζαλ δίνδνο ρξεζηκνπνηήζεθε ην κνληέιν DSEP9-1A [9] ηεο IXYS. Έηζη, ην θχθισκα πνπ πξνζνκνηψζεθε θαίλεηαη ζην ρήκα 3.1: 1 D0 DSEP9-1A 1 1 1 6.m 1 R1 m 1 1 1 1 f 61mH Rf m Vin 0 40Vdc 1 C1 00u RC1 1m 6.m 1 1 R m 1 C 00u RC 1m V1 = 0 V = 15 TD = 0 V1 power_mbreakn TR = ns TF = ns PW = 19.081u PER = 40.00u S Rmos 0. 1 1 C3 00u RC3 1m R 640 1 ρήκα 3.1: Μνληέιν πξνζνκνίσζεο θιαζηθνχ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα. Πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζνχλ πεξίπνπ 400V ζηελ έμνδν θαηφπηλ πνιιαπιψλ πξνζνκνηψζεσλ πξνέθπςε t on =19.081κs δειαδή D=0.4770. Θεσξεηηθά, ζα αλακελφηαλ ε κέγηζηε ηάζε ζην MOSFET θαη ηε δίνδν λα είλαη 760V. Ζ ηάζε ζηα πελία 1 θαη λα είλαη 400V θαη -360V ζηηο δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο δηαδνρηθά κε κέζε ηηκή ξεχκαηνο 6.5Α. Ζ ηάζε ζηνπο ππθλσηέο C 1 θαη C λα είλαη 400V. Σέινο, ε ηάζε ζην f -400V θαη 360V ζηηο δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο κε κέζε ηηκή ξεχκαηνο 400/640=0.65Α. Σα παξαπάλσ επηβεβαηψλνληαη θαη απφ ηηο πξνζνκνηψζεηο κε πνιχ κηθξέο δηαθνξέο ιφγσ θπξίσο V on ηεο δηφδνπ D 0, ησλ παξαζηηηθψλ αληηζηάζεσλ ησλ ζηνηρείσλ θαη ησλ αληηζηάζεσλ αγσγήο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ. Ζ κεγαιχηεξε δηαθνξά παξαηεξείηαη ζηα ξεχκαηα θαη εηδηθά ζηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ησλ πελίσλ 1 θαη (7,34Α), πνπ ηαπηίδεηαη κε ηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ηεο δηφδνπ. Απηφ νθείιεηαη ζηε ρξήζε κε ηδαληθψλ ζηνηρείσλ, θάηη πνπ επεξεάδεη ηελ απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα θαη δελ ηζρχεη P in =P out. Όπσο θαίλεηαη θαη ζην ρήκα 3.4, ε απφδνζε πξνθχπηεη ε= 85.%. Άξα, ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ πνπ ηζνχηαη κε ηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ησλ πελίσλ ζα έπξεπε λα είλαη 6.5/0.85=7.336Α, φζν θαη είλαη. Ζ ελεξγφο ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ηνπ MOSFET πξνθχπηεη 9.79Α. ην ρήκα 3. θαίλνληαη νη θπκαηνκνξθέο ηεο ηάζεο φισλ ησλ ζηνηρείσλ, ζην ρήκα 3.3 νη θπκαηνκνξθέο ησλ ξεπκάησλ, ελψ ζην ρήκα 3.4 θαίλεηαη ε απφδνζε θαη ε ηάζε εμφδνπ πξνο επηβεβαίσζε θαη ησλ παξαπάλσ. -4-
400V 00V 0V -00V -400V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(1:1)- V(1:) Κεθάλαιο 3ο 15V 10V 10V 5V 0V 800V 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(S:g)- V(S:s) V(S:g)-V(S:s) 600V 400V 00V 0V 800V 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(S:d)- V(S:s) 800V V(S:d)-V(S:s) 600V 600V 400V 400V 00V 00V 0V 0V -00V -00V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(D0:A) V(D0:C)-V(D0:A) 400V 00V 0V -00V -400V 500V 500V V(1:1)-V(1:) 400V 400V 300V 300V 00V 00V 100V 100V 0V 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(C1:1)-V(C1:) V(C1:) 400V 400V 00V 00V 0V 0V -00V -00V - 400V -400V 1.90003s 1.90007s 1.90009s 1.90011s 1.90013s 1.90015s 1.90000s 1.90001s 1.90000s V(f:1)- V(f:) 1.9000s 1.90005s 1.90004s 1.90006s 1.90008s 1.90010s 1.9001s 1.90014s V(f:1)-V(f:) ρήκα 3.: Σάζεηο θιαζηθνχ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα. Γηαδνρηθά: Παικνί MOSFET, Σάζε MOSFET, Σάζε δηφδνπ, Σάζε πελίνπ Z-δηθηχνπ, Σάζε ππθλσηή Z-δηθηχνπ θαη Σάζε πελίνπ θίιηξνπ εμφδνπ. -43-
15V 10V 5V 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(S:g)- V(S:s) 8.0A 7.8A 7.6A 7.4A 7.A 7.0A 6.8A 6.6A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(1) Κεθάλαιο 3ο 15V 10V 5V 0V V(S:g)-V(S:s) 16A 1A 8A 4A 4A 0A I(S:d) 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(S:d) 16A 1A 8A 4A 0A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(D0) 8.0A 7.6A 7.A 6.8A I(1) 9.1A 9.1A 5.0A 5.0A 0A 0A -5.0A -5.0A -9.A -9.A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(C1) 700mA 700mA 680mA 660mA 660mA 640mA 60mA 60mA 600mA 580mA 580mA 1.90001s 1.90003s 1.90005s 1.90007s 1.90011s 1.90015s 560mA I(f) 1.90000s 1.9000s 1.90004s 1.90006s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.9001s 1.90013s 1.90014s I(f) ρήκα 3.3: Ρεχκαηα θιαζηθνχ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα. Γηαδνρηθά: Παικνί MOSFET, Ρεχκα MOSFET, Ρεχκα δηφδνπ, Ρεχκα πελίνπ Z-δηθηχνπ, Ρεχκα ππθλσηή Z-δηθηχνπ θαη Ρεχκα πελίνπ θίιηξνπ εμφδνπ. -44-
Κεθάλαιο 3ο 864.8m 864.8mV 860.0mV 855.0m 855.0mV 850.0mV 845.0m 845.0mV 840.0mV 835.0m 835.0mV 830.1mV 1.83000s 1.8699s AVG(( V(R:1)- 1.83500s V(R:))* I(R))/(40* 1.84000s AVG(-I(Vin))) 1.84500s 1.85000s 1.85500s 1.86000s 1.86500s 1.87000s 1.87500s 1.87955s AVG((VR:1)-V(R:))*I(R))/(40*AVG(-I(Vin))) 400.0080V 400.0075V 400.0070V 400.0065V 400.0060V 400.0055V 400.0050V 400.0050V 400.0045V 1.90000s V(R:1)- V(R:) 1.9000s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90001s 1.90003s 1.90015s V(R:1)-V(R:) ρήκα 3.4: Απφδνζε θιαζηθνχ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα θαη θπκάησζε ηάζεο ζηελ έμνδν. 3.. Σξνπνπνηεκέλνο Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο Απφ ηε ζρέζε (.3.19) πξνθχπηεη φηη D V V V O I θαη γηα V O =400V θαη V I =40V πξνθχπηεη D=0.45 δειαδή t on =18κs. Σα πελία 1 = = απφ ηε ζρέζε (.3.) γηα R=6400Χ πξέπεη λα είλαη 3.mH θαη επηιέγνληαη 1 = =3.3mH. Απφ ηε ζρέζε (.3.3) θαη γηα R=640Χ θαη x C %=0.% πξνθχπηεη C=31.5κF θαη επηιέγνληαο C 1 =C =500κF ε θπκάησζε ηεο ηάζεο είλαη νπζηαζηηθά κεδεληθή. Γηα ηνλ ππθλσηή εμφδνπ απφ ηνλ ηχπν (.3.7) γηα θπκάησζε x C %=0.00 πξνθχπηεη Cf O 14 F θαη γηα Cf 500 F είλαη απεηξνειάρηζηε. ε ζεηξά κε ηα πελία έρεη ζπλδεζεί κηα παξαζηηηθή αληίζηαζε ησλ mχ, ελψ κε ηνπο ππθλσηέο κηα παξαζηηηθή αληίζηαζε ησλ 1mΧ. αλ MOSFET S ρξεζηκνπνηήζεθε ην κνληέιν IXTA1N50P [30] απφ ηελ IXYS, ζαλ δίνδνο D 1 ρξεζηκνπνηήζεθε ην κνληέιν DSEP9-1A [9] ηεο IXYS θαη ζαλ δίνδνο D ρξεζηκνπνηήζεθε ην κνληέιν DSEP8-1A [31] ηεο IXYS. Έηζη ην θχθισκα πνπ πξνζνκνηψζεθε θαίλεηαη ζην ρήκα 3.5: -45-
Κεθάλαιο 3ο 1 1 1 R1 C 1 1 RC D 40 Vi 3.3m C1 1 500u 1 m RC1 1m 500u 1 D1 DSEP9-1A R 1 m 1m 3.3m 1 V5 V1 = 0 V = 15 TD = 0 TR = ns TF = ns PW = 18.39u PER = 40u DSEP8-1A S IXTA1N50P 1 Cf 1 500u R 640 1 RC3 1m 0 ρήκα 3.5: Μνληέιν πξνζνκνίσζεο ηξνπνπνηεκέλνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα. Πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζνχλ πεξίπνπ 400V ζηελ έμνδν, θαηφπηλ πνιιαπιψλ πξνζνκνηψζεσλ πξνέθπςε t on =18.39κs, δειαδή, D=0.46. Θεσξεηηθά, ζα αλακελφηαλ ε κέγηζηε ηάζε ζην MOSFET θαη ηηο δηφδνπο λα είλαη 400V. Ζ ηάζε ζηα πελία 1 θαη λα είλαη 0V θαη -180V ζηηο δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο δηαδνρηθά, κε κέζε ηηκή ξεχκαηνο 6.5Α. Σέινο, ηάζε ζηνπο ππθλσηέο C 1 θαη C λα είλαη 180V. Όια ηα παξαπάλσ επηβεβαηψλνληαη θαη απφ ηηο πξνζνκνηψζεηο κε πνιχ κηθξέο δηαθνξέο ιφγσ θπξίσο V on ησλ δηφδσλ, ησλ παξαζηηηθψλ αληηζηάζεσλ ησλ ζηνηρείσλ θαη ησλ αληηζηάζεσλ αγσγήο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ. Ζ κεγαιχηεξε δηαθνξά παξαηεξείηαη ζηα ξεχκαηα θαη εηδηθά ζηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ησλ πελίσλ 1 θαη (7,86Α). Απηφ νθείιεηαη ζηε ρξήζε κε ηδαληθψλ ζηνηρείσλ πνπ επεξεάδεη ηελ απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα θαη δελ ηζρχεη P in =P out. Όπσο θαίλεηαη θαη ζην ρήκα 3.4, ε απφδνζε πξνθχπηεη ε= 79.5% (ε=avg(( V(R:1)- V(R:))* I(R))/(40* AVG(-I(Vi)))). Άξα, ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ πνπ ηζνχηαη κε ηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ησλ πελίσλ ζα έπξεπε λα είλαη 6.5/0.795=7.861Α, φζν θαη είλαη.. Ζ ελεξγφο ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ηνπ MOSFET πξνθχπηεη 10.68Α θαη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ζηε D 1 7.86A. ην ρήκα 3.6 θαίλνληαη νη θπκαηνκνξθέο ηεο ηάζεο φισλ ησλ ζηνηρείσλ, ζην ρήκα 3.7 νη θπκαηνκνξθέο ησλ ξεπκάησλ, ελψ ζην ρήκα 3.8 θαίλεηαη ε απφδνζε θαη ε θπκάησζε ηεο ηάζεο ζηελ έμνδν, φπσο πξνέθπςαλ απφ ηελ πξνζνκνίσζε πξνο επηβεβαίσζε φζσλ αλαθέξζεθαλ παξαπάλσ. -46-
15V 15V Κεθάλαιο 3ο 10V 50V 5V 0V V(S:gate)-V(S:source) 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(S:gate)- V(S:source) 400V 400V 300V 300V 00V 00V 100V 100V 0V 0V 400V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(S:drain)- V(S:source) 400V V(S:drain)-V(S:source) 300V 300V 00V 00V 100V 100V 0V 400V 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(D1:C)- V(D1:A) 400V V(D1:C)-V(D1:A) 300V 300V 00V 00V 100V 100V 0V 0V V(D:C)-V(D:A) 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(D:C)- V(D:A) 00V 00V 100V 100V 0V 0V -100V -100V -00V -00V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(1:1)- V(1:) 30V V(1:1)-V(1:) 00V 160V 10V 80V 40V 0V 1.90000s 1.9000s 1.90004s 1.90006s 1.90008s 1.90010s 1.9001s 1.90014s V(C1:1)-V(C1:) 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(C1:)- V(C1:1) ρήκα 3.6: Σάζεηο ηξνπνπνηεκέλνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα. Γηαδνρηθά: Παικνί MOSFET, Σάζε MOSFET, Σάζε δηφδνπ D 1, Σάζε δηφδνπ D, Σάζε πελίνπ Z-δηθηχνπ θαη Σάζε ππθλσηή Z-δηθηχνπ. -47-
15V Κεθάλαιο 3ο 10V 5V 5V 0V 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(S:source) V(S:gate)-V(S:source) 18A 16A 1A 8A 8A 4A 0A -3A -3A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(S:drain) 18A 16A 16A 1A 8A 4A 0A -3A -3A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(D1) 8.6A I(D1) 8.4A 8.A 8.0A 8.0A 7.8A 7.6A 7.4A 7.A I(1) 7.A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(1) 10A 5A 0A -5A -10A -10A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(C1) 3.0A.0A 1.0A 0A -1.0A 1.90003s 1.90005s 1.90007s 1.90009s 1.90011s 1.90013s 1.90015s -1.0A 1.90001s 1.90000s I(D) 1.9000s 1.90004s 1.90006s 1.90008s 1.90010s 1.9001s 1.90014s I(D) ρήκα 3.7: Ρεχκαηα ηξνπνπνηεκέλνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα. Γηαδνρηθά: Παικνί MOSFET, Ρεχκα MOSFET, Ρεχκα δηφδνπ D 1, Ρεχκα πελίνπ Z-δηθηχνπ, Ρεχκα ππθλσηή Z-δηθηχνπ θαη Ρεχκα δηφδνπ D. -48-
89.8m 89.8mV Κεθάλαιο 3ο 80.0m 80.0mV 810.0m 810.0mV 800.0m 800.0mV 790.0m 790.0mV 780.0m 780.0mV 770.0m 770.0mV 399.81V 399.81V 1.840s AVG(( V(R:1)- 1.845s V(R:))* 1.850s I(R))/(40* 1.855s AVG(-I(Vi))) 1.860s 1.865s 1.870s 1.875s 1.880s 1.885s 1.890s 1.895s 1.900s AVG((VR:1)-V(R:))*I(R))/(40*AVG(-I(Vin))) 399.80V 399.79V 399.79V 399.78V 399.77V 399.77V 399.76V 399.75V 399.75V 1.90001s 1.90000s V(R:1)- 1.9000s V(R:) 1.90004s 1.90006s 1.90008s 1.90010s 1.9001s 1.90014s 1.90003s 1.90005s 1.90007s 1.90009s 1.90011s 1.90013s 1.90015s V(R:1)-V(R:) ρήκα 3.8: Απφδνζε ηξνπνπνηεκέλνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα θαη θπκάησζε ηάζεο ζηελ έμνδν. 3..3 Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο κε θνηλή γείσζε θαη πςειφ θέξδνο ηάζεο Απφ ηε ζρέζε (.4.19) πξνθχπηεη φηη V V I O D (V I V O ) θαη γηα V O =400V θαη V I =40V πξνθχπηεη D=0.444 δειαδή t on =17.78κs. Σα πελία 1 = =, απφ ηε ζρέζε (.4.4), γηα R=6400Χ, πξέπεη λα είλαη 3.mH θαη επηιέγνληαη 1 = =3.3mH. Απφ ηε ζρέζε (.4.6), γηα R=640Χ θαη x C %=0.% πξνθχπηεη C=169.75κF θαη επηιέγνληαο C 1 =C =300κF, ε θπκάησζε ηεο ηάζεο είλαη νπζηαζηηθά κεδεληθή. Γηα ηνλ ππθλσηή εμφδνπ απφ ηνλ ηχπν (.4.7) γηα θπκάησζε x C %=0.%, πξνθχπηεη κf θαη γηα κf, ε θπκάησζε είλαη απεηξνειάρηζηε. ε ζεηξά κε ηα πελία, έρεη ζπλδεζεί κηα παξαζηηηθή αληίζηαζε ησλ mχ, ελψ κε ηνπο ππθλσηέο κηα παξαζηηηθή αληίζηαζε ησλ 1mΧ. αλ MOSFET S ρξεζηκνπνηήζεθε ην κνληέιν IXTA1N50P [30] ηεο IXYS θαη γηα ηηο δηφδνπο D 1 θαη D ρξεζηκνπνηήζεθε ην κνληέιν DSEP8-1A [31] ηεο IXYS. Έηζη, ην θχθισκα πνπ πξνζνκνηψζεθε θαίλεηαη ζην ρήκα 3.9: -49-
