Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την σχεδίαση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για βιοϊατρικές εφαρμογές. Δίνεται μεγαλύτερη βαρύτητα στην υλοποίηση διαγωγών χαμηλής τροφοδοσίας και ενισχυτών ρεύματος οδηγούμενων από το υπόστρωμα. Όπως σε όλα τα διαφορικά κυκλώματα, έτσι και στους διαφορικούς διαγωγούς κύριο μέλημα των σχεδιαστών είναι η γραμμικότητα τους και οι παράμετροι που την επηρεάζουν. Προτείνεται ένας διαγωγός χαμηλής τροφοδοσίας που βασίζεται στην βαθμίδα ακόλουθου τάσης με αναστροφή και προσομοιώνεται για να μελετηθεί το εύρος της γραμμικότητας του, η απόκριση συχνότητας και η συμπεριφορά του σε χρονικά μεταβαλλόμενο ημιτονοειδές σήμα. Ο ενισχυτής ρεύματος οδηγούμενος από το υπόστρωμα που παρουσιάζεται σε αυτήν την εργασία εκμεταλλεύεται όλους τους βαθμούς ελευθερίας ενός MOS τρανζίστορ πολωμένου στην ασθενή αναστροφή και στον κόρο. Η τεχνική οδήγησης από το υπόστρωμα χρησιμοποιείται ευρέως στην σχεδίαση κυκλωμάτων χαμηλής τροφοδοσίας, αφού έχει μειωμένες απαιτήσεις τάσης, ενώ είναι και ανεξάρτητη από περιορισμούς σχετικούς με την τάση κατωφλίου. Επιπρόσθετα, τα τρανζίστορ με οδήγηση από το υπόστρωμα διατηρούνται στην περιοχή κόρου για αρνητικές, μηδενικές και σχετικά μικρές θετικές τιμές της τάσης πόλωσης VBS. Έτσι, μπορούν να επεξεργάζονται σήματα εισόδου κοινού τρόπου (common-mode input range) μεγάλης τιμής και με μεγάλο εύρος κυμάτωσης κάτι που δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί με συμβατικές κυκλωματικές τεχνικές σε τόσο χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Όμως, τα τρανζίστορ με οδήγηση από το υπόστρωμα έχουν μικρή τιμή διαγωγιμότητας και είναι ευαίσθητα στον θόρυβο. Άλλο μειονέκτημα της τεχνικής με οδήγηση από το υπόστρωμα είναι ότι η πόλωση των τρανζίστορ εξαρτάται από την τεχνολογία ολοκλήρωσης. Το κέρδος του ενισχυτή ρεύματος οδηγούμενου από το υπόστρωμα μεταβάλλεται με εκθετικό τρόπο. Αυτή η ιδιότητα είναι σημαντική και χρησιμοποιείται ευρέως σε συστήματα αυτομάτου ελέγχου κέρδους όπου το σήμα εισόδου μεταβάλλεται αρκετές τάξεις μεγέθους. Σε ένα παρόμοιο σύστημα χρησιμοποιούμε και τα προαναφερθέντα κυκλώματα και εξετάζουμε την συνολική συμπεριφορά του. Οι προδιαγραφές αυτών των κυκλωμάτων επιτρέπουν την εφαρμογή τους στην βιοϊατρική, αφού εμφυτεύσιμα συστήματα, βίο-αισθητήρες και βοηθητικά ακοής επεξεργάζονται σήματα σχετικά χαμηλών συχνοτήτων με χαμηλή τάση τροφοδοσίας. / This diploma thesis forms a study on the design of analog circuits for biomedical applications. We focus on the realization of low voltage transconductors and Bulk-Driven current amplifiers. Like all the differential circuits, the designers’ main concern for a differential transconductor is its linearity and the parameters that affect it. We propose a low voltage transconductor based on Flipped Voltage Follower topology and we simulate it in order to study the range of the linearity, frequency response and its behavior in temporally varying sinusoidal signal. The Bulk-Driven current amplifier presented in this thesis takes advantage of all degrees of freedom of a MOS transistor biased in weak inversion and in saturation. The Bulk-Driven technique is widely used in the design of low voltage supply, because it has reduced demands on voltage and is independent of restrictions related to the threshold voltage. Moreover, Bulk-Driven transistors are maintained in saturation for negative, zero and even small positive values of the bias voltage VBS. Consequently, they can process large input common mode signals and signals with large swing voltage range, a property that could not be achieved with conventional circuit techniques at low power supply voltages. However, the transconductance of a Bulk –Driven transistor is smaller and is sensitive to noise. Another disadvantage of the Bulk-Driven technique is that the polarity of the transistor is process related. The gain of the Bulk-Driven current amplifier varies exponentially. This property is important and it is used widely in systems of automatic gain control where input signals can range several orders of magnitude. The specifications of these circuits allow their appliance in biomedicine, because implanted systems, biosensors and hearing aids process signals of relatively small frequencies with low voltage supply.

Τα αναλογικά φίλτρα στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου (Sinh-Domain filters) είναι μια οικογένεια φίλτρων συνεχούς χρόνου στην οποία γίνεται χρήση της Ι/V χαρακτηριστικής των ενεργών στοιχείων (BJT τρανζίστορ) για να επιτευχτεί γραμμική συμπεριφορά από είσοδο σε έξοδο. Τα Sinh-Domain φίλτρα συμπίεσης/αποσυμπιέσης προσφέρουν πλεονεκτήματα, όπως την ηλεκτρονική ρύθμιση, τη δυνατότητα λειτουργίας σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας και τη λειτουργία σε υψηλές συχνότητες. Στη παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία προτείνεται μια νέα μέθοδος σχεδίασης Sinh-domain φίλτρων που στηρίζεται στη κυματική μέθοδο. Αρχικά αναπτύσσονται τα κυματικά ισοδύναμα των παθητικών στοιχείων στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου χρησιμοποιώντας μια κοινή έως σήμερα λογική σχεδίασης η οποία έχει χρησιμοποιηθεί στη σχεδίαση κυματικών φίλτρων τόσο στο λογαριθμικό πεδίο (Log-Domain) όσο και στο πεδίο της τετραγωνικής ρίζας (Square Root-Domain). Έπειτα γίνεται χρήση των κυματικών ισοδυνάμων που πρόεκυψαν για να σχεδιαστούν ηλεκτρονικά φίλτρα τρίτης τάξης, των οποίων η λειτουργία εξομοιώνεται μέσω του Analog Design Environment του λογισμικού Cadence και με χρήση των μοντέλων των MOS transistor που παρέχονται από την τεχνολογία AMS 0.35μm. Στη συνέχεια προτείνεται μια νέα βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών ισοδυνάμων πρώτης και δεύτερης τάξης στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Τα βελτιωμένα κυματικά ισοδύναμα στηρίζονται σε μια νέα λογική σχεδίασης η οποία σκοπεύει στη μείωση των απαιτούμενων ενεργών στοιχείων και ως εκ τούτου στη μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος αλλά και στη προσθήκη της δυνατότητας εξωτερικά ελεγχόμενου προγραμματισμού της ηλεκτρονικής συμπεριφοράς των νέων κυματικών δίθυρων. Ακολουθεί ο σχεδιασμός ηλεκτρονικών φίλτρων χρησιμοποιώντας αυτή τη φορά τη νέα βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών διθύρων και η εξομοίωση της λειτουργίας αυτών με το Analog Design Environment του λογισμικού Cadence. Τέλος πραγματοποιείται συγκριτική μελέτη μεταξύ φίλτρων που σχεδιάστηκαν χρησιμοποιώντας την απλή και τη βελτιωμένη εκδοχή των κυματικών διθύρων σκοπό να διαπιστωθεί ο βαθμός βελτίωσης που επιτυγχάνεται. / Sinh-Domain companding filters are a family of continuous time filters that instead of being designed using locally linearized components, directly exploit the non-linear nature of a BJT transistor, in forward active region or MOS transistor in weak inversion in order to obtain a system with overall linear performance. This way they, exhibit high linearity even for large signal to bias ratios. In addition, they have some other interesting features like tunability, resistorless realizations and capability of operating under low power supply voltage. In this Master Thesis it is proposed a new method of designing Sinh-Domain filters which is based on the wave method. Initially the wave equivalents of passive components in the Sinh-Domain have been introduced, using the conventional approach as in the case of Log Domain and Square Root Domain filters. As design examples, low pass ,band pass and high pass filters have been designed and their performance have been evaluated using the Analog Design Environment of the Cadence software.MOS and Bipolar transistors models provided by AMS 0.35μm. BiCmos technology have been employed in simulation. Later, it is proposed a new improved version of wave equivalents of first and second order in the Sinh-Domain. This offer the following benefits: a)reduced active element count and hence reduced power consumption and b) capability of externally controlled programming for obtaining all the equivalents from the same core. As design examples, low pass, band pass and high pass filters have been designed and their performance have been evaluated using the Analog Design Environment of the Cadence software As a final step a performance among the proposed filter topologies has been performed in order to be evident the attractive characteristics offered by the proposed wave equivalents.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και σχεδίαση απευθείας ελέγχου πραγματικής και άεργου ισχύος σε αιολικό σύστημα με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (Doubly-Fed Induction Generator, DFIG). Κύριος σκοπός της εργασίας είναι η εξαγωγή ενός κατάλληλου δυναμικού μοντέλου του συστήματος, το οποίο περιέχει ως καταστάσεις τις ισχείς. Επιπλέον, μέσω του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό στην τάση του δικτύου (Voltage-Oriented Control, VOC) επιτυγχάνεται ο απευθείας έλεγχος των ισχύων χρησιμοποιώντας αναλογικό-ολοκληρωτικούς (Proportional-Integral, PI) ελεγκτές, επιβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο την επιθυμητή μεταβατική συμπεριφορά. Τελικά, η ανάλυση και η συμπεριφορά του αιολικού συστήματος επιβεβαιώνεται με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης σε περιβάλλον MATLAB/Simulink. Ειδικότερα, στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται το ενεργειακό πρόβλημα και τα διάφορα είδη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται τα συστήματα αιολικής ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, περιγράφονται οι κυριότεροι τύποι ανεμογεννητριών και η δομή της, οι γεννήτριες και οι συσκευές ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται σε ένα αιολικό σύστημα, καθώς και ο μηχανικός έλεγχος ισχύος που μπορεί να εφαρμοστεί. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 3 πραγματοποιείται η ανάλυση του αιολικού συστήματος με την DFIG όπου εξάγεται με την βοήθεια του μετασχηματισμού Park, το ζητούμενο μαθηματικό μοντέλο. Έπειτα, στο κεφάλαιο 4 αναφέρονται οι μέθοδοι ελέγχου που χρησιμοποιούνται στις ανεμογεννήτριες, εφαρμόζεται ο VOC στο αιολικό σύστημα που μελετάται και σχεδιάζονται οι απαιτούμενοι ελεγκτές PI ώστε να ελεγχθεί η ισχύς μέσω των δύο μετατροπέων ισχύος. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η εξομοίωση του συστήματος και τα αποτελέσματα που προέκυψαν. / This diploma thesis deals with the analysis and design of a direct active and reactive power control system for a Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) wind power system. The main purpose of this thesis is to extract a suitable dynamic model of the system that contains as states the active and reactive power. In addition, the direct control of the active and reactive power is achieved through voltage-oriented control (VOC) and the use of PI controllers, imposing the desirable transient behavior. Finally, the analysis and the performance of the wind system are verified through simulation results in MATLAB/Simulink. Specifically, in chapter 1 the energy problem and the different types of renewable energy sources are presented. The second chapter deals with the wind energy systems. In particular, the main types and the structure of wind turbines, the generators, the power electronic devices and the mechanic power control used in a wind power system are presented. Then, in chapter 3 the DFIG wind system is analysed and the required mathematical model is extracted using Park’s transformation. Next, in the fourth chapter the control methods for a wind turbine are presented and, using the VOC in the wind power system studied, the required PI controllers for the two power converters are designed. Finally, in chapter 5 the simulation results are presented and conclusions are drawn.

Οι μετατροπείς της ενεργούς τιμής σήματος σε συνεχές είναι βαθμίδες με ευρεία εφαρμογή σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα και σε βιοϊατρικά συστήματα. Στην εργασία αυτή, προτείνεται μια νέα γενική τοπολογία μετατροπέα ενεργούς τιμής σήματος σε συνεχές, η οποία λειτουργεί στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Κύρια πλεονεκτήματα είναι η δυνατότητα λειτουργίας σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας και η δυνατότητα επεξεργασίας σημάτων πολύ μεγαλύτερων της πόλωσης. Η εξομοίωση της λειτουργίας του κυκλώματος έγινε με τη χρήση του λογισμικού Analog Design Environment της Cadence. / Rms to DC converters, are stages with wide range of applications in telecommunication and biomedical systems. In this project, a new rms to dc converter topology is proposed, operating in sinh domain. Main advantages are the ability to operate in low voltage and the ability to process signals larger than bias. The circuit was simulated using Cadence Analog Design Environment software.

Οι ηλεκτρονικοί αρμονικοί ταλαντωτές είναι βαθμίδες με ευρεία εφαρμογή σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα, σε συστήματα επεξεργασίας σήματος και σε ηλεκτρονικά ισχύος. Στην εργασία αυτή, προτείνεται μια νέα γενική τοπολογία ταλαντωτή πολλαπλών φάσεων, η οποία λειτουργεί στο πεδίο του υπερβολικού ημιτόνου. Κύρια πλεονεκτήματα είναι η δυνατότητα λειτουργίας σε περιβάλλον χαμηλής τάσης τροφοδοσίας και η ηλεκτρονική ρύθμιση της συμπεριφοράς του ταλαντωτή. Ως παράδειγμα σχεδίασης δίνεται ένας αρμονικός ταλαντωτής πολλαπλών φάσεων εξόδου 3ης/6ης τάξης, που η εξομοίωση της λειτουργίας του έγινε με τη χρήση του λογισμικού Analog Design Environment της Cadence. / Electronic harmonic oscillators are stages with wide application in telecommunication systems, in signal processing systems and power electronics. In this project, a new multiphase oscillator topology is proposed, designed to operate in sinh domain. Main advantages are the ability to operate at low voltage and the electronic tuning of the oscillator’s behavior. A multiphase sinusoidal oscillator, 3rd/6th order, is given as an example. The validity of the proposed methods is verified through simulation results using the Cadence Analog Design Environment software.

Αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η σχεδίαση ενός ενισχυτή χαμηλής τάσης τροφοδοσίας για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων σε βηματοδότες. Οι επιταγές της σύγχρονης τεχνολογίας για τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι η χαμηλή κατανάλωση ισχύος, η χρήση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, η μείωση του κόστους παραγωγής, οι όλο και μικρότερες διαστάσεις των transistors και ταυτόχρονα υψηλές επιδόσεις. Η χρήση όμως της χαμηλής τάσης τροφοδοσίας αποτελεί πρόκληση από σχεδιαστικής άποψης, για την ταυτόχρονη μείωση της κατανάλωσης ισχύος χωρίς να υποβαθμίζεται η ποιότητα του σήματος. Αυτό το πρόβλημα λύνουν μέθοδοι όπως η σχεδίαση στο πεδίο του λογαρίθμου. Τα συστήματα στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain systems) αποτελούν υποκατηγορία των συστημάτων συμπίεσης – αποσυμπίεσης (companding systems) και ανήκουν στα ELIN (Externally Linear Internaly Non-linear) συστήματα. Τα πλεονεκτήματα των συστημάτων στο πεδίο του λογαρίθμου είναι η μεγάλη δυναμική περιοχή (Dynamic Range), η δυνατότητα επεξεργασίας μεγάλων σημάτων (large signal), καθώς και η λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τροφοδοσίας. Υλοποιώντας φίλτρα στο πεδίο του λογαρίθμου προσφέρονται ελκυστικά χαρακτηριστικά όπως η ηλεκτρονική ρύθμιση της συχνότητας αποκοπής ή κεντρικής συχνότητας (electronic tuning) και η σχεδίαση χωρίς παθητικές αντιστάσεις (resistorless realization). Η καρδιά είναι ένα περίπλοκο σύστημα το οποίο φροντίζει για την κυκλοφορία του αίματος στο σώμα. Το έναυσμα για την εκκίνηση κάθε καρδιακού κύκλου προέρχεται από ένα ηλεκτρικό σήμα το οποίο ξεκινάει από το φλεβοκόμβο και διαδίδεται στο υπόλοιπο μυοκάρδιο, για να ξεκινήσει ένας νέος καρδιακός κύκλος. Σε ορισμένες περιπτώσεις η καρδιά δεν λειτουργεί σωστά και το ρόλο του φλεβοκόμβου έρχεται να καλύψει το ηλεκτρονικό σύστημα του βηματοδότη, το οποίο ανιχνεύει το καρδιακό σήμα και όταν κριθεί απαραίτητο εφαρμόζει την κατάλληλη θεραπεία με ηλεκτρικές ώσεις. Για την βελτίωση της ποιότητας ζωής ασθενών με καρδιακά προβλήματα ένας βηματοδότης πρέπει να έχει όσο δυνατόν μικρότερο μέγεθος και μεγαλύτερη αυτονομία. Η πρόοδος της τεχνολογίας αποζητά τη σχεδίαση ενός συστήματος ενισχυτή για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων πλέον ικανό να ανταπεξέλθει στη χαμηλή τάση τροφοδοσίας και να έχει μεγάλη αυτονομία λειτουργίας για την εισαγωγή του π.χ. σε ένα βηματοδότη. Το σύστημα που προτείνεται σε αυτή τη Διπλωματική Εργασία έχει ως σκοπό να εκπληρώσει τις ανάγκες αυτές χρησιμοποιώντας κυκλώματα τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας και ταυτόχρονα να μειώνουν την κατανάλωση ισχύος. Η υλοποίηση των κυκλωμάτων μόνο με CMOS transistors στην περιοχή υποκατωφλίου, εκτός του γεγονότος ότι μειώνει το κόστος παραγωγής καθώς δεν χρησιμοποιούνται BJT transistors, προσφέρει λόγω της τεχνικής σχεδίασης στο πεδίο του λογαρίθμου και μεγάλη δυναμική περιοχή. Για την τεχνολογία 0.35μm της AMS επιτυγχάνεται λειτουργία σε περιβάλλον με 0.5V τάση τροφοδοσίας και κατανάλωση ισχύος της τάξης των 2.92nW. Ο ενισχυτής για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων που προτείνεται, περιλαμβάνει ένα ζωνοπερατό φίλτρο σχεδιασμένο στο πεδίο του λογαρίθμου και τα κυκλώματα απόλυτης τιμής, μετατροπής της ενεργής τιμής σήματος σε σταθερό ρεύμα και συγκριτή ρεύματος. / This M.Sc Thesis deals with the design of a low voltage cardiac sense amplifier for pacemakers. The demands of modern technology for integrated circuits are low power consumption, ultra low power supply voltage, reduction of the production cost and high performance. Due to the fact that the use of low power supply voltage is a design challenge, the employment of the Log-Domain filter technique is an attractive solution for realizing high-performance analog processing systems. Log-Domain systems are a sub-category of compading (compressing/expanding) systems and belong to ELIN (Externally Linear Internaly Non-linear) systems. The advantages of Log-Domain systems are large dynamic range, handling of signals with relatively large amplitude, realization in a low-voltage environment, electronic tuning of their frequency characteristics and resistorless realizations. The heart is a complex system that takes care of blood circulation for the whole body. The trigger to commence the cardiac cycle is an electric signal which starts from the sinus node and expands to the rest of the myocardium in order for a new cardiac cycle to set off. In some cases, the heart does not function properly and the role of the sinus node is taken by a pacemaker, who senses the cardiac signal and when it is judged, it cures the problem with an electric pulse. In order to improve the patient’s quality of life a pacemaker has to be small in size and a prolonged battery life. Technological evolution and market demands have led to a demand for a design of a cardiac sense amplifier capable of coping with low power supply voltage and long battery life. The proposed system of this M.Sc thesis is meant to fulfill these needs by using circuits capable of functioning in a low power supply voltage environment as well as reducing power consumption. Implementing those circuits solely with CMOS transistors in the sub -threshold region, not only does it reduce the production cost since no BJT transistors are used but also it offers a large dynamic range due to the design of the circuits. For the AMS 0.35μ CMOS process of by the system functions for a power supply voltage of 0.5V while it dissipates 2.92nW. The proposed cardiac sense amplifier consists of a bandpass Log-Domain filter and circuits like an absolute value circuit, an rms-dc current converter circuit and a current comparator, which were carefully designed in order to follow the demands of modern technology and achieve the goal of low power dissipation.