D Κεθάλαιο 3ο 40 D1 DSEP8-1A Vi 1 1 3.3m C1 1 400u 1 1 1 1 RC1 1m R R1 m C 1 1 400u DSEP8-1A RC 1m V1 = 0 V5 V = 15 TD = 0 TR = ns TF = ns PW = 18.335u PER = 40u S IXTA1N50P 1 1 C3 400u RC3 1m 1 R 640 0 3.3m m ρήκα 3.9: Μνληέιν πξνζνκνίσζεο Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε θνηλή γείσζε θαη πςειφ θέξδνο ηάζεο. Πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζνχλ πεξίπνπ 400V ζηελ έμνδν, θαηφπηλ πξνζνκνηψζεσλ πξνέθπςε t on =18.335κs δειαδή D=0.458. Θεσξεηηθά ζα αλακελφηαλ ε κέγηζηε ηάζε ζην MOSFET θαη ηηο δηφδνπο λα είλαη 360V. Ζ ηάζε ζηα πελία 1 θαη λα είλαη 00V θαη - 160V ζηηο δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο δηαδνρηθά, κε κέζε ηηκή ξεχκαηνο 6.5Α. Ζ ηάζε ζηνπο ππθλσηέο C 1 θαη C λα είλαη 00V. Όια ηα παξαπάλσ επηβεβαηψλνληαη θαη απφ ηηο πξνζνκνηψζεηο, κε πνιχ κηθξέο δηαθνξέο, ιφγσ θπξίσο ησλ V on ησλ δηφδσλ, ησλ παξαζηηηθψλ αληηζηάζεσλ ησλ ζηνηρείσλ θαη ησλ αληηζηάζεσλ αγσγήο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ. Ζ κεγάιε δηαθνξά παξαηεξείηαη ζηα ξεχκαηα θαη εηδηθά ζηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ, άξα θαη ηεο D 1. Απηφ νθείιεηαη ζηε ρξήζε κε ηδαληθψλ ζηνηρείσλ πνπ επεξεάδεη ηελ απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα, ε νπνία πξνθχπηεη ε= 75.6% (ε=avg(( V(R:1)- V(R:))* I(R))/(40* AVG(-I(Vi)))). Έηζη, ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ ζα έπξεπε λα είλαη 6.5/0.756=8.67Α, φζν θαη είλαη. Αληίζηνηρα, ε κέζε ηηκή ξεχκαηνο ησλ 1 θαη, ελψ ζα αλακελφηαλ 5.65Α, ιφγσ απηήο ηεο δηαθνξάο ζην ξεχκα εηζφδνπ, είλαη 7,63Α. Ζ ελεξγφο ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ηνπ MOSFET πξνθχπηεη 11.3Α θαη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ηεο D 0.67A, είλαη νπζηαζηηθά ίζε κε ηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ 400/640=0.65. ην ρήκα 3.10 θαίλνληαη νη θπκαηνκνξθέο ηεο ηάζεο φισλ ησλ ζηνηρείσλ, ζην ρήκα 3.11 νη θπκαηνκνξθέο ησλ ξεπκάησλ, ελψ ζην ρήκα 3.1 θαίλεηαη ε απφδνζε θαη ε θπκάησζε ηεο ηάζεο ζηελ έμνδν, φπσο πξνέθπςαλ απφ ηελ πξνζνκνίσζε πξνο επηβεβαίσζε φζσλ αλαθέξζεθαλ παξαπάλσ. -50-
15V Κεθάλαιο 3ο 10V 10V 5V 0V V(S:gate)-V(S:source) 400V 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(S:gate)- V(S:source) 400V 300V 00V 100V 0V V(S:drain)-V(S:source) 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(S:drain)- V(S:source) 370V 370V 300V 00V 100V 0V 0V V(D1:C)-V(D1:A) 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(D1:C)- V(D1:A) 370V 370V 300V 00V 100V 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(D:A) V(D:C)-V(D:A) 00V 100V 0V -100V -00V V(1:1)-V(1:) -00V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(1:1)- V(1:) 300V 50V 50V 00V 00V 150V 100V 50V 0V 0V 1.90001s 1.90000s V(C1:1)- V(C1:) 1.9000s 1.90004s 1.90006s 1.90008s 1.90010s 1.9001s 1.90014s 1.90003s 1.90005s 1.90007s 1.90009s 1.90011s 1.90013s 1.90015s V(C1:1)-V(C1:) ρήκα 3.10: Σάζεηο Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε θνηλή γείσζε θαη πςειφ θέξδνο ηάζεο. Γηαδνρηθά: Παικνί MOSFET, Σάζε MOSFET, Σάζε δηφδνπ D 1, Σάζε δηφδνπ D, Σάζε πελίνπ Z-δηθηχνπ θαη Σάζε ππθλσηή Z-δηθηχνπ. -51-
0A 15A 10A 5A 0A -5A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(D1) 8.A 8.0A 7.8A 7.6A 7.4A 7.A 7.0A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(1) 10A 8A 4A 0A -4A -8A -1A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(C1) 15V Κεθάλαιο 3ο 10V 5V 5V 0V 0A 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(S:source) V(S:gate)-V(S:source) 16A 1A 8A 4A 0A -A I(S:drain) -A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(S:drain) 0A 10A 0A -5A I(D1) 8.A 7.8A 7.4A 7.0A I(1) 8A 0A -8A I(C1) 4.0A 4.0A 3.0A 3.0A.0A.0A 1.0A 1.0A 0A 0A -1.0A -1.0A 1.90003s 1.90007s 1.90009s 1.90011s 1.90015s 1.90000s 1.90001s I(D) 1.90000s 1.9000s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90008s 1.90010s 1.9001s 1.90013s 1.90014s I(D) ρήκα 3.11: Ρεχκαηα Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε θνηλή γείσζε θαη πςειφ θέξδνο ηάζεο. Γηαδνρηθά: Παικνί MOSFET, Ρεχκα MOSFET, Ρεχκα δηφδνπ D 1, Ρεχκα πελίνπ Z- δηθηχνπ, Ρεχκα ππθλσηή Z-δηθηχνπ θαη Ρεχκα δηφδνπ D. -5-
791.8mV Κεθάλαιο 3ο 780.0mV 760.0mV 740.0mV 70.0mV 1.8s AVG((V(R:1)- 1.83s V(R:))*I(R))/(40* AVG(-I(Vi))) 1.84s 1.85s 1.86s 1.80s 1.87s 1.88s 1.89s 1.90s AVG((VR:1)-V(R:))*I(R))/(40*AVG(-I(Vin))) 399.94V 399.93V 399.9V 399.91V 399.90V 399.90V 399.89V 399.88V 399.88V 399.87V 1.90000s 1.90001s 1.90000s V(R:1)- V(R:) 1.9000s 1.90004s 1.90006s 1.90009s 1.90008s 1.90010s 1.9001s 1.90014s 1.90003s 1.90005s 1.90007s 1.90011s 1.90013s 1.90015s V(R:1)-V(R:) ρήκα 3.1: Απφδνζε Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε θνηλή γείσζε θαη πςειφ θέξδνο ηάζεο θαη ηάζε ζηελ έμνδν. 3..4 Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο Απφ ηε ζρέζε (.5.4), πξνθχπηεη φηη V V O I D V O V I θαη γηα V O =400V θαη V I =40V, είλαη D=0.486, δειαδή, t on =17.143κs. Σα πελία 1 = =, απφ ηε ζρέζε (.5.9), γηα R=6400Χ, πξέπεη λα είλαη.mh θαη επηιέγνληαη 1 = =.3mH. Απφ ηε ζρέζε (.5.30) θαη γηα R=640Χ θαη x C %=0.% πξνθχπηεη C=33.5κF θαη επηιέγνληαο C 1 =C =C 3 =C 4 =400κF, ε θπκάησζε ηεο ηάζεο είλαη νπζηαζηηθά κεδεληθή. Γηα ην θίιηξν εμφδνπ, ην πελίν ππνινγίδεηαη απφ ηνλ ηχπν (.5.31) κε R=6400Χ, f 1.9mH θαη επηιέγεηαη f mh. Ο ππθλσηήο ηνπ θίιηξνπ, απφ ηνλ ηχπν (.5.3), γηα V 0.01V, πξνθχπηεη f C f (p p) C 3.6 F θαη γηα Cf 00 F, είλαη V 0.00V. ε ζεηξά κε ηα πελία ζπλδέεηαη παξαζηηηθή αληίζηαζε C f (p p) ησλ mχ, ελψ κε ηνπο ππθλσηέο ηνπ 1mΧ. αλ MOSFET S ρξεζηκνπνηήζεθε ην κνληέιν IXTH4N50 [3] ηεο IXYS, γηα ηηο δηφδνπο D 1 θαη D ρξεζηκνπνηήζεθε ην κνληέιν DSEP9-1A [9] ηεο IXYS θαη γηα ηε δίνδν D 0 ην κνληέιν DSEP8-1A [31] ηεο IXYS. Έηζη, ην θχθισκα πνπ πξνζνκνηψζεθε θαίλεηαη ζην ρήκα 3.9: -53-
D0 1 1 1 R1 1 D1 f 1 1 Rf Κεθάλαιο 3ο DSEP8-1A.3m m DSEP9-1A mh 1m 40 Vi C1 1 400u 1 1 RC1 1m 1 1 RC 1m R C 1 400u IXTH4N50 V1 = 0 V5 V = 15 TD = 0 TR = 10ns TF = 10ns PW = 17.143u PER = 40u 1 S 3 C3 1 400u 1 RC5 1m D 1 C4 1 1 400u RC4 1m 1 1 Cf 00u RCf 1m 1 R 640 0.3m m DSEP9-1A ρήκα 3.13: Μνληέιν πξνζνκνίσζεο Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο. Πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζνχλ πεξίπνπ 400V ζηελ έμνδν, θαηφπηλ πξνζνκνηψζεσλ, πξνέθπςε t on =17.47κs, δειαδή, D=0.43675. Θεσξεηηθά, ζα αλακελφηαλ ε κέγηζηε ηάζε ζην MOSFET θαη ηηο δηφδνπο λα είλαη 80V. Ζ ηάζε ζηα πελία 1 = θαη f λα είλαη 00V θαη - 160V ζηηο δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο δηαδνρηθά, κε κέζε ηηκή ξεχκαηνο 6.5Α θαη 0.65 αληίζηνηρα. Ζ ηάζε ζηνπο ππθλσηέο C 1 = C λα είλαη 160V θαη ζηνπο C 3 =C 4 λα είλαη 80V. Όια ηα παξαπάλσ επηβεβαηψλνληαη θαη απφ ηηο πξνζνκνηψζεηο, κε πνιχ κηθξέο δηαθνξέο, ιφγσ θπξίσο ησλ V on ησλ δηφδσλ, ησλ παξαζηηηθψλ αληηζηάζεσλ ησλ ζηνηρείσλ θαη ησλ αληηζηάζεσλ αγσγήο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ. Ζ κεγάιε δηαθνξά παξαηεξείηαη ζηα ξεχκαηα θαη εηδηθά ζηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ άξα θαη ηεο D 0 θαη ησλ 1 θαη. Απηφ νθείιεηαη ζηε ρξήζε κε ηδαληθψλ ζηνηρείσλ, πνπ επεξεάδεη ηελ απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα, ε νπνία πξνθχπηεη ε= 86.3% (ε=avg(( V(R:1)- V(R:))* I(R))/(40* AVG(- I(Vi)))). Άξα, ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ ζα έπξεπε λα είλαη 6.5/0.863=7.4Α, φζν θαη είλαη. Ζ ελεξγφο ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ηνπ MOSFET πξνθχπηεη 10.17Α θαη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ησλ D 1 θαη D είλαη 0.631A, νπζηαζηηθά ίζε κε ηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ 400/640=0.65. ην ρήκα 3.14 θαίλνληαη νη θπκαηνκνξθέο ηεο ηάζεο φισλ ησλ ζηνηρείσλ, ζην ρήκα 3.15 νη θπκαηνκνξθέο ησλ ξεπκάησλ, ελψ ζην ρήκα 3.16 θαίλεηαη ε απφδνζε θαη ε θπκάησζε ηεο ηάζεο ζηελ έμνδν, φπσο πξνέθπςαλ απφ ηελ πξνζνκνίσζε, πξνο επηβεβαίσζε φζσλ αλαθέξζεθαλ παξαπάλσ. -54-
300V Κεθάλαιο 3ο 50V 00V 150V 100V 50V 0V -50V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(S:d)-V(S:s) V(S:s) 300V 50V 00V 150V 100V 50V 0V -50V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(D0:A) V(D0:C)-V(D0:A) 300V 50V 00V 150V 100V 50V 0V -50V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(D1:C)-V(D1:A) V(D1:A) 00V 00V 150V 100V 50V -0V -50V -100V -100V -150V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(1:) V(1:1)-V(1:) 00V 160V 10V 80V 40V 0V 0V 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s V(C1:1)- V(C1:) 300V V(C1:1)-V(C1:) 50V 00V 150V 100V 50V 0V 0V 1.90003s 1.90005s 1.90007s 1.90009s 1.90011s 1.90013s 1.90015s 1.90000s 1.90001s V(C3:1)- 1.90000s V(C3:) 1.9000s 1.90004s 1.90006s 1.90008s 1.90010s 1.9001s 1.90014s V(C3:1)-V(C3:) ρήκα 3.14: Σάζεηο Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο. Γηαδνρηθά: Σάζε MOSFET, Σάζε δηφδνπ D 0, Σάζε δηφδνπ D 1, Σάζε πελίνπ Z-δηθηχνπ, Σάζε ππθλσηή Z-δηθηχνπ θαη Σάζε ππθλσηή ζηαδίνπ ελίζρπζεο. -55-
0A 15A 10A 5A 0A -5A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(D0) 10A 5A 0A -5A -10A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(C1) 0A Κεθάλαιο 3ο 15A 10A 5A 0A -5A -5A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(S:d) 0A 15A 10A 5A 0A -5A.0A.0A 1.5A 1.5A I(D0) 1.0A 1.0A 0.5A 0.5A 0A 0A -0.5A -0.5A -1.0A -1.0A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(D1) 8.0A I(D1) 7.8A 8.0A 7.6A 7.6A 7.4A 7.A 7.A 7.0A 6.8A 6.5A I(1) 6.6A 1.90000s 1.90001s 1.9000s 1.90003s 1.90004s 1.90005s 1.90006s 1.90007s 1.90008s 1.90009s 1.90010s 1.90011s 1.9001s 1.90013s 1.90014s 1.90015s I(1) 10A 5A 0A -5A -10A I(C1) 1.5A 1.5A 1.0A 1.0A 0.5A 0.5A 0A 0A -0.5A -0.5A -1.0A -1.0A 1.90003s 1.90005s 1.90007s 1.90009s 1.90011s 1.90013s 1.90000s 1.90001s 1.90000s I(C3) 1.9000s 1.90004s 1.90006s 1.90008s 1.90010s 1.9001s 1.90015s 1.90014s I(C3) ρήκα 3.15: Ρεχκαηα Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά κεηαγσγήο. Γηαδνρηθά: Ρεχκα MOSFET, Ρεχκα δηφδνπ D 0, Ρεχκα δηφδνπ D 1, Ρεχκα πελίνπ Z-δηθηχνπ, Ρεχκα ππθλσηή Z-δηθηχνπ θαη Ρεχκα ππθλσηή ζηαδίνπ ελίζρπζεο. -56-