Η διατριβή αυτή επικεντρώθηκε στη διερεύνηση της λειτουργίας των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τοπολογίας μήτρας (matrix converters) και, ειδικότερα, των άμεσων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας. Ο άμεσος μετατροπέας τοπολογίας μήτρας με τρία σκέλη αποτελείται από 18 τρανζίστορ ισχύος και 18 διόδους ισχύος και χρησιμοποιείται για τη μετατροπή μίας τριφασικής εναλλασσόμενης τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη τάση στην έξοδό του, με δυνατότητες ρύθμισης του πλάτους και της συχνότητας της τάσης εξόδου, διαμόρφωσης του ρεύματος εισόδου, ρύθμισης του συντελεστή ισχύος στην είσοδο και αμφίδρομης ροής ισχύος. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε ένα στάδιο, χωρίς ενδιάμεσο στάδιο συνεχούς τάσης (ή συνεχούς ρεύματος), με αποτέλεσμα την αποφυγή χρήσης πυκνωτών μεγάλης χωρητικότητας και πηνίων μεγάλης επαγωγιμότητας. Οι μετατροπείς τοπολογίας μήτρας χαρακτηρίζονται από υψηλούς βαθμούς απόδοσης, υψηλές πυκνότητες ισχύος και πολύ μεγάλους λόγους ισχύος προς μάζα, ενώ το αρμονικό περιεχόμενο της τάσης εξόδου και του ρεύματος εισόδου αυτών είναι μικρό. Η πολυπλοκότητα αυτών των μετατροπέων είναι υψηλή και η δυσκολία υλοποίησής τους σημαντική. Η διερεύνηση των άμεσων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας στα πλαίσια της παρούσας διατριβής εστιάστηκε κυρίως στην ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης σφαλμάτων ανοικτοκυκλώματος που συμβαίνουν στο μετατροπέα, καθώς και στην ανάπτυξη μεθόδων παλμοδότησης αυτών που βασίζονται στη χρήση φορέα για την κανονική και επανορθωτική τους λειτουργία. Η διατριβή αυτή περιλαμβάνει οκτώ κεφάλαια, το περιεχόμενο των οποίων περιγράφεται ακολούθως. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία εισαγωγή στους στόχους και τη διάρθρωση της παρούσας διατριβής. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μία εισαγωγή στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση μεταβλητής συχνότητας και πλάτους. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή και η σύγκριση διαφόρων μετατροπέων τοπολογίας μήτρας, καθώς και η περιγραφή των συμβατικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται για την ίδια μετατροπή τάσης και η σύγκριση τους με τις δύο βασικότερες παραλλαγές των μετατροπέων τοπολογίας μήτρας. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι μέθοδοι που εφαρμόζονται για τον έλεγχο του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Συγκεκριμένα, περιγράφονται και συγκρίνονται διάφορες μέθοδοι παλμοδότησης που χρησιμοποιούνται σε αυτούς τους μετατροπείς, καθώς και οι βασικότερες μέθοδοι μετάβασης του ρεύματος. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή μίας νέας μεθόδου παλμοδότησης με τη χρήση φορέα που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής και οδηγεί σε μειωμένες διακοπτικές απώλειες για χρήση στην περίπτωση που ο επιθυμητός λόγος μεταφοράς τάσης είναι μικρότερος ή ίσος του 50%. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται ο άμεσος μετατροπέας τοπολογίας μήτρας που σχεδιάσθηκε και κατασκευάσθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και τα υπόλοιπα στοιχεία της πειραματικής διάταξης. Επιπρόσθετα, παρατίθενται ορισμένα αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών που αφορούν τη λειτουργία επιμέρους τμημάτων του μετατροπέα. Στο Κεφάλαιο 5, αρχικώς, γίνεται μία σύντομη περιγραφή του μοντέλου του υπό μελέτη συστήματος στο περιβάλλον του λογισμικού Matlab/Simulink, παρατίθενται οι τιμές διαφόρων παραμέτρων αυτού και παρουσιάζονται και σχολιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων της κανονικής λειτουργίας του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Επιπρόσθετα, περιγράφεται μία μέθοδος διανυσματικού ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής μίας ασύγχρονης μηχανής τροφοδοτούμενης από άμεσο μετατροπέα τοπολογίας μήτρας και παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων της λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται και σχολιάζονται αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών της κανονικής λειτουργίας του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας. Στο Κεφάλαιο 6 εξετάζονται τα πιθανά σφάλματα στον άμεσο μετατροπέα τοπολογίας μήτρας και παρουσιάζονται αναλυτικά οι μέθοδοι διάγνωσης σφαλμάτων ανοικτοκυκλώματος και εντοπισμού ανοικτοκυκλωμένων τρανζίστορ σε αυτόν το μετατροπέα που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Περιγράφονται, επίσης, ορισμένες τεχνικές επεξεργασίας σήματος και στοιχεία της θεωρίας των ασαφών έμπειρων συστημάτων, τα οποία χρησιμοποιούνται στις μεθόδους διάγνωσης που προτάθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 7 περιγράφονται τοπολογίες και μέθοδοι παλμοδότησης για την επανορθωτική λειτουργία κινητηρίων συστημάτων με άμεσους μετατροπείς τοπολογίας μήτρας μετά την εμφάνιση σφαλμάτων στο μετατροπέα. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνεται η περιγραφή δύο μεθόδων παλμοδότησης με χρήση φορέα για την επανορθωτική λειτουργία του άμεσου μετατροπέα τοπολογίας μήτρας μετά από ένα σφάλμα ανοικτοκυκλώματος, μία για το μετατροπέα με πρόσθετο (τέταρτο) σκέλος και μία για το μετατροπέα χωρίς πρόσθετα στοιχεία, που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8 επισημαίνεται η συμβολή της παρούσας διδακτορικής διατριβής στην έρευνα σχετικά με τους Μ.Τ.Μ., ανακεφαλαιώνονται τα αποτελέσματα αυτής και αναφέρονται σημεία που μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο επιστημονικής έρευνας στο μέλλον. / This thesis was focused on the research in the matrix converters domain and, particularly, in direct matrix converters. The 3-leg direct matrix converter consists of 18 power transistors and 18 power diodes and is used for the conversion of a three-phase AC voltage to a three-phase AC voltage of variable amplitude and variable frequency. This topology is also capable of modulating the input current and adjusting the input power factor, whereas bidirectional power flow is allowed. This conversion is achieved in one stage with the direct connection of the input phases with the output phases, without using an intermediate DC link stage, resulting in elimination of the use of large capacitors and large inductors. The use of the matrix topology in power converters results in high efficiency, high power density and very high power-to-mass ratio, whereas the harmonic distortion of the output voltage and the input current is low. The complexity of the matrix converters is high resulting in significant implementation effort. In this thesis, the research in direct matrix converters was focused mainly on the development of diagnosis methods for open-circuit faults that arise in the matrix topology, as well as the development of carrier-based modulation methods for the normal and remedial operation of these converters. This thesis contains eight chapters, the content of which is described below. In Chapter 1 an introduction and a brief description of the aims and the structure of this thesis are provided. In Chapter 2 an introduction to the AC-AC power converters used for the modulation of an output voltage of variable amplitude and variable frequency is provided. A description and a comparison of various matrix converter topologies, a description of the conventional topologies used for the same voltage conversion and a comparison of the latter with the two most popular matrix topologies are included in this chapter. In Chapter 3 the methods required for the control of the direct matrix converter are presented. In detail, various modulation methods are described and compared and the most significant commutation methods are presented. In this chapter a novel carrier-based modulation method that was proposed in this work is also described which results in reduced switching losses for use in cases that the required voltage transfer ratio is up to 50%. In Chapter 4 the direct matrix converter that was designed and constructed in this work is presented and other parts of the experimental setup are described. Additionally, some experimental results related to the operation of matrix converter parts are provided. In Chapter 5 a brief description of the studied system’s model that was created using the Matlab/Simulink software is provided, the value of various parameters of this model is given and simulation results of the normal (healthy) operation of the matrix converter are presented and commented. Additionally, a vector control method for the speed control of an induction machine fed by a matrix converter is described and simulation results of its operation are demonstrated. Finally, experimental results of the normal operation of the matrix converter are presented and commented. In Chapter 6 the possible faults in direct matrix converters are studied and the methods to detect open-circuit faults and the open-circuited transistors localization method that were developed in this work are presented. Additionally, a description of signal processing methods and the basic theory of fuzzy inference systems, which are used by the proposed diagnosis methods, are included. In Chapter 7 topologies and modulation methods used for the remedial operation of the direct matrix converter after the occurrence of a fault are presented. In this chapter two carrier-based modulation methods for the remedial operation of the direct matrix converter after an open-circuit fault occurrence that were developed in this work are also described, one for the case of using a redundant (fourth) leg and one for the case of not using any redundant switches. In Chapter 8 the contribution of this thesis to the research in the matrix converters domain is highlighted, its additional results are noted and subjects of possible future work are provided.