900mV Κεθάλαιο 3ο 880m 880mV 860m 860mV 840mV 80mV 800mV 1.945s 399.6040V 1.9300s 1.9500 1.9700 1.9900s AVG((VR:1)-V(R:))*I(R))/(40*AVG(-I(Vin))) 1.9300s 1.9400s 1.9500s 1.9600s 1.9700s 1.9800s 1.9900s.0000s AVG((V(R:1)- V(R:))* I(R))/ AVG(-40*I(Vi)) 399.6035V 399.6030V 399.605V 399.600V 399.6015V 399.6010V 399.6005V V(R:1)-V(R:) 399.6005V 1.90000s 1.90001s 1.90000s V(R:1)- V(R:) 1.9000s 1.90004s 1.90006s 1.90008s 1.90010s 1.9001s 1.90014s 1.90003s 1.90005s 1.90007s 1.90009s 1.90011s 1.90013s 1.90015s ρήκα 3.16: Απφδνζε Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο θαη ηάζε ζηελ έμνδν. 3..5 χλνςε-χγθξηζε Δθφζνλ νινθιεξψζεθαλ φιεο νη πξνζνκνηψζεηο ζχκθσλα κε ηηο πξνυπνζέζεηο πνπ ηέζεθαλ είλαη δπλαηφλ πιένλ λα ζπλνςηζζνχλ ηα απνηειέζκαηα ηνπο, πξνθεηκέλνπ λα γίλεη θαη πην εχθνιε ε επηινγή ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ κεηαηξνπέα πνπ ζα θαηαζθεπαζηεί θαη λα ππάξμεη κηα πην πξαθηηθή αληίιεςε ησλ δηαθνξψλ πνπ παξαηέζεθαλ ζην ν θεθάιαην. αλ παξαηήξεζε γηα ηηο πξνζνκνηψζεηο πνπ πξνεγήζεθαλ, αμίδεη λα αλαθεξζεί φηη ε ρξήζε πξαγκαηηθψλ ζηνηρείσλ ζε ζρέζε κε ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε παξνπζηάδεη αξθεηέο δηαθνξέο, ιφγσ ηεο απφδνζεο, ε φπνηα είλαη κηθξφηεξε ηεο κνλάδαο, αθνχ ηζρχεη P in P out. Έηζη, ν ιφγνο θαηάηκεζεο είλαη κεγαιχηεξνο ζε θάζε πεξίπησζε απφ ηνλ αληίζηνηρν ζεσξεηηθφ, ελψ θαη ηα ξεχκαηα πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ε ηάζε εμφδνπ ησλ 400V είλαη κεγαιχηεξα απφ ηα αλακελφκελα ζεσξεηηθά. Μηθξνδηαθνξέο πνπ παξνπζηάδνληαη ζηηο ηάζεηο ησλ δηφδσλ ζε ζχγθξηζε κε ηηο ζεσξεηηθέο, νθείινληαη ζηηο ηάζεηο θαη ηηο αληηζηάζεηο αγσγήο ηνπο, ελψ αληίζηνηρα γηα ηα MOSFET θπξίσο ζηελ αληίζηαζε αγσγήο ηνπο θαη δελ ηνλίδνληαη θαηά ηελ παξνπζίαζε ησλ πξνζνκνηψζεσλ παξαπάλσ. πγθεληξψλνληαο φια ηα πξνεγνχκελα κπνξεί, πιένλ, λα δεκηνπξγεζεί ν εμήο πίλαθαο: -57-
Πίνακαρ Κεθάλαιο 3ο Κλαζικόρ Σποποποιημένορ Κοινήρ γείυζηρ Με εν ζειπά πςκνυηέρ μεηαγυγήρ D(θευπ.) D(πποζυμ.) Απόδοζη V MOSFET (peak) V D1 (peak) V D (peak) I MOSFET (RMS) I D1 (AVG) I D (AVG) min (CCM) 0.4737 0.45 0.444 0.486 0.477 0.45775 0.46 0.43675 85.% 75.6% 79.5% 86.3% 760V 375V 400V 75V 760V 375V 400V 75V - 375V 400V 75V 9.79A 11.3A 10.68A 10.17A 7.34A 8.7A 7.86A 7.4A - 0.63A 0.63A 0.63A 6.1mH 3.mH 3.mH.mH Απφ ηνλ παξαπάλσ πίλαθα, θαίλεηαη φηη φινη νη ιφγνη θαηάηκεζεο βξίζθνληαη θνληά ζην φξην ηνπ 0.5, αιιά απηφο πνπ δίλεη ην κεγαιχηεξν εχξνο (δειαδή, ην κηθξφηεξν ιφγν θαηάηκεζεο) είλαη ν 4νο (Z-source DC-DC κεηαηξνπέαο κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο). Ο ίδηνο εκθαλίδεη ηε κηθξφηεξε θαηαπφλεζε εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ φζνλ αθνξά ηελ ηάζε (ν 1νο κεηαηξνπέα θαίλεηαη απαγνξεπηηθφο), απαηηεί ην κηθξφηεξν πελίν γηα λα είλαη ζε CCM, ελψ επίζεο έρεη θαη ηελ θαιχηεξε απφδνζε. Όινη νη παξαπάλσ παξάγνληεο, ζε ζπλδπαζκφ κε ην γεγνλφο φηη ε θαηαπφλεζε ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ φζνλ αθνξά ην ξεχκα βξίζθεηαη ζηα ίδηα επίπεδα ζε φινπο ηνπο κεηαηξνπείο, καο νδεγνχλ ζηελ επηινγή ηνπ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο σο ην βέιηηζην γηα ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή. ηα κεηνλεθηήκαηά ηνπ ζα κπνξνχζε λα αλαθεξζεί ην κεγάιν πελίν ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ (mh), -58-
Κεθάλαιο 3ο πνπ φκσο ιφγσ ηνπ πνιχ κηθξνχ ξεχκαηνο πνπ ην δηαξξέεη δελ θαζηζηά αδχλαηε ηελ θαηαζθεπή ηνπ, ελψ αθφκα θαη ε απαίηεζε γηα 4 ίδηνπο ππθλσηέο, ίζσο λα κελ είλαη εθηθηή, εμαηηίαο ηεο απφθιηζεο 0% ηεο ρσξεηηθφηεηαο πνπ εκθαλίδνπλ εξγνζηαζηαθά. 3.3 Πποζομοίυζη μεηαηποπέα ππορ καηαζκεςή Πξνθεηκέλνπ λα κεησζεί ην κέγεζνο ησλ ζηνηρείσλ γηα ην κεηαηξνπέα, επηιέγεηαη δηπιάζηα ζπρλφηεηα απφ ηηο πξνεγνχκελεο πξνζνκνηψζεηο, δειαδή, f s =50kHz θαη Σ=0κs. Έηζη, απφ ηε ζρέζε (.5.9) γηα R=6400Χ, πιένλ, ζα είλαη 1.1mH θαη επηιέγνληαη 1 = =1.15mH. Απφ ηε ζρέζε (.5.30), γηα R=640Χ θαη x C %=0.00, πξνθχπηεη C=167.41κF θαη επηιέγνληαο C 1 =C =C 3 =C 4 =470κF, ε θπκάησζε ηεο ηάζεο είλαη νπζηαζηηθά κεδεληθή. Γηα ην θίιηξν εμφδνπ, ην πελίν ππνινγίδεηαη απφ ηνλ ηχπν (.5.31) κε R=6400Χ, f 11mH θαη επηιέγεηαη f 11.1mH. Ο ππθλσηήο ηνπ θίιηξνπ, απφ ηνλ ηχπν (.5.3) γηα V 0.01V, C f (p p) πξνθχπηεη Cf 1.6 F θαη γηα Cf 300 F είλαη V 0.00007V. ε ζεηξά κε ηα C f (p p) πελία έρεη ζπλδεζεί κηα παξαζηηηθή αληίζηαζε ησλ mχ, ελψ κε ηνπο ππθλσηέο κηα παξαζηηηθή αληίζηαζε ηνπ 1mΧ. αλ MOSFET S ρξεζηκνπνηήζεθε ην κνληέιν IXTH4N50 [3] ηεο IXYS, γηα ηηο δηφδνπο D 1 θαη D ρξεζηκνπνηήζεθε ην κνληέιν DSEP9-1A [9] ηεο IXYS θαη γηα ηε δηφδνπο D 0 ην κνληέιν DSEP8-1A [31] ηεο IXYS. Έηζη, ην θχθισκα πνπ πξνζνκνηψζεθε, θαίλεηαη ζην ρήκα 3.17: D0 1 1 1 R1 1 D1 f 1 1 Rf DSEP8-1A 1.15m m DSEP9-1A 11.1mH 1m 40 Vi C1 1 470u 1 1 RC1 1m 1 1 RC 1m R C 1 470u V1 = 0 V = 15 TD = 0 TR = 10ns TF = 10ns PW = 8.73u PER = 0u IXTH4N50 V5 1 S 3 C3 1 470u 1 RC5 1m D 1 C4 1 1 470u RC4 1m 1 1 Cf 300u RCf 1m 1 R 640 0 1.15m m DSEP9-1A ρήκα 3.17: Μνληέιν πξνζνκνίσζεο ηνπ πξνο θαηαζθεπή Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο. -59-
Κεθάλαιο 3ο Πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζνχλ πεξίπνπ 400V ζηελ έμνδν, θαηφπηλ πξνζνκνηψζεσλ, πξνέθπςε t on =8.73κs, δειαδή, D=0.4365. Θεσξεηηθά, ζα αλακελφηαλ ε κέγηζηε ηάζε ζην MOSFET θαη ηηο δηφδνπο λα είλαη 80V. Δπίζεο, ε ηάζε ζηα πελία 1 = θαη f λα είλαη 160V θαη -10V ζηηο δχν θαηαζηάζεηο ιεηηνπξγίαο δηαδνρηθά κε κέζε ηηκή ξεχκαηνο 6.5Α θαη 0.65 αληίζηνηρα. Σέινο, ε ηάζε ζηνπο ππθλσηέο C 1 = C λα είλαη 160V θαη ζηνπο C 3 =C 4 λα είλαη 80V. Όια ηα παξαπάλσ επηβεβαηψλνληαη θαη απφ ηηο πξνζνκνηψζεηο, κε πνιχ κηθξέο δηαθνξέο, ιφγσ θπξίσο V on ησλ δηφδσλ, ησλ παξαζηηηθψλ αληηζηάζεσλ ησλ ζηνηρείσλ θαη ησλ αληηζηάζεσλ αγσγήο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ. Ζ κεγάιε δηαθνξά παξαηεξείηαη ζηα ξεχκαηα θαη εηδηθά ζηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ, άξα θαη ηεο D 0 θαη ησλ 1 θαη θαη είλαη 7.354Α. Απηφ νθείιεηαη ζηε ρξήζε κε ηδαληθψλ ζηνηρείσλ, θάηη πνπ επεξεάδεη ηελ απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα, ε νπνία πξνθχπηεη ε= 85% (ε=avg(( V(R:1)- V(R:))* I(R))/(40* AVG(-I(Vi)))). Άξα, ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ ζα έπξεπε λα είλαη 6.5/0.85=7.35Α, φζν θαη είλαη. Ζ ελεξγφο ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ηνπ MOSFET πξνθχπηεη 10.57Α θαη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ησλ D 1 θαη D είλαη 0.69A νπζηαζηηθά ίζε κε ηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εμφδνπ 400/640=0.65Α. ηα ρήκαηα 3.18 θαη 3.19 θαίλνληαη αληίζηνηρα νη θπκαηνκνξθέο ησλ ηάζεσλ θαη ησλ ξεπκάησλ φισλ ησλ ζηνηρείσλ, εθηφο ηνπ πελίνπ ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ, πνπ βξίζθνληαη ζην ρήκα 3.0, ελψ ζην ρήκα 3.1 θαίλεηαη ε απφδνζε θαη ε θπκάησζε ηεο ηάζεο εμφδνπ φπσο πξνέθπςαλ απφ ηελ πξνζνκνίσζε, πξνο επηβεβαίσζε φζσλ αλαθέξζεθαλ παξαπάλσ. Οη πεξίεξγεο θπκαηψζεηο πνπ εκθαλίδνληαη ζηα ξεχκαηα ησλ δηφδσλ ελδερνκέλσο νθείινληαη είηε ζηα data points πνπ δελ κπνξνχλ λα απεηθνλίζνπλ κε αθξίβεηα ηελ πιήξε θπκαηνκνξθή είηε ζε αηέιεηεο ησλ κνληέισλ ησλ δηφδσλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ θη απηφ γηαηί φπσο παξαηεξείηαη απφ ηα ππφινηπα ξεχκαηα δελ νδεγνχληαη πξνο θάπνηα θαηεχζπλζε εθαξκφδνληαο λφκν ηνπ Kirchhoff ζηνπο θφκβνπο: -60-
Κεθάλαιο 3ο 300V 50V 50V 00V 150V 100V 50V 0V -50V V(S:d)-V(S:s) -50V 1.87100s 1.87101s 1.8710s 1.87103s 1.87104s 1.87105s 1.87106s 1.87107s 1.87108s 1.87109s V(S:d)- V(S:s) 300V 50V 00V 150V 100V 50V 0V -50V V(D0:C)-V(D0:A) -50V 1.87100s 1.87101s 1.8710s 1.87103s 1.87104s 1.87105s 1.87106s 1.87107s 1.87108s 1.87109s V(D0:C)- V(D0:A) 300V 50V 00V 150V 100V 50V 0V -50V V(D1:C)-V(D1:A) -50V 1.87100s 1.87101s 1.8710s 1.87103s 1.87104s 1.87105s 1.87106s 1.87107s 1.87108s 1.87109s V(D1:C)- V(D1:A) 00V 150V 100V 50V -0V -50V -100V -150V V(1:1)-V(1:) -150V 1.87100s 1.87101s 1.8710s 1.87103s 1.87104s 1.87105s 1.87106s 1.87107s 1.87108s 1.87109s V(1:1)- V(1:) 00V 00V 160V 10V 80V 40V 0V 0V 1.87100s 1.87101s 1.8710s 1.87103s 1.87104s 1.87105s 1.87106s 1.87107s 1.87108s 1.87109s V(C1:1)-V(C1:) V(C1:) 300V 300V 50V 50V 00V 150V 100V 100V 1.87101s 1.87103s 1.87105s 1.87107s 1.87109s V(C3:) 1.87100s 1.87100s V(C3:1)- 1.8710s 1.87104s 1.87106s 1.87108s V(C3:1)-V(C3:) ρήκα 3.18: Σάζεηο Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο. Γηαδνρηθά: Σάζε MOSFET, Σάζε δηφδνπ D 0, Σάζε δηφδνπ D 1, Σάζε πελίνπ Z-δηθηχνπ, Σάζε ππθλσηή Z-δηθηχνπ θαη Σάζε ππθλσηή ζηαδίνπ ελίζρπζεο. -61-
0V 16V 1V 8V 4V 0V 1.87100s 1.87101s 1.8710s 1.87103s 1.87104s 1.87105s 1.87106s 1.87107s 1.87108s 1.87109s I(D0) 10A 5A 0A -5A -10A 1.87100s 1.87101s 1.8710s 1.87103s 1.87104s 1.87105s 1.87106s 1.87107s 1.87108s 1.87109s I(C1) Κεθάλαιο 3ο 0V 0A 16V 16A 1V 1A 8A 8V 4A 4V 0A 0V 1.87100s 1.87101s 1.8710s 1.87103s 1.87104s 1.87105s 1.87106s 1.87107s 1.87108s 1.87109s I(S:d) I(S:d) 0A 16A 1A 8A 4A 0A I(D0) 1.6V 1.6A 1.V 1.A 0.8A 0.8V 0.4V 0.4A 0V 0A -0.A I(D1) -0.V 1.87100s 1.87101s 1.8710s 1.87103s 1.87104s 1.87105s 1.87106s 1.87107s 1.87108s 1.87109s I(D1) 8.0A 8 7.8A 7.6A 7.4A 7.A 7.A 7.0A 6.8A 6.8A 6.6A 1.87100s 1.87101s 1.8710s 1.87103s 1.87104s 1.87105s 1.87106s 1.87107s 1.87108s 1.87109s I(1) I(1) 10A 5A 0A -5A -10A I(C1) 1.0A 0.5A 0A -0.5A -1.0A -1.0A 1.87101s 1.87103s 1.87105s 1.87107s 1.87109s 1.87100s I(C3) 1.87100s 1.8710s 1.87104s 1.87106s 1.87108s I(C3) ρήκα 3.19: Ρεχκαηα Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο. Γηαδνρηθά: Ρεχκα MOSFET, Ρεχκα δηφδνπ D 0, Ρεχκα δηφδνπ D 1, Ρεχκα πελίνπ Z-δηθηχνπ, Ρεχκα ππθλσηή Z-δηθηχνπ θαη Ρεχκα ππθλσηή ζηαδίνπ ελίζρπζεο. -6-
Κεθάλαιο 3ο 700mA 650mA 600mA 600mA 550mA 550mA 3.7715800s 3.7715900s 3.7716000s 3.7716100s 3.771600s 3.7716300s 3.7716400s 3.7716500s 3.7716585s I(f) I(f) 00V 100V 0V -100V -100V 3.7715800s 3.7716000s 3.771600s 3.7716400s 3.7716555s V(f:1)-V(f:) 3.7715800s 3.7715900s 3.7716000s 3.7716100s 3.771600s 3.7716300s 3.7716400s 3.7716500s 3.7716585s V(f:1)- V(f:) ρήκα 3.0: Ρεχκα θαη ηάζε ζην πελίν ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ. 919.8mV 900.0mV 880.0mV 860.0mV 840.0m 840.0mV 80.0mV 800.mV 800.m AVG(( 1.850s V(R:1)- 1.8560s V(R:))* 1.8600s I(R))/(40* AVG(-I(Vi))) 1.8640s 1.8680s 1.870s 1.8760s 1.8800s 1.8840s 1.8880s 1.890s 1.8960s 1.9000s AVG((VR:1)-V(R:))*I(R))/(40*AVG(-I(Vin))) 400.030V 400.0300V 400.0300V 400.098V 400.098V 400.096V 400.094V 400.09V 400.09V 400.090V 400.090V 1.87100s 1.87100s 1.87101s 1.8710s 1.87103s 1.87104s 1.87105s 1.87106s 1.87107s 1.87108s 1.87109s V(R:1)- V(R:) V(R:1)-V(R:) ρήκα 3.1: Απφδνζε Z-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο θαη ηάζε ζηελ έμνδν. -63-
3.4 M.P.P.T. έλεγσορ Κεθάλαιο 3ο 3.4.1 Δθαξκνγή ηεο κεζφδνπ απμαλνκέλεο αγσγηκφηεηαο ρσξίο ρξήζε Φ/Β κνληέινπ Ζ κέζνδνο απηή, πνπ αλαπηχρζεθε ζην Κεθάιαην 1, εθαξκφδεηαη αξρηθά ζε έλα απινπζηεπκέλν ζχζηεκα πνπ πεξηιακβάλεη κηα πεγή ηάζεο ζηελ είζνδν, κηα αληίζηαζε ζηελ είζνδν R 1 θαη ην κεηαηξνπέα. Τπελζπκίδεηαη φηη νη πξνζνκνηψζεηο ηνπ ειέγρνπ MPPT γίλνληαη ζε πεξηβάιινλ Simulink. Σν κνληέιν ηνπ κεηαηξνπέα ζε Simulink θαίλεηαη ζην ρήκα 3., ελψ ην φιν ζχζηεκα πνπ ζα πξνζνκνησζεί θαίλεηαη ζην ρήκα 3.3. ρήκα 3.: Μνληέιν κεηαηξνπέα Z-source DC-DC κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο. ρήκα 3.3: Μνληέιν γηα πξψηε θάζε πξνζνκνίσζεο MPPT ειέγρνπ. Σν παξαπάλσ ζχζηεκα θαηά ηελ αγσγή ηεο δηφδνπ D 0 κπνξεί λα αλαρζεί ζην ρήκα 3.4 [33] φπνπ R είλαη ε αληίζηαζε εηζφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα, R 1 ίδηα αληίζηαζε πνπ έρνπκε βάιεη ζηελ είζνδν παξαπάλσ. Σν θνξηίν R απνξξνθά κέγηζηε ηζρχ φηαλ ηζρχεη R 1 =R [33]. Γηα λα -64-
Κεθάλαιο 3ο είλαη, φκσο ε ηάζε ζηελ είζνδν ηνπ κεηαηξνπέα 40V θαηά ηελ αγσγή ηεο δηφδνπ D 0 πξέπεη ε DC ηάζε ζην ρήκα 3.4 λα είλαη δηπιάζηα άξα 80V ιφγσ δηαηξέηε ηάζεο. ρήκα 3.4: Μνληέιν γηα πξψηε θάζε πξνζνκνίσζεο MPPT ειέγρνπ. ηελ πξαγκαηηθφηεηα, ινηπφλ, απηφ πνπ θάλεη ν MPPT έιεγρνο είλαη λα πξνζαξκφδεη ην ιφγν θαηάηκεζεο κε ηξφπν ψζηε ε αληίζηαζε R (αληίζηαζε εηζφδνπ κεηαηξνπέα θαη θνξηίν γελλήηξηαο) λα ηαπηηζηεί κε ηελ R 1. Τπελζπκίδεηαη φηη απηφ ηζρχεη γηα ην δηάζηεκα πνπ άγεη ε D 0 δίνδνο (t off ) γηαηί ζην δηάζηεκα πνπ άγεη ην MOSFET S (t on ) ε DC πεγή δελ παξάγεη θάπνηα ελέξγεηα γηα ην δίθηπν. Απφ αξρή δηαηήξεζεο ελέξγεηαο θαη εθφζνλ P out =50W, t off T 1 D 1 0.4365 0.5635 θαη ν βαζκφο απφδνζεο ε είλαη πεξίπνπ 85% απφ ην θεθάιαην 3.3 θαη V i =40V, ηζρχεη: t V t P TP 50 R 3.07 off I off in out R Καηφπηλ φκσο πξνζνκνηψζεσλ θαη επεηδή ην κνληέιν ζην Simulink δηαθέξεη ιίγν ζε ζρέζε κε ηνπ PSpice θαη άξα αιιάδεη θαη ν βαζκφο απφδνζεο ηνπ κεηαηξνπέα, πξνθχπηεη R =3.Χ. ην ρήκα 3.4 θαίλεηαη πψο πινπνηείηαη πξαθηηθά ν έιεγρνο MPPT. Ο αιγφξηζκνο απμαλφκελεο αγσγηκφηεηαο [34] πινπνηείηαη εληφο ηνπ Matlab Function block εθφζνλ έρεη ιάβεη ζαλ είζνδν ηελ ηάζε θαη ην ξεχκα ηεο εηζφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα θαζψο θαη ηε ζπρλφηεηα κε ηελ νπνία ζα πξαγκαηνπνηείηαη ν έιεγρνο. Απνηέιεζκα ηνπ αιγνξίζκνπ είλαη έλα επίπεδν ηάζεο (V OC ζηνλ αιγφξηζκν θαη d ζην δηάγξακκα ξνήο παξαπάλσ) πνπ θαζνξίδεη ηνλ επηζπκεηφ ιφγν θαηάηκεζεο θαζψο ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηε δεκηνπξγία ηνπ ζήκαηνο -65-
Κεθάλαιο 3ο παικνδφηεζεο ηνπ MOSFET. Οπζηαζηηθά απηφ ην επίπεδν ηάζεο πνπ παίξλεη ηηκέο ζην δηάζηεκα [0,0.5) ζπγθξίλεηαη κε κηα αιιεινπρία ξακπψλ πνπ δεκηνπξγνχληαη κε πιάηνο 1 θαη πεξίνδν ηελ πεξίνδν Σ S =0κs ηνπ κεηαηξνπέα νπφηε παξάγνληαη ε παικνί πνπ ζα νδεγήζνπλ ην MOSFET κε ηέηνην ηξφπν ψζηε ε R 1 λα ηαπηηζηεί κε ηελ R =R εηζφδνπ κεηαηξνπέα, δειαδή, λα επηηεπρζεί ε αλίρλεπζε ηνπ ζεκείνπ κέγηζηεο ηζρχνο. Αξρηθνπνηψληαο ην duty cycle κε 0.4 θαη κε βήκα αιιαγήο ηάζεο ίζν κε 0.001 ζηε ζπλάξηεζε θαη ζέηνληαο ηελ πεξίνδν πξαγκαηνπνίεζεο ηνπ ειέγρνπ ίζε κε 500κs πξνθχπηνπλ ζην ρήκα 3.5 κε κπιε ρξψκα ε κεηαβνιή ηεο ηάζεο ειέγρνπ σο απνηέιεζκα ηνπ αιγφξηζκνπ MPPT ζηε δηάξθεηα ηνπ ειέγρνπ απφ 0s σο 4s, ζην ρήκα 3.6 ε παικνδφηεζε ηνπ ηξαλδίζηνξ θνληά ζηα 4s ζην ηξίην δηάγξακκα φπσο πξνθχπηεη απφ ηε ζχγθξηζε ηεο ξάκπαο θαη ηεο ηάζεο ειέγρνπ (κπιε ρξψκα) ζην δεχηεξν δηάγξακκα θαη ζην ρήκα 3.7 ε ηάζε θαη ην ξεχκα ζην θνξηίν ζηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα πνπ επηβεβαηψλεηαη φηη είλαη 400V. 0 0.5 1 1.5.5 3 3.5 4 (s) ρήκα 3.5: Ο ιφγνο θαηάηκεζεο πνπ πξνθχπηεη απφ ηε δξάζε ηνπ αιγφξηζκνπ απμαλφκελεο αγσγηκφηεηαο απφ 0-4s. -66-
Κεθάλαιο 3ο ρήκα 3.6: Παικνδφηεζε MOSFET σο απνηέιεζκα MPPT ειέγρνπ θνληά ζηα 4s. ρήκα 3.7: Σάζε θαη ξεχκα ζηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα ιφγσ επίδξαζεο MPPT ειέγρνπ απφ 0-4s. 3.4. Δθαξκνγή ηεο κεζφδνπ απμαλνκέλεο αγσγηκφηεηαο κε ρξήζε Φ/Β κνληέινπ Καηά ηε ιεηηνπξγία ηνπ MPPT ειέγρνπ κε θσηνβνιηαïθφ κνληέιν, αμηνπνηήζεθε ην κνληέιν πνπ αλαπηχρζεθε θαηά Khouzam θαη Hoffman [35]. Πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ε επηζπκεηή ηάζε θαη ηζρχο εηζφδνπ επηιέρζεθαλ θαηάιιεια νη παξάκεηξνί ηνπ. Έηζη ηέζεθαλ ε ηάζε ηνπ ζεκείνπ κέγηζηεο ηζρχνο V mp =40V θαη ε ηάζε αλνηρηνχ θπθιψκαηνο V OC =51.6V. -67-
Κεθάλαιο 3ο Ζ πεγή απνδίδεη ελέξγεηα κφλν θαηά ηε δηάξθεηα αγσγήο ηεο δηφδνπ ζηελ είζνδν θαη φρη θαηά ηελ αγσγή ηνπ MOSFET. Αληηθαζηζηψληαο φπσο ζην πξνεγνχκελν θεθάιαην P out =50W, t off /T=0.5635, ε=0.85 θαη V in =40V, γηα ην ξεχκα ζην ζεκείν κέγηζηεο ηζρχνο ηνπ Φ/Β πξνθχπηεη φηη: TP TP t P TP V I I 13.05A out out off in out in in in in toff toff Vin Τπελζπκίδεηαη σζηφζν φηη ην κνληέιν ηνπ κεηαηξνπέα ζην Simulink δηαθέξεη ιίγν ζε ζρέζε κε ηνπ PSpice (ζην νπνίν ηα κνληέια ησλ ζηνηρείσλ είλαη πην αθξηβή). πλεπψο, αιιάδεη θαη ν βαζκφο απφδνζεο ηνπ κεηαηξνπέα. Έηζη, ζηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή ηέζεθε ην ξεχκα κέγηζηε ηζρχνο I mp =1.90A θαη ην ξεχκα βξαρπθπθιψκαηνο I SC =14.5A. ην ρήκα 3.8 θαίλεηαη ην κνληέιν ηνπ Φ/Β πνπ πινπνηήζεθε θαη ζην ρήκα 3.9 ην πιήξεο κνληέιν ηνπ κεηαηξνπέα κε ην Φ/Β θαη ηε δξάζε ηνπ MPPT ειέγρνπ. ρήκα 3.8: Μνληέιν Φ/Β πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε. -68-
Κεθάλαιο 3ο ρήκα 3.9: Παικνδφηεζε MOSFET σο απνηέιεζκα MPPT ειέγρνπ ζην κνληέιν πνπ πεξηιακβάλεη ην Φ/Β θνληά ζηα 5s. Αξρηθνπνηψληαο ην duty cycle κε 0. θαη κε βήκα αιιαγήο ηάζεο ίζν κε 0.001 ζηε ζπλάξηεζε θαη ζέηνληαο ηελ πεξίνδν πξαγκαηνπνίεζεο ηνπ ειέγρνπ ίζε κε 500κs, ζην ρήκα 3.30 θαίλεηαη κε κπιε ρξψκα ε κεηαβνιή ηεο ηάζεο ειέγρνπ θαηά ηελ εθηέιεζε ηνπ αιγνξίζκνπ απφ 0 σο 5s ε νπνία είλαη νπζηαζηηθά ν ιφγνο θαηάηκεζεο ηνπ MOSFET. ην ρήκα 3.31 θαίλεηαη ε παικνδφηεζε ηνπ MOSFET φπσο πξνθχπηεη απφ ηε ζχγθξηζε ηνπ ζήκαηνο ειέγρνπ κε ηε ξάκπα θνληά ζηα 5s. ην ρήκα 3.3 θαίλνληαη ε ηάζε θαη ην ξεχκα ζηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα απφ 0 σο 4s, φπσο πξνθχπηεη απφ ηε δξάζε ηνπ MPPT ειέγρνπ, νπφηε θαη επηβεβαηψλεηαη ε νξζή ιεηηνπξγία ηνπ αιγνξίζκνπ αθνχ ε ηάζε εμφδνπ είλαη ζηα 400V. Σέινο, ζην ρήκα 3.33 παξνπζηάδεηαη ε P-V ραξαθηεξηζηηθή ηνπ θσηνβνιηατθνχ, ε νπνία πξνθχπηεη θαηά ηε ιεηηνπξγία ηνπ ειέγρνπ MPPT. ην ζρήκα απηφ είλαη καξθαξηζκέλν ην εκείν Μέγηζηεο Ηζρχνο (ΜΗ). 0 0.5 1 1.5.5 3 3.5 4 (s) ρήκα 3.30: Ο ιφγνο θαηάηκεζεο πνπ πξνθχπηεη απφ ηνλ αιγφξηζκν απμαλφκελεο αγσγηκφηεηαο ζην κνληέιν πνπ πεξηιακβάλεη ην Φ/Β απφ 0-4s. -69-
Κεθάλαιο 3ο ρήκα 3.31: Παικνδφηεζε MOSFET σο απνηέιεζκα MPPT ειέγρνπ ζην κνληέιν πνπ πεξηιακβάλεη ην Φ/Β θνληά ζηα 5s. ρήκα 3.3: Σάζε θαη ξεχκα ζηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα, ιφγσ επίδξαζεο ειέγρνπ MPPT, ζηελ πξνζνκνίσζε πνπ πεξηιακβάλεη ην Φ/Β θαη ην Z-source κεηαηξνπέα απφ 0-4s. -70-
Κεθάλαιο 3ο ρήκα 3.33: P-V ραξαθηεξηζηηθή ηνπ θσηνβνιηατθνχ, θαηφπηλ ιεηηνπξγίαο ειέγρνπ MPPT. -71-
-7- Κεθάλαιο 3ο
ΚΔΦΑΛΑΙΟ 4 Κεθάλαιο 4ο ΔΠΙΛΟΓΗ ΣΟΙΥΔΙΧΝ ΚΑΙ ΤΛΟΠΟΙΗΗ ΜΔΣΑΣΡΟΠΔΑ 4.1 Διζαγυγή Έρνληαο επηιέμεη γηα θαηαζθεπή ην Ε-source DC-DC κεηαηξνπέα κε ελ ζεηξά ππθλσηέο κεηαγσγήο, ζην θεθάιαην απηφ ζα επηιεγνχλ ηα ζηνηρεία πνπ είλαη απαξαίηεηα γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο, ηνπ θπθιψκαηνο παικνδφηεζεο θαη ησλ κεηξεηηθψλ. 4. Κύκλυμα ιζσύορ Τπελζπκίδεηαη ζην ζεκείν απηφ φηη ν κεηαηξνπέαο απνηειείηαη απφ ηελ πεγή, ηε δίνδν εηζφδνπ, ην Z-δίθηπν (δχν ίδηα πελία θαη δχν ίδηνη ππθλσηέο), ην ειεγρφκελν εκηαγσγηθφ ζηνηρείν πνπ είλαη έλα ηξαλδίζηνξ MOSFET, ε βαζκίδα ελίζρπζεο, πνπ απνηειείηαη απφ άιινπο δχν ίδηνπο ππθλσηέο κε πξηλ θαη δχν ίδηεο δηφδνπο, ην θίιηξν εμφδνπ πνπ απνηειείηαη απφ έλα πελίν θαη έλαλ ππθλσηή θαη ηέινο ην θνξηίν. 4..1 Δπηινγή MOSFET Απφ ηελ αλάιπζε πνπ πξνεγήζεθε ζην θεθάιαην 3, ε κέγηζηε ηάζε πνπ δέρεηαη ν δηαθφπηεο είλαη πεξίπνπ 80V θαη ε ελεξγφο ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ ην δηαξξέεη 10.57Α. Με ηνπο θαηάιιεινπο ζπληειεζηέο αζθάιεηαο απαηηείηαη MOSFET πνπ λα αληέρεη ηνπιάρηζηνλ 1.5x80=40V θαη 1.4x10.57=14.798Α θαη έηζη επηιέγεηαη ην SiHS36N50D [36] κε αληνρή 550V/ 36Α. ρήκα 4.1: MOSFET SiHS36N50D [36]. -73-
4.. Δπηινγή δηφδσλ Κεθάλαιο 4ο Γίνδνο εηζφδνπ Ζ κέγηζηε ηάζε πνπ δέρεηαη ε δίνδνο, πνπ ζπλδέεηαη ζηελ είζνδν ηνπ θπθιψκαηνο, είλαη πεξίπνπ 80V θαη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ ηε δηαξξέεη 7.354Α θαη εθαξκφδνληαο ηνπο θαηάιιεινπο ζπληειεζηέο αζθάιεηαο απαηηείηαη δίνδνο πνπ λα αληέρεη ηνπιάρηζηνλ 1.4x80=39V θαη 1.4x7.354=10.956Α. Έηζη, επειέγεη ε δίνδνο BYV34-400 [37] πνπ είλαη δηπιήο αλφδνπ, κε αληνρή 400V θαη 0A. Δμαηηίαο ηεο πςειήο ελεξγνχ ηηκήο ηνπ ξεχκαηνο πνπ δηαξξέεη ηε δίνδν εηζφδνπ επηιέρζεθε λα ηνπνζεηεζνχλ παξάιιεια δχν ηέηνηεο δίνδνη γηα αζθάιεηα. ρήκα 4.: Γίνδνο BYV34-400 [37]. Γίνδνη ζην δίθηπν ησλ ππθλσηψλ κεηαγσγήο Ζ κέγηζηε ηάζε πνπ δέρνληαη απηέο νη δίνδνη είλαη πεξίπνπ 80V θαη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο πνπ ηηο δηαξξέεη 0.63Α θαη κε ηνπο θαηάιιεινπο ζπληειεζηέο αζθάιεηαο απαηηείηαη λα αληέρνπλ ηνπιάρηζηνλ 1.5x80=40V θαη 1.4x0.65=0.875Α θαη έηζη επειέγεζαλ δχν δίνδνη DSEI8-06A [38] κε αληνρή 600V θαη 8A. ρήκα 4.3: Γίνδνο DSE18-06A [38]. -74-
4..3 Δπηινγή snubber Κεθάλαιο 4ο Γηα ηελ πξνζηαζία ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ απφ ππεξηάζεηο, πνπ παξαηεξήζεθαλ θαηά ηε δηάξθεηα δηεμαγσγήο ησλ πεηξακάησλ, πξνέθπςε ε αλάγθε ρξήζεο snubber ηφζν ζηηο δηφδνπο εηζφδνπ, φζν θαη ζηνλ εκηαγσγηθφ δηαθφπηε (MOSFET). Σα snubbers είλαη θπθιψκαηα απνξξφθεζεο ελέξγεηαο, πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηε κείσζε ησλ ππεξηάζεσλ, θαζψο θαη ηεο ζπρλφηεηαο ηαιάλησζεο ηεο ηάζεο, θαηά ηε κεηάβαζε απφ ηε κία θαηάζηαζε ζηελ άιιε, πνπ πξνθχπηνπλ απφ παξαζηηηθέο επαγσγέο. Οη παξαζηηηθέο επαγσγέο νθείινληαη θπξίσο ζηνπο δξφκνπο ηεο πιαθέηαο πνπ ζπλδένληαη ζηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία, θαζψο θαη ζηηο αθίδεο ησλ ζηνηρείσλ. Σα πην δηαδεδνκέλα θπθιψκαηα snubbers είλαη ηα RC θαη RCD, ηα νπνία, φπσο άιισζηε θαίλεηαη απφ ηα αξρηθά ηνπο, πεξηέρνπλ κία αληίζηαζε R θαη έλαλ ππθλσηή C, ελψ ην δεχηεξν δηαζέηεη θαη κία δίνδν D. Γηα ηελ επηινγή ησλ θαηάιιεισλ ζηνηρείσλ ησλ snubber αμηνπνηήζεθαλ ηα [39] θαη [40], αιιά θαηά θχξην ιφγν επηιέρζεθαλ πεηξακαηηθά. Έηζη, ε βέιηηζηε κείσζε ππέξηαζεο εκθαλίζηεθε ζηελ πεξίπησζε ρξήζεο RCD θπθιψκαηνο κε R=10KΧ θαη C=1nF γηα ην MOSFET θαη R=1KΧ θαη C=1nF γηα ηηο δηφδνπο εηζφδνπ. Σν θχξην κεηνλέθηεκα πνπ εκθαλίδεηαη θαηά ηε ρξήζε snubber είλαη ε αχμεζε ησλ απσιεηψλ ζε πεξίπησζε πνπ δελ πξνζεγγηζηεί απφιπηα ην βέιηηζην ζεκείν ηζρχνο [39]. 4..4 Δπηινγή ππθλσηψλ Ππθλσηήο εηζφδνπ Υξεζηκεχεη γηα εμνκάιπλζε θαη παξνρή δηαθνπηηθψλ ξεπκάησλ θαη επειέγεη ειεθηξνιπηηθφο ππθλσηήο 00κF θαη 63V (αθνχ ε ηάζε εηζφδνπ είλαη 40V). Ππθλσηέο Z-δηθηχνπ θαη ππθλσηέο κεηαγσγήο Οη ππθλσηέο απηνί, φπσο έρεη ήδε αλαθεξζεί, δηαιέρηεθαλ έηζη ψζηε λα είλαη ίδηνη (αλ εμαηξεζεί ε απφθιηζε 0% πνπ ελδέρεηαη λα έρνπλ απφ ηελ νλνκαζηηθή ρσξεηηθφηεηά ηνπο). Ζ κέγηζηε ηάζε πνπ δέρνληαη νη ππθλσηέο ηνπ Z-δηθηχνπ είλαη 160V θαη νη ππθλσηέο κεηαγσγήο 80V θαη έηζη επειέγεζαλ ηέζζεξηο ειεθηξνιπηηθνί ππθλσηέο ησλ 470κF (ζχκθσλα κε ηελ αλάιπζε ζηα θεθάιαηα & 3) θαη 385V. Ππθλσηήο εμφδνπ ηελ έμνδν ζα ρξεζηκνπνηεζνχλ δχν ελ ζεηξά ειεθηξνιπηηθνί ππθλσηέο ησλ 560κF (δειαδή ζπλνιηθή ρσξεηηθφηεηα 80κF πνπ θαιχπηεη ηηο απαηήζεηο ζχκθσλα κε ηα -75-