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζεται στον χώρο των Φ/Β πλαισίων εναλλασσομένου ρεύματος (AC-PV Modules) με μετατροπείς δύο βαθμίδων, και πιο συγκεκριμένα σε μετατροπείς Σ.Τ. – Σ.Τ με τους οποίους επιτυγχάνεται ανύψωση της τάσης και μπορούν να αποτελέσουν την πρώτη από τις δύο βαθμίδες. Τρεις είναι οι κύριοι στόχοι: A)Η εύρεση της καταλληλότερης επιλογής για την πρώτη βαθμίδα της διάταξης σύνδεσης ενός Φ/Β πλαισίου στο μονοφασικό δίκτυο χαμηλής τάσης. B)Ο βέλτιστος σχεδιασμός και η επιλογή του κατάλληλου Πολλαπλασιαστή Τάσης. C)Ο βέλτιστος σχεδιασμός της μονάδας ανύψωσης τάσης, η οποία αποτελεί την πρώτη βαθμίδα, μιας διάταξης δύο βαθμίδων, για τη σύνδεση Φ/Β πλαισίου με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Η μελέτη των τυπικών επιπέδων τάσης που εμφανίζονται σε διατάξεις διασύνδεσης δύο βαθμίδων απέδειξε την ανάγκη σχεδιασμού μετατροπέων Σ.Τ.-Σ.Τ. με υψηλά κέρδη τάσης, τα οποία δεν μπορούν να προσφέρουν οι κλασσικοί μετατροπείς. Το γεγονός αυτό αποτέλεσε το έναυσμα για τη διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς των Πολλαπλασιαστών Τάσης και εστιάσθηκε στην εξαγωγή νέων απλών και ακριβέστερων μαθηματικών σχέσεων για τη λειτουργία τους, στον ορισμό και την υλοποίηση του βέλτιστου σχεδιασμού και τέλος στη βέλτιστη επιλογή των στοιχείων του κυκλώματος. Για τον καλύτερο δυνατό σχεδιασμό του ανυψωτή τάσης διεξάγεται τεκμηριωμένη σύγκριση μεταξύ διαφόρων δημοφιλών τοπολογιών Πολλαπλασιαστών Τάσης, καθώς και της μορφής της τάσης που θα τον τροφοδοτεί. Η εκτεταμένη έρευνα καταλήγει στην εφαρμογή θετικής παλμικής τάσης εισόδου, με τη χρήση μιας παραλλαγής του μετατροπέα Boost (Mod Boost), ενώ επικρατέστερος Πολλαπλασιαστής Τάσης είναι μία παραλλαγή του Half-Wave Cockcroft-Walton με πυκνωτή εξομάλυνσης (Modified Half-Wave Cockcroft-Walton with Smoothing Capacitor). Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής προτείνεται επιπλέον ένας νέος επαναληπτικός αλγόριθμος, ο οποίος συνδυάζει επιτυχώς θεωρητικές εξισώσεις και προσομοίωση, έχοντας ως στόχο το βέλτιστο σχεδιασμό του σύνθετου ανυψωτή τάσης, ο οποίος ονομάστηκε “Mod Boost – Mod H-W C-W SC VM” και συνίσταται από τον τροποποιημένο μετατροπέα Boost και τον προαναφερθέντα Πολλαπλασιαστή Τάσης. Τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω της προσομοίωσης και της σύγκρισης με κατάλληλα εργαστηριακά πρωτότυπα. / The current PhD thesis focuses on the field of AC PV Modules using Dual-Steps Inverters and more specifically on DC-DC Converters that are voltage boosters and can act as the first one of the two stages of the inverter. Three goals are accomplished in this work: A)The optimum choice of the topology for the first stage of a dual steps inverter of an AC-PV Module connected to the single-phase low voltage utility grid. B)The optimum choice and design of the Voltage Multiplier. C)The optimum design of the first stage of a dual steps inverter of an AC-PV Module. The analysis of the typical voltage levels at the dual steps topologies turns the research interest to DC-DC Converters with voltage gain (more than 20) higher than what is typical for the classical topologies. Based on that, a theoretical analysis is held on Voltage Multipliers according to which the crucial magnitudes are highlighted and new, simple and accurate formulas are extracted, which describe the operation of the voltage multipliers. Moreover theoretical supported choices about the capacitances in every stage are suggested, an optimum design is determined and for its implementation new accurate easy-to-use formulas are extracted. For an optimal design of the voltage booster, well established comparisons are made between popular types of voltage Multipliers and voltage triggering sources. The intensive research leads to the use of a positive voltage pulsing source that is generated by a modified Boost converter (Mod Boost Converter). Moreover a modified Half-Wave Cockcroft-Walton with Smoothing Capacitor VM is set as the best choice among the studied Voltage Multipliers. Furthermore, a novel iterative optimum design algorithm is introduced, which uses both the theoretical equations of a VM optimum design and a simulation software, so as to make feasible an optimum design of the novel DC-DC Converter. The new converter, named Mod Boost – Mod H-W C-W SC VM, results from the series connection of the modified converters Boost and Half Wave Cockcroft Walton with Smoothing Capacitor VM. Finally, the conclusions and the theoretical analysis of this work are validated by PSPICE simulations and experimental results, extracted by measurements on laboratory prototypes.