Κεθάλαιο 4ο θεθάιαηα & 3) θαη 400V έηζη ψζηε λα ηζνκνηξάδεηαη ε ηάζε εμφδνπ θαη λα δέρεηαη ν θαζέλαο 00V. Γεληθά θαηά ηε ζχλδεζε δχν ππθλσηψλ κε ίδηα ραξαθηεξηζηηθά δελ είλαη απαξαίηεην φηη ε ηάζε ζα ηζνκνηξαζηεί αθελφο ιφγσ ηεο απφθιηζεο 0% πνπ κπνξεί λα έρνπλ ζηελ νλνκαζηηθή ρσξεηηθφηεηα απφ ηνλ θαηαζθεπαζηή θαη άξα θαη ζηελ ESR, αθεηέξνπ ιφγσ ηνπ ξεχκαηνο δηαξξνήο πνπ εκθαλίδνπλ. Γηα λα αληηκεησπηζηεί απηφ έρνπλ αλαπηπρζεί κηα ζεηξά ιχζεηο εθ ησλ νπνίσλ ζηελ εθαξκνγή απηή επηιέγεηαη λα ηνπνζεηεζνχλ αληηζηάζεηο εμηζνξξφπεζεο ηάζεο παξάιιεια ζε θάζε ππθλσηή[41], νη νπνίεο ιφγσ ηνπ κεγέζνπο ηνπο επεξεάδνπλ ειάρηζηα ηελ απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα θαη αθξηβψο επεηδή είλαη ίζεο ε ηάζε πάλσ ηνπο ζα είλαη ίδηα ζε θάζε πεξίπησζε (απφ δηαηξέηε ηάζεο). Οη αληηζηάζεηο VRated VRated απηέο απφ ηελ αλάιπζε είλαη RBalanced 10% 10% I 3 (CV ) eakage Rated φπνπ ην V Rated αληηθαζίζηαηαη ζε V, ην C ζε κf θαη ην I πξνθχπηεη ζε κα πξνέθπςαλ 8.1kΧ κε ηζρχ eakage 1.43W. Δπεηδή νη ειεθηξνιπηηθνί ππθλσηέο έρνπλ ην κεηνλέθηεκα λα κε κπνξνχλ λα απνξξνθήζνπλ ηα ξεχκαηα κεγάισλ ζπρλνηήησλ, παξάιιεια ζε θάζε ειεθηξνιπηηθφ ηνπνζεηήζεθαλ θαη MKP ππθλσηέο (πνιππξνππιελίνπ) θαηάιιεινπ κεγέζνπο ζε θάζε πεξίπησζε. 4..5 Δπηινγή-θαηαζθεπή πελίσλ Οη ππξήλεο ησλ πελίσλ πνπ ζα θαηαζθεπαζηνχλ [4] ζα είλαη απφ θεξξίηεο, ιφγσ ηεο κεγάιεο εηδηθήο ειεθηξηθήο αληίζηαζεο πνπ εκθαλίδνπλ, θάηη πνπ πεξηνξίδεη ηηο απψιεηεο δηλνξεπκάησλ θαη θαζηζηά ην πιηθφ απηφ θαηάιιειν γηα εθαξκνγέο γηα πςειέο ζπρλφηεηεο (κέρξη ΜHz), φπσο θαη ζε απηή ηελ πεξίπησζε ησλ 50kHz. Ζ κέγηζηε ηηκή ηεο ππθλφηεηαο καγλεηηθήο ξνήο ηνπ ππξήλα, ιακβάλνληαο ππφςε θαη έλαλ ζπληειεζηή αζθάιεηαο ζα πξέπεη λα είλαη ιίγν κηθξφηεξε ηεο ππθλφηεηαο θνξεζκνχ ησλ ππξήλσλ θεξξίηε B sat =310mT, νπφηε επηιέγεηαη B max =80mT=0.8T. Ζ επηινγή ηνπ ηχπνπ ππξήλα γίλεηαη κε θξηηήξην ην κέγεζνο ηνπ ππξήλα ην νπνίν ππνινγίδεηαη απφ ην γηλφκελν ηεο επηθάλεηαο ππξήλα, δειαδή ην Area Product (AP), φπνπ: AP A A (4..1) W E -76-
Κεθάλαιο 4ο Ο πξνεγνχκελνο ηχπνο ππνινγίδεηαη γηα ηηο δχν δηαθνξεηηθέο πεξηπηψζεηο πνπ πεξηνξίδνπλ ηε κέγηζηε ηηκή ηεο ππθλφηεηαο ηεο καγλεηηθήο ξνήο: ηνλ θνξεζκφ θαη ηηο απψιεηεο ππξήλα [4]. ηελ πεξίπησζε ηνπ πεξηνξηζκνχ απφ θνξεζκφ ν ηχπνο (4..1) γίλεηαη σο εμήο: AP A A 4 I 3 pk Irms W E k1 Bmax (4..) φπνπ ην αληηθαζίζηαηαη ζε H, ην ζπληειεζηήο πνπ γηα πελίν κε έλα ηχιηγκα έρεη ηηκή 0.03 [4]. I ζε Α, ην I pk rms ζε Α, ην B max ζε Σ θαη ην Κ 1 είλαη ηελ πεξίπησζε ηνπ πεξηνξηζκνχ απφ απψιεηεο ππξήλα ν ηχπνο (4..1) γίλεηαη: 4 I I 3 rms W E k Bmax (4..3) AP A A φπνπ απηή ηε θνξά K =0.01 γηα πελίν κε έλα ηχιηγκα θαη Ipp max Bmax. I ηε ζπλέρεηα πξέπεη λα πξνζδηνξηζηνχλ ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ αγσγνχ απφ ραιθφ πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ην ηχιηγκα ηνπ πελίνπ. Απφ ζχξκα ραιθνχ δηαηνκήο 1mm κπνξεί λα πεξάζεη ξεχκα ησλ 5Α θαη άξα ε απαξαίηεηε δηαηνκή ππνινγίδεηαη απφ ηνλ ηχπν: I A 5 mm pk (4..4) Cu Γηα λα εμαιεηθζεί ε επίδξαζε ηνπ επηδεξκηθνχ θαηλνκέλνπ επηιέγεηαη ραιθφο δηακέηξνπ p=0.56mm θαη άξα A max =πp =0.463mm. Αλ ACu Amax, ην ζχξκα πξέπεη λα δηαηξεζεί ζε p θιψλνπο ησλ 0.463mm A, ίζνπο κε A Ο αξηζκφο ησλ ζπεηξψλ βξίζθεηαη απφ ηνλ ηχπν: Cu max N. min Ipk 10 B A max e (4..5) φπνπ ην αληηθαζίζηαηαη ζε κζ, ην I ζε Α, ην B pk max ζε T θαη ην Ae ζε cm. Γηα λα απνθεπρζεί ν θνξεζκφο ιακβάλεηαη ππφςε θαη ην δηάθελν ην φπνην νπζηαζηηθά αιιάδεη ην βξφρν πζηέξεζεο ηνπ καγλεηηθνχ πιηθνχ. Σν δηάθελν ππνινγίδεηαη απφ ηνλ ηχπν: -77-
g N Κεθάλαιο 4ο G (4..6) G κε G Ae Ae Bmax a d N 0 pk G (4..7) φπνπ ηα A e ζε m, a ζε m θαη d ζε m εθθξάδνπλ ην κέγεζνο ηνπ ππξήλα, 7 1 0 410 m A ε καγλεηηθή δηαπεξαηφηεηα ηνπ θελνχ θαη N g = (αξηζκφο θαηαλεκεκέλσλ δηαθέλσλ). Σέινο, ζα πξέπεη λα γίλεη κηα πξφρεηξε κειέηε ηνπ ρψξνπ λα δνχκε αλ επαξθεί γηα ην ηχιηγκα. Πξνθχπηεη A N A N k d tot con 0.4 επεηδή ζα ηπιηρηεί κε ην ρέξη, πξέπεη: θαη ιακβάλνληαο ππφςε έλα ζπληειεζηή A d Nk A 0.4 0.4 tot W (4..8) Οη ππνινγηζκνί πνπ αθνινπζνχλ βαζίδνληαη ζηελ αλάιπζε πνπ πξνεγήζεθε γηα ηηο αλάινγεο ηηκέο πνπ ηζρχνπλ ζε θάζε πεξίπησζε. Πελίν θίιηξνπ εμφδνπ Γηα ιφγνπο αζθάιεηαο επηιέγεηαη I rms =I pk =1.A ιακβάλνληαο ππφςε θαη ηα κεηαβαηηθά θαηλφκελα θαηά ηελ εθθίλεζε. Δπίζεο γλσξίδνπκε φηη =11.1mH, B max =0.8T, I 0.1346A θαη φηη B 0.8T 0.1346A max Bmax 0.0546T pk 0.7A Άξα απφ ηηο ζρέζεηο (4..) θαη (4..3) Area Product γηα ηνλ πεξηνξηζκφ απφ θνξεζκφ είλαη AP=.3580cm 4, ελψ ζηελ πεξίπησζε ηνπ πεξηνξηζκνχ απφ απψιεηεο ππξήλα είλαη AP=1.8149cm 4 θαη άξα ην κέγηζην AP πξνθχπηεη γηα ηνλ πεξηνξηζκφ απφ θνξεζκφ. Γηα απηή ηελ πεξίπησζε επηιέγεηαη ππξήλαο E4/1/15[43] (ρήκα 4.4) κε AP=5.3586 cm 4 >.3580cm 4. Απφ ηε ζρέζε (4..4) θαίλεηαη φηη αξθεί έλα θιψλνο ηεο παξαπάλσ δηαηνκήο θαη ν αξηζκφο ησλ απαηηνχκελσλ ζπεηξψλ απφ ηε ζρέζε (4..5) θαη γηα A e =.34cm πξνθχπηεη ζηξνγγπινπνηεκέλνο N=04ζπείξεο. Απφ ηελ (4..7) πξνθχπηεη G =1.mm θαη άξα απφ ηελ (4..6) g=0.6mm.. -78-
Καη εθφζνλ ε (4..8) επαιεζεχεηαη, αθνχ: Κεθάλαιο 4ο d Nk A AW 9mm 15.61mm 0.4 0.4 tot ε κειέηε ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ πελίνπ νινθιεξψζεθε. ηελ πξάμε θαηαζθεπάζηεθε πελίν κε 140 ζπείξεο θαη g=0.4mm. ρήκα 4.4: Ππξήλαο EPCOS E4/1/15 [43]. Πελία Z-δηθηχνπ Σα δχν πελία ηνπ Z-δηθηχνπ ππελζπκίδεηαη φηη είλαη ίδηα. Αθνινπζψληαο ηελ ίδηα δηαδηθαζία κε πξηλ: Γηα ιφγνπο αζθάιεηαο επηιέγεηαη φπσο θαη πξνεγνπκέλσο I rms =I pk =9.4A. Δπίζεο, =1.15mH, B max =0.8T, I 1.3A θαη φηη Bmax I 0.8T 1.3A 0.0455T max. I 8A pk Άξα απφ ηηο ζρέζεηο (4..) θαη (4..3) ην Area Product γηα ηνλ πεξηνξηζκφ απφ θνξεζκφ πξνθχπηεη AP=7.7693cm 4 θαη γηα ηνλ πεξηνξηζκφ απφ απψιεηεο ππξήλα AP=36.0344cm 4. Γηα απηή ηελ πεξίπησζε επηιέγεηαη δηπιφο ππξήλαο E65 [44] (ρήκα 4.5) κε AP=56.603 cm 4 >36.0344cm 4. Απφ ηε ζρέζε (4..4) θαίλεηαη φηη απαηηνχληαη 8 θιψλνη ηεο παξαπάλσ δηαηνκήο θαη ν αξηζκφο ησλ απαηηνχκελσλ ζπεηξψλ απφ ηε ζρέζε (4..5) θαη γηα A e =10.7cm πξνθχπηεη ζηξνγγπινπνηεκέλνο N=37ζπείξεο. Απφ ηελ (4..7) G =1.7mm θαη άξα απφ ηελ (4..6) g=0.85mm. Καη εθφζνλ ε (4..8) επαιεζεχεηαη αθνχ: d Nk A AW 59mm 14.854mm 0.4 0.4 tot -79-
Κεθάλαιο 4ο ε κειέηε θαη απηψλ ησλ πελίσλ νινθιεξψζεθε. ηελ πξάμε θαηαζθεπάζηεθαλ ηα δχν πελία κε 37 ζπείξεο θαη g=0.98mm. Σα παξαπάλσ πελία ζπλδένληαη ζηελ πιαθέηα κέζσ αθξνδεθηψλ ην κέγεζνο ησλ νπνίσλ θαζνξίδεηαη απφ ηε δηαηνκή ηνπ ζχξκαηνο ηνπ πελίνπ ζε θάζε πεξίπησζε. ρήκα 4.5: Ππξήλαο EPCOS E4/1/15 [44]. 4.3 Κύκλυμα παλμοδόηηζηρ Σν θχθισκα παικνδφηεζεο απνηειείηαη απφ ην κηθξνειεγθηή dspic30f4011 [45] πνπ δεκηνπξγεί ηνπ παικνχο γηα ηελ νδήγεζε ηνπ MOSFET, έλαλ εληζρπηή ξεχκαηνο 74HC541 [46], έλαλ νπηνδεχθηε 6Ν137 [47] γηα απνκφλσζε θαη έλαλ driver (νδεγφ παικψλ) IC7667 [48]. 4.3.1 Δπηινγή κηθξνειεγθηή dspic30f4011 Ο ζπγθεθξηκέλνο κηθξνειεγθηήο (κ/ε) dspic30f4011 απνηειείηαη απφ 40 αθίδεο [45]. Απφ ηελ αθίδα 1 παξέρεηαη ε δπλαηφηεηα reset κε θαηάιιειε ζχλδεζε ζηνηρείσλ (MCR). ηηο αθίδεο, 3 θαη 4 ζα ζπλδεζνχλ ε αλαινγηθέο είζνδνη ηνπ κηθξνειεγθηή, δειαδή ην ξεχκα εηζφδνπ, ε ηάζε εηζφδνπ θαη ε ηάζε εμφδνπ ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο αληίζηνηρα, θαζψο απηέο νη είζνδνη ζπλδένληαη ζε δηαθνξεηηθέο κνλάδεο δεηγκαηνιεςίαο θαη απνζήθεπζεο εληφο ηνπ κ/ε (ηξεηο δηαθνξεηηθέο κνλάδεο θαη κία θνηλή γηα φια ηα θαλάιηα εηζφδνπ). Λφγσ ηεο ηξνθνδνζίαο ηνπ κεηξεηηθνχ ξεχκαηνο θαη ησλ ηειεζηηθψλ εληζρπηψλ M358 απφ φπνπ πξνθχπηνπλ ηα ξεχκαηα εηζφδνπ ζην κ/ε κε 5V θαη γείσζε αλαθνξάο ίδηα κε ηνπ κ/ε, δελ ππάξρεη θίλδπλνο λα εθαξκνζηεί ζηηο εηζφδνπο ηάζε κεγαιχηεξε ησλ 5V πνπ ζα πιήμεη ην κ/ε. Ζ ηξνθνδνζία ησλ 5V ζπλδέεηαη ζηηο αθίδεο 11, 1 θαη 3 ελψ ε γείσζε αληίζηνηρα ζηηο αθίδεο 1, θαη 31. Ζ ηξνθνδνζία 5V ησλ αλαινγηθψλ εηζφδσλ ζπλδέεηαη ζηελ αθίδα 40-80-
Κεθάλαιο 4ο ελψ ε αληίζηνηρε γείσζε ζηελ αθίδα 39. ε θάζε ηξνθνδνζία ιφγσ ηεο κεγάιεο ζπρλφηεηαο ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα, γηα παξνρή ησλ απαξαίηεησλ δηαθνπηηθψλ ξεπκάησλ έρεη ζπλδεζεί ππθλσηήο πνιπεζηέξα (MKT) ησλ 100nF ελψ νη αθίδεο 40 θαη 39 ζπλδένληαη φζν πην θνληά γίλεηαη ζηνλ ειεθηξνιπηηθφ ππθλσηή ηεο ηξνθνδνζίαο. Οη αθίδεο 6 θαη 5 ηνπ κ/ε ρξεζηκεχνπλ γηα ηα ζήκαηα PGC θαη PGD ηνπ αλαπηπμηαθνχ MPAB-ICD ησλ αθίδσλ ηνπ 5 θαη 4 αληίζηνηρα. Οη δηακνξθσκέλνη παικνί νδεγνχληαη ζηνλ εληζρπηή ξεχκαηνο κέζσ ηεο αθίδαο 37 (PWM1H), δειαδή γίλεηαη ρξήζε ηεο κίαο κφλν γελλήηξηαο θαζψο ζηελ εθαξκνγή ρξεζηκνπνηείηαη κφλν έλα ειεγρφκελν εκηαγσγηθφ ζηνηρείν (MOSFET). 4.3. Δπηινγή εληζρπηή ξεχκαηνο 74HC541 Σν ζήκα πνπ παξάγεηαη απφ ην κ/ε ιφγσ ηνπ πνιχ κηθξνχ ξεχκαηνο δελ επαξθεί λα νδεγήζεη ην MOSFET ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο θαη γηα απηφ ην ιφγν πξέπεη πξψηα λα δηέιζεη απφ έλαλ εληζρπηή ξεχκαηνο. Γηα ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή επηιέρζεθε ν 74HC541 [46] πνπ είλαη κε-αλαζηξέθσλ (non-inverting), ν νπνίνο έρεη 0 αθίδεο θαη ηξνθνδνηείηαη κε 5V. Ζ ηξνθνδνζία ησλ 5V ζπλδέεηαη ζηελ αθίδα 0, ελψ ε γείσζε ε νπνία είλαη θνηλή κε απηή ηνπ κ/ε ζηηο αθίδεο 1, 10 θαη 19 ελψ κεηαμχ ηξνθνδνζίαο θαη γείσζεο έρεη ζπλδεζεί θαη εδψ MKT ππθλσηήο ησλ 100nF, θαζψο θαη ειεθηξνιπηηθφο ππθλσηήο ησλ 33κF γηα ηελ παξνρή κεγαιχηεξσλ ξεπκάησλ πνπ ελδέρεηαη λα απαηηεζνχλ θαηά ηε ιεηηνπξγία ηνπ. Ζ είζνδνο ηνπ εληζρπηή είλαη ε αθίδα ε νπνία παίξλεη ην ζήκα πνπ παξάγεηαη απφ ηελ αθίδα 37 ηνπ κ/ε. Λφγσ ηεο κεγάιεο επαηζζεζίαο ηνπ εληζρπηή, ζηελ είζνδφ ηνπ έρεη ζπλδεζεί κηα pull-down αληίζηαζε ησλ 5Κ. Ζ επαηζζεζία ηνπ απηή νθείιεηαη ζηε κεγάιε επηξξνή ηνπ απφ ζφξπβν, θάηη πνπ κπνξεί λα νδεγήζεη ζε κε ειεγρφκελε ελεξγνπνίεζή ηνπ θαη ηειηθά απψιεηα ειέγρνπ ηνπ εκηαγσγηθνχ ζηνηρείνπ (MOSFET). Έηζη, ζηελ πεξίπησζε πνπ ν κ/ε δε «ζηέιλεη» θάπνην ζήκα ζηνλ εληζρπηή, ε είζνδνο ηνπ εληζρπηή ζπλδέεηαη κε ηε γείσζε θαη πιένλ δελ είλαη απξφβιεπηε ε ζπκπεξηθνξά ηεο. Ζ έμνδνο ηνπ εληζρπηή ιακβάλεηαη απφ ηελ αθίδα 1, ελψ φιεο νη ππφινηπεο είζνδνη θαη έμνδνη (7+7=14 αθίδεο) δε ρξεζηκνπνηνχληαη. -81-
Κεθάλαιο 4ο ρήκα 4.6: Δληζρπηήο ξεχκαηνο 74HC541 [46]. 4.3.3 Δπηινγή νπηνδεχθηε 6Ν137 Γηα λα επηηεπρζεί ε απνκφλσζε κεηαμχ ηνπ θπθιψκαηνο ειέγρνπ θαη ηνπ θπθιψκαηνο ηζρχνο πνπ ρξεηάδεηαη γηα πξνζηαζία ρξεζηκνπνηείηαη ν νπηνδεχθηεο (νπηηθή απνκφλσζε) 6N137 [47]. Ο ζπγθεθξηκέλνο νπηνδεχθηεο είλαη inverting optocoupler, δειαδή αληηζηξέθεη ηνλ παικφ πνπ ιακβάλεη απφ ην κ/ε κέζσ ηνπ εληζρπηή ξεχκαηνο, πξφβιεκα ην νπνίν ιχλεηαη ζηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή κε ηε ρξήζε inverting driver. Γηαθνξεηηθά ζα κπνξνχζαλ λα παξαρζνχλ εμαξρήο απφ ην κ/ε αληίζηξνθνη παικνί κε ρξήζε ηεο αθίδαο 38 ηνπ κ/ε. Γηα ηελ επίηεπμε θαηάιιεινπ ινγηθνχ επηπέδνπ απαηηείηαη ε ζχλδεζε ζηελ έμνδν κηαο pull-up αληίζηαζεο. Απφ ην θαηαζθεπαζηηθφ θπιιάδην απηή ε αληίζηαζε πξέπεη λα πάξεη ηηκή απφ 330Χ-4θΧ. Πξαθηηθά, ινηπφλ, ζπλδέεηαη κηα αληίζηαζε kχ κεηαμχ ησλ αθίδσλ 8 θαη 6. Ζ ηξνθνδνζία ησλ 5V ηνπ νπηνδεχθηε γίλεηαη απφ ηελ αθίδα 8 θαη ε αληίζηνηρε γείσζε ζπλδέεηαη ζηελ αθίδα 5. Πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ε επηζπκεηή απνκφλσζε, ν νπηνδεχθηεο ηξνθνδνηείηαη απφ δηαθνξεηηθή ηξνθνδνζία, ε νπνία επεηδή είλαη ησλ 15V απαηηεί ηε κεζνιάβεζε ελφο γξακκηθνχ ηξνθνδνηηθνχ ηνπ M7805 πνπ ππνβηβάδεη ηελ ηξνθνδνζία ησλ 15V ζε 5V. Απφ ην θαηαζθεπαζηηθφ θπιιάδην ε πξνηεηλφκελε ιεηηνπξγία είλαη γηα ξεχκα εηζφδνπ 5-15mA θάηη πνπ γηα ηάζε 5V ζεκαίλεη ζχλδεζε ζηελ είζνδν αληίζηαζεο 333Χ- 1kΧ. Απηφ πξαθηηθά ζεκαίλεη ηνπνζέηεζε κηαο αληίζηαζεο ησλ 500Χ κεηαμχ ηεο αθίδαο ηνπ νπηνδεχθηε θαη ηεο αθίδαο 18 ηνπ εληζρπηή ξεχκαηνο. Σέινο, ζηελ αθίδα 3 ζπλδέεηαη ε γείσζε ηνπ θπθιψκαηνο ηνπ κ/ε. ηελ ηξνθνδνζία θαη απηνχ ηνπ ζηνηρείνπ ηνπνζεηήζεθε MKT ππθλσηήο ησλ 330nF. -8-
Κεθάλαιο 4ο ρήκα 4.7: Οπηνδεχθηεο 6Ν137 [47]. 4.3.4 Δπηινγή driver IC7667 Πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ην επηζπκεηφ επίπεδν ηάζεο γηα ηελ νδήγεζε ηνπ MOSFET είλαη απαξαίηεηε ελφο νδεγνχ παικψλ (driver). ηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή έγηλε ρξήζε ηνπ driver IC7667 [48] ν νπνίνο είλαη inverting driver, αληηζηξέθεη δειαδή ηνπο παικνχο πνπ ιακβάλεη ζηελ είζνδφ ηνπ θαη ζε ζπλδπαζκφ κε ηνλ inverting optocoupler θαη άξα δεκηνπξγνχληαη παικνί ίδηαο κνξθήο κε ηελ έμνδν ηνπ κ/ε. Απηφο ν νδεγφο παικψλ απνηειείηαη απφ δχν γέθπξεο νη νπνίεο ζα παξαιιειηζηνχλ πξνθεηκέλνπ λα ιεηηνπξγνχλ ζαλ κία. Έηζη νη αθίδεο θαη 4 βξαρπθπθιψλνληαη θαη ζπληζηνχλ ηελ είζνδν ηνπ driver, ελψ επίζεο βξαρπθπθιψλνληαη θαη νη αθίδεο 7 θαη 5 πνπ απνηεινχλ ηελ έμνδν ηνπ ηειηθνχ ζήκαηνο πνπ ζα νδεγήζεη ην MOSFET. Ζ ηξνθνδνζία ηνπ driver γίλεηαη απφ ηελ ηξνθνδνζία ησλ 15V πνπ ζπλδέεηαη ζηελ αθίδα 6, ελψ ε αθίδα 3 ζπλδέεηαη ζηε γείσζε ηνπ αληίζηνηρνπ ηξνθνδνηηθνχ πνπ είλαη ίδηα κε απηή ηνπ νπηνδεχθηε. Μεηαμχ ησλ αθίδσλ 6 θαη 3 ζπλδέεηαη θαη έλαο ππθλσηήο MKT ησλ 330nF. Ζ έμνδνο ηνπ driver νδεγείηαη ζην MOSFET κέζσ κηαο αληίζηαζεο ησλ 4Χ γηα ηελ παξνρή θαηάιιεινπ ξεχκαηνο. Μεηαμχ ηνπ gate θαη ηνπ source ζπλδέεηαη κηα pull-down αληίζηαζε ησλ Κ θαη κηα δίνδνο Zener ησλ 18.1V γηα ιφγνπο πξνζηαζίαο ηνπ MOSFET, έηζη ψζηε ε ηάζε ζηελ πχιε λα κελ μεπεξάζεη θξίζηκεο ηηκέο ιφγσ ζνξχβνπ πνπ ζα νδεγήζνπλ ζηελ θαηαζηξνθή ηνπ. -83-
Κεθάλαιο 4ο ρήκα 4.7: Driver IC7667 [48]. 4.3.5 Δπηινγή ζηαζεξνπνηεηηθνχ 7805 Γηα λα επηηεπρζεί ε απνκφλσζε θπθιψκαηνο ηζρχνο θαη θπθιψκαηνο ειέγρνπ, φπσο αλαθέξζεθε παξαπάλσ, απαηηείηαη ε ρξήζε θαη δεχηεξεο ηξνθνδνζίαο, ε νπνία γηα λα κπνξέζεη λα ηξνθνδνηήζεη ηνλ νδεγφ παικψλ επηιέγεηαη λα είλαη 15V (αλάγθε γηα νδήγεζε ηνπ MOSFET). Χζηφζν, ε ηξνθνδνζία ηνπ νπηνδεχθηε είλαη ησλ 5V. Ζ γείσζε φκσο ηεο ηξνθνδνζίαο ηνπ νπηνδεχθηε θαη ηνπ νδεγνχ παικψλ πξέπεη λα είλαη ίδηα ψζηε ην ζήκα εμφδνπ ηνπ νπηνδεχθηε λα έρεη θνηλή αλαθνξά κε ηνλ νδεγφ παικψλ. Γηα ην ιφγν απηφ γηα ηελ ηξνθνδνζία ησλ 5V ρξεζηκνπνηείηαη έλα γξακκηθφ ζηαζεξνπνηεηηθφ M7805 [49], πνπ ππνβηβάδεη ηελ ηάζε ησλ 15V, ρξεζηκνπνηψληαο ηελ ίδηα γε. Έηζη, ζηελ αθίδα 1 ζπλδέεηαη ε ηξνθνδνζία ησλ 15V, ζηελ αθίδα ζπλδέεηαη ε γείσζε θαη ε αθίδα 3 απνηειεί ηελ έμνδν ησλ 5V. ηελ είζνδν θαη ηελ έμνδν ηνπ ηξνθνδνηηθνχ έρνπλ ζπλδεζεί απφ έλα δεπγάξη ελφο ειεθηξνιπηηθνχ ππθλσηή 33κF θαη ελφο ππθλσηή MKT 330nF. ρήκα 4.8: Σξνθνδνηηθφ M7805 [49]. 4.4 Φςκηικό Ζ ζεξκηθή ελέξγεηα πνπ παξάγεηαη ζηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία (MOSFET θαη δίνδνη) θαηά ηεο δηάξθεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα νδεγεί ζε αχμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ηνπο, θάηη πνπ πξνθαιεί δηαξθή κείσζε ηεο απφδνζήο ηνπο θαη ελδερνκέλσο θαη θαηαζηξνθή ησλ ζηνηρείσλ -84-
Κεθάλαιο 4ο κεηά απφ θάπνην φξην ζεξκνθξαζίαο. Έηζη, είλαη απαξαίηεην λα ρξεζηκνπνηεζνχλ απαγσγείο ζεξκφηεηαο ή αιιηψο ςπθηηθά, γηα ηελ απνκάθξπλζε ηεο παξαγφκελεο ζεξκηθήο ελέξγεηαο, ε επηινγή ησλ νπνίσλ γίλεηαη κε βάζε ηελ ηζρχ ησλ απσιεηψλ θαη ηα ραξαθηεξηζηηθά ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ. φπνπ Ζ ζεξκηθή αληίζηαζε θάζε ςπθηηθνχ ππνινγίδεηαη απφ ηε ζρέζε: T T R R R (4.4.1) j a,sa, js,cs Ploss R είλαη ε ζεξκηθή αληίζηαζε ηνπ ςπθηηθνχ,,sa T ε κέγηζηε ζεξκνθξαζία ιεηηνπξγίαο j ηνπ ζηνηρείνπ ην νπνίν θαιχπηεη, απψιεηεο ηνπ ζηνηρείνπ, ζηνηρείνπ, T a ε ζεξκνθξαζία πεξηβάιινληνο δειαδή 5 ν C, -85- P loss νη R ε ζεξκηθή αληίζηαζε κεηαμχ επαθήο θαη πεξηβιήκαηνο ηνπ, js R ε ζεξκηθή αληίζηαζε κεηαμχ ηεο ζήθεο θαη ηνπ ςπθηηθνχ.,cs Οη απψιεηεο ζην MOSFET ππνινγίδνληαη απφ ηνλ ηχπν: VI min VI max Ploss IRMS RDSon tr fs tf f (4.4.) S θαη αληηθαζηζηψληαο ηηο ηηκέο απφ ην θαηαζθεπαζηηθφ θπιιάδην θαη ην θεθάιαην πνπ πεξηέρεη ηηο πξνζνκνηψζεηο =11A, =0.156Χ, V=83.5V, I min =14.5A, I max =17.1A, t on =89ns, t off =68ns θαη f S =50kHz πξνθχπηεη P loss 36.638W θαη απφ ηνλ ηχπν (4.4.1) γηα =15 ν C, =30 ν C, =0.8 o C/W θαη =0.5 o C/W, ε ζεξκηθή αληίζηαζε ηνπ ςπθηηθνχ γηα ην MOSFET είλαη 1.8397 o C/W. Οη απψιεηεο ζηηο δηφδνπο ζεσξψληαο ακειεηένπο ηνπο ρξφλνπο έλαπζεο θαη ζβέζεο ιφγσ πνιχ γξήγνξεο απφθξηζεο, ππνινγίδνληαη απφ ηνλ ηχπν: Ploss VF I (4.4.3) D,AVG Γηα ηηο δχν δηφδνπο εηζφδνπ αληηθαζηζηψληαο ηηο ηηκέο απφ ην θαηαζθεπαζηηθφ θπιιάδην θαη ην θεθάιαην πνπ πεξηέρεη ηηο πξνζνκνηψζεηο =7.5A θαη =1.05V ηάζε αγσγήο, πξνθχπηεη P loss 7.8750W θαη απφ ηνλ ηχπν (4.4.1) γηα =15 ν C, =30 ν C, =1.6 o C/W θαη είλαη =0.5 o C/W, ε ζεξκηθή αληίζηαζε ηνπ ςπθηηθνχ γηα ηηο δχν δηφδνπο εηζφδνπ καδί 9.9635 o C/W. Γηα ηηο δηφδνπο ζηε κεξηά ησλ ππθλσηψλ κεηαγσγήο αληηθαζηζηψληαο ηηο ηηκέο απφ ην θαηαζθεπαζηηθφ θπιιάδην θαη ην θεθάιαην πνπ πεξηέρεη ηηο πξνζνκνηψζεηο =0.63A θαη =1.5V ηάζε αγσγήο, πξνθχπηεη P loss 0.945W θαη απφ ηνλ ηχπν (4.4.1) γηα =150 ν C,
Κεθάλαιο 4ο =.5 o C/W θαη =0.5 o C/W, ε ζεξκηθή αληίζηαζε ηνπ ςπθηηθνχ γηα ηε δίνδν εηζφδνπ είλαη 19.751 o C/W. Σν ςπθηηθφ πνπ επηιέγεηαη γηα λα πιεξνί ηα παξαπάλσ θξηηήξηα είλαη ηεο εηαηξείαο fisher elektronik κε αξηζκφ AM 5 K [50] ην νπνίν δηαζέηεη θαη αλεκηζηήξα πνπ αλάινγα κε ηελ ηάζε ηξνθνδνζίαο ηνπ κεηψλεη θαη ηελ R Th φζν ρξεηαζηεί. ρήκα 4.9: Φπθηηθφ ηεο εηαηξείαο fisher elektronik κε αξηζκφ AM 5 K [50]. 4.5 Μεηπηηικά 4.5.1 Μέηξεζε ξεχκαηνο Ζ κέηξεζε ηνπ ξεχκαηνο πνπ απαηηείηαη ζηελ είζνδν ηνπ κεηαηξνπέα γηα ηνλ έιεγρν MPPT πξαγκαηνπνηείηαη κε ην κεηξεηηθφ EM-TS-6NP [51]. Απφ ην θαηαζθεπαζηηθφ θπιιάδην πξνθεηκέλνπ λα κπνξέζεη λα κεηξεζεί ην κέγηζην ξεχκα 17Α πνπ εκθαλίδεηαη ζηελ είζνδν επηιέγεηαη ε πξψηε ζπλδεζκνινγία, νπφηε βξαρπθπθιψλνληαη νη αθίδεο 1,,3 θαη νη 4,5,6. Ζ έμνδνο ηνπ κεηξεηηθνχ δίλεηαη απφ ηε ζρέζε: I V.5 0.65 I P out (4.5.1) PN κε Η P ην ξεχκα πνπ δηαξξέεη ην κεηξεηηθφ θαη I PN ην νλνκαζηηθφ ξεχκα ηνπ κεηξεηηθνχ πνπ, ιφγσ ηεο ζπλδεζκνινγίαο πνπ επηιέρζεθε, είλαη 6Α. Ζ ηξνθνδνζία ηνπ κεηξεηηθνχ γίλεηαη κε 5V ελψ απαηηείηαη θνηλή γείσζε κε ην θχθισκα ηνπ κηθξνειεγθηή, νπφηε ρξεζηκνπνηείηαη ην ηξνθνδνηηθφ ησλ 5V πνπ ρξεζηκνπνηείηαη θαη γηα ηελ ηξνθνδνζία ηνπ κηθξνειεγθηή. -86-
Κεθάλαιο 4ο ρήκα 4.10: πλδεζκνινγίεο κεηξεηηθνχ ξεχκαηνο EM-TS-6NP [51]. 4.5. Μέηξεζε ηάζεο Γηα ηε κέηξεζε ηεο ηάζεο δε ρξεζηκνπνηείηαη θάπνην εηδηθφ κεηξεηηθφ, αιιά πξαγκαηνπνηείηαη κε ηε ρξήζε δηαηξέηε ηάζεο. Μέηξεζε ηάζεο απαηηείηαη ζηελ είζνδν γηα ηνλ έιεγρν MPPT θαη αμηνπνηείηαη ζηελ έμνδν γηα ηε έιεγρν ηεο ηάζεο εμφδνπ. Ζ ινγηθή θαη ζηηο δχν πεξηπηψζεηο είλαη ίδηα κε ηε κφλε δηαθνξά ηελ επηινγή ησλ αληηζηάζεσλ ηνπ δηαηξέηε ηάζεο, πνπ πξνζαξκφδεη αλάινγα ην κέγεζνο ππνβηβαζκνχ ηεο ηάζεο εηζφδνπ θαη εμφδνπ. Ζ κέηξεζε ηεο ηάζεο ζηα άθξα ηεο αληίζηαζεο πνπ θάλεη ηνλ θαηάιιειν ππνβηβαζκφ ηάζεο, πξαγκαηνπνηείηαη κε ηε ρξήζε δηαθνξηθνχ εληζρπηή M358 [5] πνπ ζην εζσηεξηθφ ηνπ πεξηέρεη δχν ηειεζηηθνχο εληζρπηέο πνπ θαζηζηά πεξηηηή ηε ρξήζε ελφο απφ ηνπο δχν θαζψο ζα ρξεζηκνπνηεζνχλ δχν M358 γηα ηε δηαθνξηθή κέηξεζε. Έηζη, ε ηάζε ζηα άθξα ηεο αληίζηαζεο εηζέξρεηαη δηαθνξηθά ζηηο αθίδεο θαη 3 ηνπ εληζρπηή κε ηελ παξεκβνιή αληίζηαζεο ησλ 30ΚΧ ζηελ θάζε αθίδα. Δπίζεο γηα ηελ αξλεηηθή αλαηξνθνδφηεζε κεηαμχ ησλ αθίδσλ 1 θαη ρξεζηκνπνηείηαη κηα αληίζηαζε ησλ 30ΚΧ. Αθφκα ζηελ αθίδα 3 ρξεζηκνπνηείηαη κηα pull-down αληίζηαζε πάιη ησλ 30ΚΧ. Με ηνλ παξαπάλσ ηξφπν πινπνηείηαη ε ζπλδεζκνινγία ηνπ δηαθνξηθνχ εληζρπηή ν νπνίνο ηξνθνδνηείηαη κε 5V θαη έρεη θνηλή γείσζε κε ηνλ κηθξνειεγθηή σο δπλακηθφ αλαθνξάο ηεο εμφδνπ ηνπ εληζρπηή θαη ηεο εηζφδνπ ηνπ κηθξνειεγθηή. Με ηε ρξήζε breadboard παξαηεξήζεθε φηη γηα ηξνθνδνζία 5V ν ηειεζηηθφο εληζρπηήο ιεηηνπξγεί θαηάιιεια κέρξη ηα 3.56V ηάζε εηζφδνπ. Γηα ην ιφγν απηφ επηιέγεηαη ζηελ είζνδν λα γίλεη ππνβηβαζκφο απφ ηα 40V ηεο ηάζεο εηζφδνπ ζηα 3V γηα αζθάιεηα, θάηη πνπ κεηαθξάδεηαη ζε αληηζηάζεηο 36ΚΧ θαη 3ΚΧ ζην δηαηξέηε ηάζεο, κε ηε δηαθνξηθή ηάζε λα ιακβάλεηαη απφ ηελ αληίζηαζε ησλ 9,19Κ. Γηα ηελ έμνδν, ε ηάζε ησλ 400V ζα ππνβηβαζηεί -87-
Κεθάλαιο 4ο θαη απηή ζε 3V κε αληηζηάζεηο 3.88ΜΧ θαη 30ΚΧ ζην δηαηξέηε ηάζεο, κε ηε δηαθνξηθή ηάζε λα ιακβάλεηαη απφ ηελ αληίζηαζε ησλ 30ΚΧ. Γηα ηνλ πεξηνξηζκφ ηνπ ζνξχβνπ πνπ παξαηεξήζεθε ηφζν ζηελ είζνδν φζν θαη ζηελ έμνδν ησλ ηειεζηηθψλ εληζρπηψλ ζηε ζπγθεθξηκέλε εθαξκνγή, θξίζεθε απαξαίηεηε ε ζχλδεζε ελφο θαησδηαβαηνχ θίιηξνπ RC ζηελ έμνδν κε R=33KΧ θαη C=100nF, ην νπνίν ππνινγίζηεθε κε ηε ρξήζε ηνπ θαηάιιεινπ ππνινγηζηηθνχ πξνγξάκκαηνο [53] θαη δχν ππθλσηψλ MKT 100nF ζηα άθξα ηεο αληίζηαζεο ηνπ δηαηξέηε ηάζεο ζηελ νπνία γίλεηαη ε κέηξεζε ηάζεο ζε ζρέζε κε ηε γείσζε ηνπ κηθξνειεγθηή. Οη παξαπάλσ αιιαγέο επηβεβαηψζεθαλ απφ ηελ αθξηβή κέηξεζε ησλ ηάζεσλ ζηηο αλάινγεο εηζφδνπο ηνπ κηθξνειεγθηή θαηά ην debugging. ρήκα 4.11: Σειεζηηθφο εληζρπηήο M358 θαη ζπλδεζκνινγία γηα δηαθνξηθή κέηξεζε [5]. 4.6 σεδιαζμόρ πλακέηαρ Γηα ην ζρεδηαζκφ ηεο πιαθέηαο ηνπ κεηαηξνπέα θαη ηεο παικνδφηεζεο αμηνπνηήζεθε ην ινγηζκηθφ αλνηρηνχ θψδηθα KiCad πνπ δίλεη ηε δπλαηφηεηα θαηαζθεπήο ηφζν ηνπ ζρεκαηηθνχ δηαγξάκκαηνο (schematic) φζν θαη ηνπ ηππσκέλνπ θπθιψκαηνο ηεο πιαθέηαο (PCB). Αξρηθά δεκηνπξγήζεθε πξνζεθηηθά ην ζρεκαηηθφ δηάγξακκα ηεο πιαθέηαο πξνζεθηηθά κε θξηηήξην φζα αλαθέξζεθαλ παξαπάλσ. ηε ζπλέρεηα δεκηνπξγήζεθαλ κε αθξίβεηα ηα απνηππψκαηα (footprints) φισλ ησλ ζηνηρείσλ πνπ ζα ζπληζηνχλ ηελ πιαθέηα. Αμηνπνηήζεθαλ φζα ππήξραλ ήδε έηνηκα ζηηο βηβιηνζήθεο ηνπ KiCad θαηφπηλ επηβεβαίσζεο ησλ κεγεζψλ ηνπο θαη γηα φζα δελ ππήξραλ έηνηκα απνηππψκαηα δεκηνπξγήζεθαλ ηα θαηάιιεια κέζσ ηνπ footprint editor. -88-
Κεθάλαιο 4ο Μεηά ηελ ππνζεκείσζε/αξίζκεζε (annotation) ησλ ζηνηρείσλ θαη ηνλ έιεγρν ησλ ειεθηξηθψλ θαλφλσλ, πξαγκαηνπνηήζεθε ε αληηζηνίρηζε ησλ ζηνηρείσλ ηνπ ζρεκαηηθνχ κε ηα απνηππψκαηα πνπ αλαινγνχλ ζην θαζέλα κέζσ ηνπ CvPcb. Σέινο εηζήρζε ε ιίζηα δηθηχσλ ηνπ ζρεκαηηθνχ ζην Pcb editor θαη μεθίλεζε ν πξνζεθηηθφο ζρεδηαζκφο ηεο πιαθέηαο. Λφγσ ηεο πνιππινθφηεηαο ηνπ ζπλνιηθνχ θπθιψκαηνο επηιέρζεθε θαηαζθεπή πιαθέηαο δηπιήο φςεο. Κξηηήξην γηα ην ζρεδηαζκφ ήηαλ ε δηάηαμε ησλ ζηνηρείσλ κε ηξφπν ψζηε λα πεξηνξίδεηαη φζν δπλαηφλ πεξηζζφηεξν ν ειεθηξνκαγλεηηθφο ζφξπβνο αλάκεζα ζηα ζηνηρεία, αιιά θαη ν ζφξπβνο πνπ κπνξεί λα πξνθαιέζεη ην θχθισκα ηζρχνο ζην θχθισκα παικνδφηεζεο. Έηζη, ηα δχν απηά θπθιψκαηα δηαρσξίζηεθαλ πάλσ ζηελ πιαθέηα κε θαηάιιειε αθαίξεζε ηκήκαηνο ραιθνχ αλάκεζά ηνπο ελψ ν driver ηνπνζεηήζεθε πνιχ θνληά ζην ειεγρφκελν εκηαγσγηθφ ζηνηρείν. Δπίζεο, απνθεχρζεθε ε ρξήζε vias ζην θχθισκα ηζρχνο γηα νξζφηεξε ιεηηνπξγία ηνπ θπθιψκαηνο θαη φπνπ θξίζεθε απαξαίηεηε, αμηνπνηεζήθαλ πνιιαπιά via γηα θαηάιιειε κεηάβαζε απφ ηε κία πιαθέηα ραιθνχ ζηελ άιιε θαζψο επίζεο αιιά θαη νη πνιιαπιέο δηαθιαδψζεηο ησλ γξακκψλ κεηψζεθαλ φζν ην δπλαηφλ ζην ειάρηζην. Αθφκα ηα θνκκάηηα ραιθνχ πνπ δελ αθαηξέζεθαλ, δε ζπλδέζεθαλ θάπνπ (πρ ζε θάπνηα γείσζε) έηζη ψζηε λα είλαη πιήξσο ειεγρφκελνη φινη νη δξφκνη επηζηξνθήο ησλ ξεπκάησλ. ε απηφ ην ζεκείν είλαη ρξήζηκν λα αλαθεξζεί φηη νη γξακκέο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ θαηά πεξίπησζε είραλ θαηάιιειν πιάηνο (trace width) κε θξηηήξην ην ξεχκα πνπ θιήζεθαλ λα κεηαθέξνπλ θαη θαηάιιειν clearance κε θξηηήξην ηελ ηάζε πνπ εθαξκνδφηαλ πάλσ ηνπο θαη έηζη ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα αθξίβεηα νη αξηζκνκεραλέο [54] θαη [55] αληίζηνηρα. Ζ πιαθέηα πνπ θαηαζθεπάζηεθε, καδί κε ηηο ηξνθνδνζίεο ησλ 5V-0V θαη 15V-0V θαίλνληαη ζην ρήκα 4.1, ελψ ζην ρήκα 4.13 παξνπζηάδεηαη ην θάησ κέξνο ηεο πιαθέηαο. Καη ζηα δχν ρήκαηα θαίλνληαη δηαθξηηά ηα δηάθνξα ηκήκαηα πνπ αλαιχζεθαλ παξαπάλσ. -89-
Κεθάλαιο 4ο ρήκα 4.1: Άλσ κέξνο πιαθέηαο θαη ηξνθνδνζίεο. ρήκα 4.13: Κάησ κέξνο πιαθέηαο. -90-
ΚΔΦΑΛΑΙΟ 5 Κεθάλαιο 5ο ΠΔΙΡΑΜΑΣΙΚΗ ΓΙΑΓΙΚΑΙΑ-ΤΜΠΔΡΑΜΑΣΑ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΣΙΚΔ 5.1 Διζαγυγή Έρνληαο πιένλ δεκηνπξγήζεη ηελ πιαθέηα ηνπ κεηαηξνπέα, ζθνπφο είλαη πξψηα θαη θχξηα λα επηβεβαησζεί ε ζεσξεηηθή αλάιπζε πνπ πξνεγήζεθε, δεχηεξνλ λα βξεζνχλ ηα φξηα ιεηηνπξγίαο κε ηε ζπγθεθξηκέλε επηινγή ζηνηρείσλ, αλ δειαδή είλαη εθηθηφ λα ιεηηνπξγήζεη ν κεηαηξνπέαο ζηα 40V εηζφδνπ κε 640Χ θνξηίν δειαδή ζηα 50W θαη ηάζε εμφδνπ 400V θαη ηέινο λα πινπνηεζεί ν M.P.P.T. έιεγρνο κε ρξήζε ηνπ αιγνξίζκνπ Incremental Conductance. 5. Λειηοςπγία μεηαηποπέα με PWM ζηπαηηγική ελέγσος Αξρηθά, πξνθεηκέλνπ λα επηβεβαησζεί ε ζεσξεηηθή αλάιπζε πνπ παξνπζηάζηεθε ζην Κεθάιαην, ζα γίλεη δηακφξθσζε εχξνπο παικψλ PWM, κε δηαθνξεηηθνχο ιφγνπο θαηάηκεζεο. Ο θψδηθαο πνπ δεκηνπξγήζεθε γηα ηνλ πξνγξακκαηηζκφ ηνπ κηθξνειεγθηή παξνπζηάδεηαη ζην Παξάξηεκα Β θαη ε κεηαβνιή ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο γίλεηαη κε ηε κεηαβνιή ηεο κεηαβιεηήο D θαηά πεξίπησζε. Οη κεηξήζεηο θαη ηα παικνγξαθήκαηα παξαθάησ είλαη γηα ιφγνπο αλχςσζεο ηεο ηάζεο εηζφδνπ πεξίπνπ 5, 7.5 θαη 10 θνξέο αληίζηνηρα. Όια ηα πεηξάκαηα έρνπλ δηεμαρζεί γηα ηάζε εηζφδνπ V i απφ 0V σο 40V αλά 5V θαη ζπρλφηεηα ιεηηνπξγίαο f s =50kHz. 5..1 Μεηξήζεηο θαη θπκαηνκνξθέο γηα D=0.374 Όηαλ ηεζεί ν ιφγνο θαηάηκεζεο D=0,374, ζεσξεηηθά ζα αλακελφηαλ (γηα βαζκφ απφδνζεο, δειαδή, ε=1) VO 5,454 VI. Σα απνηειέζκαηα δηεμαγσγήο απηνχ ηνπ πεηξάκαηνο θαίλνληαη ζηνλ Πίλαθα 3. Οη δηαθνξνπνηήζεηο πνπ ππάξρνπλ ζε ζρέζε κε ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε, εκθαλίδνληαη θπξίσο ιφγσ ηνπ ρακειφηεξνπ βαζκνχ απφδνζεο ζε θάζε πεξίπησζε. -91-
Κεθάλαιο 5ο Πίνακαρ 3 Vi(V) Ii(A) Vo(V) Ro(Χ) Io(Α) Pi(W) Po(W) η Λόγορ ανύτυζηρ 5 0,3 3,16 681 0,034 1,5 0,787 0,55 4,63 10 0,5 49,6 670 0,074 5 3,670 0,734 4,96 15 0,7 76,4 670 0,114 10,5 8,710 0,89 5,09 0 1 103, 665 0,155 0 16,000 0,800 5,16 5 1, 130,1 657 0,198 30 5,760 0,859 5,0 30 1,5 157 651 0,41 45 37,837 0,841 5,3 35 1,7 184, 644 0,86 59,5 5,681 0,885 5,6 40 11, 638 0,331 80 69,907 0,874 5,8 ηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνληαη νη πεηξακαηηθέο θπκαηνκνξθέο πνπ επηβεβαηψλνπλ ηελ νξζή ιεηηνπξγία ηνπ κεηαηξνπέα θαη πην ζπγθεθξηκέλα ζην ρήκα 5.1 ε ηάζε ζην Gate ηνπ MOSFET (V GS ), ε ηάζε ζηα άθξα ηνπ MOSFET (V DS ), ε ηάζε ζηε δίνδν εηζφδνπ (V Deisodou ), ε ηάζε ζηηο δηφδνπο εμφδνπ (V Deksodou ), ε ηάζε (V 1 ) θαη ην ξεχκα (I 1 ) ησλ πελίσλ ηνπ Z- source δηθηχνπ, ε ηάζε (V f ) θαη ην ξεχκα (I f ) ηνπ πελίνπ ηνπ θίιηξνπ εμφδνπ, θαη ζην ρήκα 5. ε ηάζε ζηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα. Οη θπκαηνκνξθέο απηέο αθνξνχλ ηελ είζνδν ησλ 40V. Θεσξεηηθά αλακέλεηαη ε ηάζε ζηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία λα θηάλεη ηε κέγηζηε ηηκή ησλ 158,73V θαη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ζην πελίν εηζφδνπ 1,14Α. Οη ηηκέο απηέο επηβεβαηψλνληαη απφ ηηο θπκαηνκνξθέο κε ηε δηαθνξά φηη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ζηελ είζνδν είλαη πεξί ηα 1,6Α εμαηηίαο ηνπ βαζκνχ απφδνζεο ε=0,874, πνπ είλαη κηθξφηεξνο ηεο κνλάδαο. Ζ θπκάησζε ζηελ έμνδν είλαη απεηξνειάρηζηε, φπσο άιισζηε αλακελφηαλ απφ ηελ επηινγή ησλ ππθλσηψλ ζην θίιηξν εμφδνπ. -9-
Κεθάλαιο 5ο 50V/DIV 5V/DIV 50V/DIV 500mA/DIV 50V/DIV 50V/DIV 50V/DIV 100mA/DIV ρήκα 5.1: Απφ πάλσ πξνο ηα θάησ ζηα αξηζηεξά V GS,V DS, V Deisodou, V Deksodou θαη ζηα δεμηά V 1, I 1, V f, I f. -93-
Κεθάλαιο 5ο ρήκα 5.: Ζ ηάζε ζηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα V O. 5.. Μεηξήζεηο θαη θπκαηνκνξθέο γηα D=0.415 Ο ιφγνο αλχςσζεο ηίζεηαη πεξίπνπ ζην 7,5, φηαλ ν ιφγνο θαηάηκεζεο είλαη D=0,415. Θεσξεηηθά, γηα ην ζπγθεθξηκέλν ιφγν θαηάηκεζεο, ζα ήηαλ VO 8,335 VI. Οη απνθιίζεηο πνπ ππάξρνπλ ζηνλ Πίλαθα 4, φπνπ παξνπζηάδνληαη νη κεηξήζεηο ζηε ζπγθεθξηκέλε πεξίπησζε, νθείινληαη ζηε κε ηδαληθφηεηα ησλ ζηνηρείσλ ηνπ κεηαηξνπέα. Πίνακαρ 4 Vi(V) Ii(A) Vo(V) Ro(Χ) Io(Α) Pi(W) Po(W) η Λόγορ ανύτυζηρ 5 0,5 33,48 670 0,050,5 1,674 0,700 6,70 10 1,1 71,6 669 0,107 11 7,661 0,697 7,16 15 1,6 110,3 664 0,166 4 18,310 0,763 7,35 0, 149,4 655 0,8 44 34,063 0,774 7,47 5,7 188,6 644 0,93 67,5 55,60 0,819 7,54 30 3,3 8,1 67 0,364 99 83,08 0,839 7,60 35 3,9 68,3 61 0,43 136,5 115,906 0,849 7,67 40 4,5 310 60 0,500 180 155,000 0,861 7,75 Δλδεηθηηθά παξαηίζεληαη νη ίδηεο θπκαηνκνξθέο κε ην πξνεγνχκελν ππνθεθάιαην πξνθεηκέλνπ λα δεηρζεί ε νξζή ιεηηνπξγία ηνπ κεηαηξνπέα. Οη θπκαηνκνξθέο απηέο αθνξνχλ ηε ιεηηνπξγία κε ηάζε εηζφδνπ ζηα 40V θαη αληίζηαζε εμφδνπ πεξί ηα 650Χ. -94-
Κεθάλαιο 5ο Ζ κέγηζηε ηάζε ζηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία (φηαλ, δειαδή, δελ άγνπλ) αλακέλεηαη ζεσξεηηθά 35.9V, θάηη ην νπνίν επηβεβαηψλεηαη, ελψ ε δηαθνξά πνπ ππάξρεη ζηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο ζηα πελία ηνπ Z-source δηθηχνπ θαη ηαπηίδεηαη κε ηε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ, νθείιεηαη ζην βαζκφ απφδνζεο ε=86,1% πνπ είλαη κηθξφηεξνο ηεο κνλάδαο. ρήκα 5.3: Ζ ηάζε ζηελ έμνδν ηνπ κεηαηξνπέα V O. -95-
Κεθάλαιο 5ο 5V/DIV 50V/DIV 50V/DIV 1A/DIV 100V/DIV 50V/DIV 50V/DIV 50mAV/DIV ρήκα 5.4: Απφ πάλσ πξνο ηα θάησ ζηα αξηζηεξά V GS, V DS, V Deisodou, V Deksodou θαη ζηα δεμηά V 1,I 1, V f, I f. -96-
5.. Μεηξήζεηο θαη θπκαηνκνξθέο γηα D=0.445 Κεθάλαιο 5ο Όηαλ ν ιφγνο θαηάηκεζεο ηεζεί ίζνο κε 0,445 ε αλχςσζε ζην κεηαηξνπέα πξνζεγγίδεη ηηο 10 θνξέο. Θεσξεηηθά ε αλχςσζε γηα ην ζπγθεθξηκέλν ιφγν θαηάηκεζεο ζα έπξεπε λα είλαη 1,5435, νπφηε ζα έπξεπεv O 1,5435 V I. Ζ δηαθνξνπνίεζε απηή είλαη αξθεηά κεγάιε ζηε ζπγθεθξηκέλε ιεηηνπξγία θαη θαηαδεηθλχεη αθφκα πην έληνλα ηε κε ηδαληθφηεηα ησλ ζηνηρείσλ ζηε πξαγκαηηθφηεηα. Γηα λα επηηεπρζεί ε αλχςσζε 10 θνξψλ ζχκθσλα κε ηε ζεσξεηηθή αλάιπζε ηνπ Κεθαιαίνπ, ν ιφγνο θαηάηκεζεο φθεηιε λα είλαη 0,486. ηνλ Πίλαθα 5 παξνπζηάδνληαη νη κεηξήζεηο πνπ πάξζεθαλ γηα ην πείξακα απηφ. Πίνακαρ 5 Vi(V) Ii(A) Vo(V) Ro(Χ) Io(Α) Pi(W) Po(W) η Λόγορ ανύτυζηρ 5 1 45 67 0,067 5 3,015 0,603 9 10, 97 669 0,145 14,065 0,639 9,7 15 3,4 149,1 663 0,5 51 33,548 0,658 9,94 0 4,6 00,6 651 0,308 9 61,785 0,67 10,03 5 5,8 5,6 63 0,400 145 101,040 0,697 10,10 30 7 306,9 66 0,490 10 150,381 0,716 10,3 ηα ρήκαηα 5.5 θαη 5.6 θαίλνληαη νη ίδηεο θπκαηνκνξθέο κε ηα πξνεγνχκελα ππνθεθάιαηα, κε ηελ πξνζζήθε ηεο ηάζεο εηζφδνπ. Ζ ιεηηνπξγία ηνπ κεηαηξνπέα αθνξά ηάζε εηζφδνπ ζηα 5V. Γηα D=0,445 ζεσξεηηθά ε κέγηζηε ηάζε ζηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία πξνθχπηεη πεξίπνπ 348V θαη ε κέζε ηηκή ηνπ ξεχκαηνο εηζφδνπ 3,37Α. Χζηφζν, ε ηάζε ζηηο θπκαηνκνξθέο πξνζεγγίδεηαη θαιχηεξα ζηελ πεξίπησζε πνπ D=0,486. Σν ξεχκα εκθαλίδεη πνιχ κεγάιε απφθιηζε ιφγσ ηνπ αξθεηά ρακεινχ βαζκνχ απφδνζεο. -97-
Κεθάλαιο 5ο 5V/DIV 50V/DIV 50V/DIV 1A/DIV 50V/DIV 50V/DIV 50V/DIV 100mA/DIV ρήκα 5.5: Απφ πάλσ πξνο ηα θάησ ζηα αξηζηεξά V GS,V DS, V Deisodou, V Deksodou θαη ζηα δεμηά V 1, I 1, V f, I f. -98-
Κεθάλαιο 5ο ρήκα 5.6: Ζ ηάζε ζηελ είζνδν ηνπ κεηαηξνπέα V I (πάλσ) θαη ε ηάζε εμφδνπ V O (θάησ). -99-
5.3 Δθαπμογή M.P.P.T. ελέγσος Κεθάλαιο 5ο Ο αιγφξηζκνο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ MPPT ειέγρνπ, αλαιχεηαη θαη εθαξκφδεηαη ζηα θεθάιαηα 1.7 θαη 3.4. ε απηφ ην θεθάιαην ζα παξνπζηαζζεί ε εθαξκνγή ηνπ ζηελ πιαθέηα πνπ έρεη θαηαζθεπαζηεί. Τπελζπκίδεηαη φηη ε ιεηηνπξγία ηνπ MPPT ειέγρνπ πινπνηείηαη φπσο ζην Κεθάιαην 3.4, κε ηε ζχλδεζε κηαο αληίζηαζεο ζε ζεηξά ζηελ είζνδν ηνπ κεηαηξνπέα κε ζθνπφ ηε κεηαβνιή ηνπ ιφγνπ θαηάηκεζεο, ψζηε λα ηαπηηζηνχλ ε R in ηνπ κεηαηξνπέα κε ηελ αληίζηαζε απηή. ε απηφ ην ζεκείν θξίλεηαη απαξαίηεην λα επεμεγεζνχλ θάπνηα ζεκεία ηνπ θψδηθα, ν νπνίνο παξνπζηάδεηαη ζην Παξάξηεκα Β. Αξρηθά, γίλεηαη αλάγλσζε 10 ηηκψλ ηάζεο θαη ξεχκαηνο ζηελ είζνδν απφ ηηο νπνίεο πξνθχπηεη ν κέζνο φξνο, γηα κεγαιχηεξε αθξίβεηα ησλ κεηξνχκελσλ κεγεζψλ, ψζηε λα κελ επεξεάδνληαη απφ θπκαηψζεηο πνπ κπνξεί λα εκθαληζηνχλ. Αξρηθνπνηείηαη ν ιφγνο θαηάηκεζεο ζε έλα ρακειφ ιφγν θαηάηκεζεο, ην νπνίν κεηαθξάδεηαη ζε κεγάιε αληίζηαζε εηζφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα θαη άξα κεγάιε ηάζε θαη κηθξφ ξεχκα. Ζ πξάμε ε νπνία ειέγρεηαη γηα ην πξφζεκφ ηεο ζε θάζε πεξίπησζε έρεη ηξνπνπνηεζεί di I απφ Q ζε Q di V dv I γηα απνθπγή ηεο πξάμεο ηεο δηαίξεζεο. Ο ηξφπνο κε dv V ηνλ νπνίν κεηαβάιιεηαη ν ιφγνο θαηάηκεζεο, εμαξηάηαη απφ ην πξφζεκν ηεο πξάμεο απηήο θαη αιιάδεη αλάινγα κε ην αλ dv>0 ή dv<0, φπσο άιισζηε θαίλεηαη θαη ζηνλ θψδηθα. Σν θαζνξηζηηθφ ζεκείν απηήο ηεο ινγηθήο είλαη φηη γηα ην ζπγθεθξηκέλν κεηαηξνπέα φζν απμάλεηαη ην δ (ιφγνο θαηάηκεζεο), κεηψλεηαη ε ηάζε ζηελ είζνδφ ηνπ. Γηα ηε βειηίσζε ηνπ ειέγρνπ θαη φζν θαιχηεξε ζηαζεξνπνίεζε ηνπ παικνχ πνπ αληηζηνηρεί ζην κέγηζην ζεκείν ηζρχνο έρνπλ γίλεη δχν βαζηθέο πξνζαξκνγέο ζηνλ θψδηθα. Αθελφο κελ, ην βήκα κεηαβνιήο ηνπο ιφγνπ θαηάηκεζεο αιιάδεη αλάινγα κε ηνλ πξνεγνχκελν ιφγν θαηάηκεζεο θαη πην ζπγθεθξηκέλα κεηψλεηαη φζν ην δ είλαη πην κεγάιν, γηαηί ε αλχςσζε είλαη κεγαιχηεξε ζε κεγαιχηεξα δ, φπσο παξνπζηάζζεθε ζην Κεθάιαην. Αθεηέξνπ δε, νη έιεγρνη γηα ηα πξφζεκα πνπ αλαθέξνληαη παξαπάλσ ζηα Q, dv αιιά θαη di, δε γίλνληαη ζε ζρέζε κε ην 0, αιιά κε θάπνηεο ηηκέο αλάκεζα ζηηο νπνίεο νη κεηαβνιέο ζεσξνχληαη κεδεληθέο Qsfalma, dvsfalma θαη disfalma αληίζηνηρα. Έηζη, ζηα ρήκαηα 5.7 θαη 5.8 θαίλνληαη ελδεηθηηθά ε ηζρχο θαη ε ηάζε ζηελ είζνδν ηνπ κεηαηξνπέα, ζηελ πνξεία ηνπ ρξφλνπ, γηα κηα αληίζηαζε ζηελ είζνδν ίζε κε 7.Χ θαη κε ηάζε απφ ην ηξνθνδνηηθφ ζηα 40V ε νπνία εθφζνλ επηηπγράλεηαη ν έιεγρνο, ηζνκνηξάδεηαη ζην κεηαηξνπέα θαη ζηελ αληίζηαζε. -100-
Κεθάλαιο 5ο ΗΥΤ(W) ΑΡΗΘΜΟ ΓΔΗΓΜΑΣΟΛΖΦΗΑ ρήκα 5.7: Ζ ηζρχο ζηελ είζνδν ηνπ κεηαηξνπέα θαηά ηε δηάξθεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ MPPT ειέγρνπ. ΣΑΖ(V) ΑΡΗΘΜΟ ΓΔΗΓΜΑΣΟΛΖΦΗΑ ρήκα 5.8: Ζ ηάζε ζηελ είζνδν ηνπ κεηαηξνπέα θαηά ηε δηάξθεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ MPPT ειέγρνπ. Πξνο επηβεβαίσζε ησλ παξαπάλσ, έρνπλ ιεθζεί θσηνγξαθίεο ησλ πνιπκέηξσλ (ξεχκα θαη ηάζε εηζφδνπ) ζε ηπραία ζηηγκή ιεηηνπξγίαο ηνπ ειέγρνπ, πνπ θαίλνληαη ζην ρήκα 5.9. Αθφκα, ζην ρήκα 5.10 παξνπζηάδεηαη ε ραξαθηεξηζηηθή P-V πνπ ιακβάλεηαη απφ ηε δξάζε ηνπ MPPT ειέγρνπ, θαηφπηλ ηεο απφηνκεο αχμεζεο ηεο ηάζεο ηνπ θσηνβνιηατθνχ-πεγήο, νπφηε θαη παξαηεξείηαη ε ηαιάλησζε ηεο ηάζεο ζηελ πεξηνρή ησλ 0V. -101-
Κεθάλαιο 5ο ρήκα 5.9: Φσηνγξαθίεο πνιπκέηξσλ κε ξεχκα (αξηζηεξά) θαη ηάζε (δεμηά) εηζφδνπ ηνπ κεηαηξνπέα. -10-
Κεθάλαιο 5ο ΗΥΤ(W) ΣΑΖ(V) ρήκα 5.10:Πξνθχπηνπζα P-V ραξαθηεξηζηηθή. Απφ ηα παξαπάλσ ζρήκαηα, επηβεβαηψλεηαη ε ηαιάλησζε ηεο ηάζεο γχξσ απφ ηελ επηζπκεηή ηηκή ησλ 0V, ην νπνίν είλαη θαη ην δεηνχκελν γηα ηνλ έιεγρν MPPT. Δπίζεο, ε ηζρχο ζηελ είζνδν ηνπ κεηαηξνπέα θπκαίλεηαη, φπσο αλακέλεηαη, ζηα -103-0 55.6W 7. (αθνχ ε αληίζηαζε εηζφδνπ είλαη πεξί ηα 7.Χ θαη ε ηάζε εηζφδνπ είλαη 0V), ην νπνίν αληηζηνηρεί ζην εκείν Μέγηζηεο Ηζρχνο (ΜΗ). 5.4 Παπαηηπήζειρ ζςμπεπάζμαηα και πποοπηικέρ Έρνληαο νινθιεξψζεη πιένλ ηελ πεηξακαηηθή δηαδηθαζία, είλαη απαξαίηεην ζε απηφ ην ζεκείν λα γίλνπλ θάπνηεο παξαηεξήζεηο ζε ζρέζε κε ηε δηαδηθαζία απηή, λα γίλεη κηα αμηνιφγεζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ κεηαηξνπέα θαη λα εμαρζνχλ θάπνηεο πξνηάζεηο γηα ην κέιινλ πνπ πξνθχπηνπλ κε βάζε ην ζχλνιν ηεο δηπισκαηηθήο απηήο εξγαζίαο. Τπελζπκίδεηαη φηη ζθνπφο εμαξρήο ήηαλ ε θαηαζθεπή ελφο DC-DC κεηαηξνπέα Z-source δηθηχνπ ν νπνίνο ζα ζπλδεζεί σο πξψηε βαζκίδα γηα ελίζρπζε ηεο ηάζεο ζε έλα θσηνβνιηαïθφ ζχζηεκα, ην νπνίν πινπνηείηαη κε ηελ ηερλνινγία ησλ AC-PV modules γηα ηε δηαζχλδεζε κε ην δίθηπν θαη ε εθαξκνγή ζε απηφλ MPPT ειέγρνπ. Χζηφζν αλ θαη ην δεχηεξν ζθέινο πξαγκαηνπνηήζεθε κε ζρεηηθή αθξίβεηα, είλαη εκθαλέο φηη ην πξψην ζθέινο εκθάληζε θάπνηα πξνβιήκαηα. Πξψηα θαη θχξηα ε απφδνζε ηνπ κεηαηξνπέα είλαη αξθεηά κηθξφηεξε ζε ζρέζε κε ηελ πξνζνκνίσζε πνπ παξνπζηάζηεθε ζην Κεθάιαην 3. Απηφ νθείιεηαη ζηηο δηαθνξέο πνπ ππάξρνπλ ζηελ θαηαλάισζε ηζρχνο ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ, ζηηο αξθεηά κεγάιεο ηηκέο
Κεθάλαιο 5ο ESR ησλ ππθλσηψλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ, ζηελ πςειή αληίζηαζε ραιθνχ ζηα πελία πνπ θαηαζθεπάζηεθαλ, ζηε ρξήζε ησλ αληηζηάζεσλ εμηζνξξφπεζεο ηάζεο θαη ησλ snubber, θαζψο θαη ζηηο απψιεηεο πνπ ππάξρνπλ ζηνπο δξφκνπο ραιθνχ ηεο πιαθέηαο. Γεχηεξν δήηεκα πνπ αλέθπςε, είλαη νη κεγάιεο ππεξηάζεηο πνπ εκθαλίδνληαη ζηηο δηφδνπο εηζφδνπ θαη εμφδνπ, θαζψο θαη ζην MOSFET, ιφγσ ησλ παξαζηηηθψλ επαγσγψλ πνπ δεκηνπξγνχληαη ζηνπο δξφκνπο ζηελ πεξηνρή ησλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ. Αλ θαη ζηηο δηφδνπο ζηελ έμνδν δελ εκθαλίζηεθε θάπνην πξφβιεκα ιφγσ ηεο πςειήο ηάζεο αληνρήο, ζηε δίνδν εηζφδνπ θαη ζηo MOSFET ήηαλ αλαγθαία ε ηνπνζέηεζε snubber, φπσο έρεη ήδε αλαθεξζεί. Αθξηβψο απηφ ην πξφβιεκα κε ηηο ππεξηάζεηο εμεγεί θαη ηελ αδπλακία ηνπ κεηαηξνπέα λα ιεηηνπξγήζεη ζην ιφγν θαηάηκεζεο D=0,445, φπνπ V O =10V I, ζε ηηκέο ηάζεο εηζφδνπ άλσ ησλ 35V. Σε ζηηγκή ινηπφλ πνπ γίλεηαη ε απφπεηξα πξνζέγγηζεο ησλ 40V ζηελ είζνδν, νη ππεξηάζεηο πνπ εκθαλίδνληαη ζηε δίνδν εηζφδνπ νδεγνχλ ζηελ θαηαζηξνθή ηεο. Σα πξνβιήκαηα πνπ αλαθέξνληαη παξαπάλσ είλαη επηιχζηκα θαη γηα ην ιφγν απηφ ζεσξείηαη δπλαηή ζην κέιινλ κηα εθ λένπ θαηαζθεπή ηνπ κεηαηξνπέα πνπ ζα κπνξεί λα πξνζεγγίζεη απφιπηα ηνπο ζηφρνπο πνπ ηίζεληαη, ρσξίο πξνβιήκαηα σο πξνο ηε ιεηηνπξγία θαη κε βειηησκέλν βαζκφ απφδνζεο. Σν δήηεκα ηνπ βαζκνχ απφδνζεο αληηκεησπίδεηαη κε ηελ επηινγή θαιχηεξσλ εκηαγσγηθψλ ζηνηρείσλ, κε ηελ θαιχηεξε θαηαζθεπή πελίσλ πνπ ζα εκθαλίδνπλ κηθξφηεξεο απψιεηεο, κε επηινγή ππθλσηψλ κε κηθξφηεξε ηηκή ESR, θαζψο θαη κε ηελ απνθπγή ρξήζεο ησλ snubber. Σν πξφβιεκα κε ηηο ππεξηάζεηο είλαη εθηθηφ λα ιπζεί κε θαιχηεξν ζρεδηαζκφ ησλ δξφκσλ γχξσ απφ ηα εκηαγσγηθά ζηνηρεία, θάηη πνπ ζα κεηψζεη ηηο παξαζηηηθέο επαγσγέο θαη άξα θαη ηηο ππεξηάζεηο. Απηφ είλαη θξίζηκν γηα ηελ επηηπρή ιεηηνπξγία ηνπ κεηαηξνπέα ζηηο επηζπκεηέο ηάζεηο. Σέινο, έλα πνιχ ελδηαθέξνλ αληηθείκελν, ην νπνίν κπνξεί λα πινπνηεζεί ζην κέιινλ, πέξα απφ ηηο πξνηεηλφκελεο βειηηψζεηο ζηνλ ήδε ππάξρνληα κεηαηξνπέα θαη ηελ θαηαζθεπή ησλ ππφινηπσλ ηξηψλ κεηαηξνπέσλ γηα κηα πξαθηηθή ζχγθξηζε, είλαη ε δπλαηφηεηα εθαξκνγήο ηεο βαζκίδαο ελίζρπζεο ησλ ελ ζεηξά ππθλσηψλ κεηαγσγήο ζε έλαλ απφ ηνπο ππφινηπνπο δχν κεηαηξνπείο πνπ παξνπζηάδνληαη ζην Κεθάιαην. πγθεθξηκέλα πξνηείλεηαη ε ζεσξεηηθή αλάιπζε θαη ε πινπνίεζε ησλ ελ ζεηξά ππθλσηψλ κεηαγσγήο ζηνλ ηξνπνπνηεκέλν Z-source DC-DC κεηαηξνπέα, ν νπνίνο εκθαλίδεη θαιχηεξα ραξαθηεξηζηηθά ζε ζρέζε κε ηνλ θιαζηθφ Z-source DC-DC κεηαηξνπέα ηφζν ζεσξεηηθά, φζν θαη ζηηο πξνζνκνηψζεηο. -104-
Βιβλιογπαθία ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] http://eur-lex.europa.eu/legal-content/e/txt/pdf/?uri=ceex:5013dc0169& from=en. [] https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/documents/1_en_act_part1_v7_1.pdf. [3] Η. Λεμνπξγηψηεο, Φσηνβνιηατθά ζε νρήκαηα, ΔΜΠ, 011. [4] Η. Κνµπνχγηαο, Α. Κπξίηζεο, Α. Ναλάθνο, and Δ. Σαηάθεο, χγρξνλεο εμειίμεηο ζε θσηνβνιηατθά ζπζηήµαηα γηα δηεζπαξµέλε παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. [5] Η. Κνκπνχγηαο, Βέιηηζηνο ζρεδηαζκφο πνιιαπιαζηαζηψλ ηάζεο γηα θσηνβνιηατθά πιαίζηα ζπλδεδεκέλα ζην δίθηπν ρακειήο ηάζεο, Παλεπηζηήκην Παηξψλ, 011. [6] Η. κπφξαο, Μειέηε, πξνζνκνίσζε θαη έιεγρνο δηάηαμεο ζχλδεζεο αλεκνγελλήηξηαο ζην δίθηπν ρακειήο ηάζεο θαη θαηαζθεπή ηεο κνλάδαο αλχςσζεο ηάζεο, Παλεπηζηήκην Παηξψλ, 011. [7] P. M. Barbosa and I. Barbi, A single-switch flyback-current-fed dc-dc converter, IEEE Trans. Power Electron., 1998. [8] D. A. Ruiz-Caballero and I. Barbi, A new flyback-current-fed push-pull DC-DC converter, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 14, no. 6. pp. 1056 1064, 1999. [9] G. Spiazzi, Reduced redundant power processing concept: A reexamination, in 016 IEEE 17th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPE), 016, pp. 1 8. [10] V. P. Galigekere and M. K. Kazimierczuk, Analysis of PWM Z-source DC-DC converter in CCM for steady state, IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap., 01. [11]. Yang, D. Qiu, B. Zhang, G. Zhang, and W. Xiao, A modified Z-source DC-DC converter, 014 16th European Conference on Power Electronics and Applications. pp. 1 9, 014. [1] H. Shen, B. Zhang, D. Qiu, and. Zhou, A Common Grounded Z-Source DC-DC Converter With High Voltage Gain, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 5. pp. 95 935, 016. [13] Y. Shindo, M. Yamanaka, and H. Koizumi, Z-source DC-DC converter with cascade switched capacitor, in IECON Proceedings (Industrial Electronics Conference), 011. -105-
Βιβλιογπαθία [14] Θ. Εαραξίαο, Ήπιερ μοπθέρ ενέπγειαρ. Πάηξα: Παλεπηζηεκηαθέο Δθδφζεηο, 01. [15] http://file.scirp.org/html/14-64011/ed1c49d-6d11-49c5-88bb-5feb543cb39.jpg. [16] http://reviews.in.gr/agro/environment/article/?aid=13111333. [17] K. H. Hussein, I. Muta, T. Hoshino, and M. Osakada, Maximum photovoltaic power tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions, {IEE} Proc. Gener. Transm. Distrib., 1995. [18] Α. Dolara, R. Faranda, and S. eva, Energy Comparison of Seven MPPT Techniques for PV Systems, J. Electromagn. Anal. Appl., 009. [19] J. Ahmad, A fractional open circuit voltage based maximum power point tracker for photovoltaic arrays, in ICSTE 010-010 nd International Conference on Software Technology and Engineering, Proceedings, 010. [0] T. Hiyama, S. Kouzuma, T. Imakubo, O. O. Point, S. Member, and C. Science, Identification of optimal operating point of PV modules using neural network for real time maximum power tracking control, Energy Conversion, IEEE Trans., 1995. [1] http://paginas.fe.up.pt/~ee07308/pages/images/inccond.jpg. [] F. Z. Peng, Z-source inverter, Conf. Rec. 00 IEEE Ind. Appl. Conf. 37th IAS Annu. Meet. (Cat. No.0CH37344), 00. [3] M. Shen and F. Z. Peng, Operation modes and characteristics of the Z-source inverter with small inductance or low power factor, IEEE Trans. Ind. Electron., 008. [4] M. Shen, J. Wang, A. Joseph, F. Z. Peng,. M. Tolbert, and D. J. Adams, Constant boost control of the Z-source inverter to minimize current ripple and voltage stress, IEEE Trans. Ind. Appl., 006. [5] F. Z. Peng, M. Shen, and K. Holland, Application of Z-source inverter for traction drive of fuel cell-battery hybrid electric vehicles, IEEE Trans. Power Electron., 007. [6] J. iu, J. Hu, and. Xu, Dynamic Modeling and Analysis of Z Source Converter- Derivation of AC Small Signal Model and Design-Oriented Analysis, IEEE Trans. Power Electron., 007. [7] F. Z. Peng, M. Shen, and Z. Qian, Maximum boost control of the Z-source inverter, IEEE Trans. Power Electron., 005. [8] P. C. oh, D. M. Vilathgamuwa, Y. Sen ai, G. T. Chua, and Y. i, Pulse-width modulation of Z-source inverters, IEEE Trans. Power Electron., 005. [9] http://ixapps.ixys.com/datasheet/dsep9-1a.pdf. -106-
Βιβλιογπαθία [30] http://ixapps.ixys.com/datasheet/ds993g(ixta-tp1n50p).pdf. [31] http://ixapps.ixys.com/datasheet/dsep8-1a.pdf. [3] http://ixapps.ixys.com/datasheet/91536.pdf. [33] Π. Γξππαίνο, Γηεξεχλεζε ηεο ιεηηνπξγίαο θαη θαηαζθεπή κνλνθαζηθνχ αληηζηξνθέα γηα δηαζχλδεζε αλεκνγελλήηξηαο κηθξήο ηζρχνο κε ην δίθηπν ρακειήο ηάζεο, Παλεπηζηήκην Παηξψλ, 010. [34] Π. Υαηδεδάθεο, Αλάιπζε ιεηηνπξγίαο ζεξκνειεθηξηθψλ ζηνηρείσλ- Απνκάζηεπζε Μέγηζηεο Ηζρχνο, Παλεπηζηήκην Παηξψλ, 01. [35] K. Khouzam and K. Hoffman, Real-time simulation of photovoltaic modules, Sol. Energy, 1996. [36] http://www.vishay.com/docs/91514/sihs36n50d.pdf. [37] http://www.farnell.com/datasheets/1856336.pdf?_ga=1.1415816.366698890.14808 6738. [38] http://ixapps.ixys.com/datasheet/dsei8-06a_dsei8-06as.pdf. [39] http://www.cde.com/resources/catalogs/igbtappguide.pdf. [40] http://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf. [41] https://www.illinoiscapacitor.com/pdf/papers/voltage_balancing_resistors.pdf. [4] http://www.pearl-hifi.com/06_it_archive/15_mfrs_publications/texas_instruments/ Magnetics_Design_for_Switching_Power_Supplies.pdf. [43] http://www.farnell.com/datasheets/1595809.pdf? [44] https://en.tdk.eu/inf/80/db/fer_13/e_65_3_7.pdf. [45] http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/70135g.pdf. [46] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd74hct541.pdf. [47] http://www.vishay.com/docs/8473/6n137.pdf. [48] http://www.intersil.com/content/dam/intersil/documents/icl7/icl7667.pdf. [49] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm7805.pdf. [50] http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/11e5/0900766b811e5a90.pdf. [51] http://www.europowercomponents.com/media/uploads/lts6-np.pdf. [5] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm904-n.pdf. [53] http://sim.okawa-denshi.jp/en/crlowkeisan.htm. [54] http://circuitcalculator.com/wordpress/006/01/31/pcb-trace-width-calculator/. [55] http://www.smps.us/pcbtracespacing.html. -107-
-108- Βιβλιογπαθία
Παπάπηημα Α ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Α ρεκαηηθφ ΥΗΜΑΣΙΚΟ ΚΑΙ PCB ΠΛΑΚΔΣΑ -109-
PCB πάλσ φςε πιαθέηαο Παπάπηημα Α PCB θάησ φςε πιαθέηαο -110-