Πολλοί περιβαλλοντικοί παράγοντες μελετώνται εδώ και δεκαετίες για τις επιπτώσεις τους στο νευρικό σύστημα. Περιβαλλοντικοί παράγοντες όπως ο μόλυβδος (Pb) έχει δειχθεί ότι εμπλέκονται στην παθοφυσιολογία ασθενειών όπως η νόσος Alzheimer προκαλώντας νευροεκφύλιση σε ενήλικους αλλά και αναπτυσσόμενους οργανισμούς. Το περιβάλλον όμως είναι επιπλέον πλούσιο σε προστατευτικούς παράγοντες όπως τα εκχυλίσματα διαφόρων φυτών της ελληνικής επικράτειας τα οποία μάλιστα αποτελούν και σημαντική πηγή εσόδων σε περιπτώσεις όπως του κρόκου της Κοζάνης. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση της επίδρασης της πόσης μολύβδου (500ppm) για 14 και 28 ημέρες, η πόση αφεψήματος του φυτού Crocus sativous για 28 ημέρες και η χορήγησή τους σε σειρά για 14 και 14 μέρες αντίστοιχα, από ενήλικους αρσενικούς μύες. Συγκεκριμένα διερευνήθηκαν οι συμπεριφορικές καταστάσεις άγχος/φόβος και τάση για κατάθλιψη καθώς και οι βιοχημικοί δείκτες ενεργότητα της ακετυλοχολινεστεράση (AChE), συγκέντρωση της γλουταθειόνης (GSH) και υπεροξείδοση των λιπιδίων μέσω της συγκέντρωσης της μηλονικής διαλδεΰδης (MDA). Αναλυτικά, οι συμπεριφορικές καταστάσεις άγχος φόβος μελετήθηκαν με τη χρήση των δοκιμασιών του υπερυψωμένου λαβυρίνθου και του θιγμοτακτισμού και η επαγωγή καταθλιπτικής τάσης με τη χρήση της δοκιμασίας της εξαναγκασμένης κολύμβησης. Η ενεργότητα του ενζύμου AChE μετρήθηκε με τη χρήση της χρωματομετρικής μεθόδου του Ellman σε διαλυτό σε άλας κλάσμα (SS) [περιέχει κυρίως την G1 ισομορφή του ενζύμου] και διαλυτό σε απορρυπαντικό κλάσμα (DS) [περιέχει κυρίως την G4 ισομορφή του ενζύμου] του ιστού. Η συγκέντρωση της γλουταθειόνης προσδιορίστικέ με τη φθορισμομετρική μέθοδο των Mokrasch LC. & Teschke EJ. (1984), η οποία βασίζεται στο σχηματισμό φθορίζοντος συμπλόκου μετά την αντίδραση της ο- φθαλαλδεΰδης με την γλουταθειόνη και ιστιδυλ- ενώσεις. Τέλος η υπεροξείδωση των λιπιδίων μελετήθηκε μέσω της μηλονικής διαλδεΰδης (MDA), η οποία αποτελεί το κύριο προϊόν της υπεροξείδωσης των πολυακόρεστων λιπαρών οξέων. Ο προσδιορισμός της έγινε φθορισμομετρικά λόγω του συμπλόκου που δημιουργείται όταν η ίδια αντιδρά με το θειοβαρβιτουρικό οξύ. Οι παραπάνω μελέτες έγιναν στους ιστούς φλοιός, παρεγκεφαλίδα, μεσεγκέφαλος, ιππόκαμπος, ραβδωτό και ήπαρ ενήλικων αρσενικών μυών. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι το βάρος των πειραματοζώων δεν επηρεάζεται κατά τη διάρκεια του χειρισμού, η πόση του Pb για 28 και 14 ημέρες προκάλεσε αγχογενή συμπεριφορά και επαγωγή του φόβου στα πειραματόζωα καθώς και επαγωγή καταθλιπτικής τάσης. Η χορήγηση του κρόκου στους μύες μάρτυρες σχετίζεται με αγχολυτική δράση αλλά όχι με αντικαταθλιπτική δράση. Αντικαταθλιπτική του δράση παρατηρείται μόνο στην περίπτωση που ακολούθησε τη χορήγηση του μολύβδου για 14 ημέρες. Επίσης η χορήγηση Pb προκάλεσε αναστολή της ενερότητας και των δύο ισομορφών του ενζύμου με ιστοειδικό τρόπο, η πόση του αφεψήματος του φυτού οδήγησε σε θετική δράση σε σχέση με την ενεργότητά του τόσο όταν χορηγήθηκε μόνο του όσο και κατά τη χορήγηση του μετά από το Pb (με ιστοειδικό τρόπο δράσης). Αξίζει να σημειωθεί ότι η δράση του μολύβδου μπορεί να είναι άμεση προκαλώντας νευροεκφύλιση είτε έμμεση επεμβαίνοντας σε διάφορα μεταβολικά μονοπάτια που επειρεάζουν την ενεργότητα του ενζύμου. Αναφορικά με τη συγκέντρωση της γλουταθειόνης ο μόλυβδος όταν χορηγήθηκε έδρασε ιστοειδικά, προκαλώντας μείωση της ενεργότητας του ενζύμου ενώ δεν παρατηρήθηκε δράση του φυτικού αφεψήματος επι του ενζύμου. Τέλος η υπεροξείδωση των λιπιδίων αυξήθηκε ιστοειδικά από την χορήγηση του Pb ενώ αντίθετα περιορίστηκε από την πόση του αφεψήματος με επίσης ιστοειδικό τρόπο. Συνοψίζοντας, στην παρούσα εργασία παρατηρήθηκε αρνητική δράση του μολύβδου σε συμπεριφορικό και βιοχημικό επίπεδο, θετική δράση του κρόκου στις παραπάνω διεργασίες καθώς επίσης θετική δράση κατά περίπτωση και της σε σειρά χορήγησης του αφεψήματος κρόκου μετά από χορήγηση μολύβδου. / Various environmental factors have been studied decades ago due to their effects on nervous system. It has been shown that lead (Pb) is implicated in the pathophysiology of diseases such as Alzheimer’s disease, resulting in neurodegeneration in adult and developing organisms. Also, the environment is rich in protective agents, such as various plant extracts of the Greek flora (e.g. Greek saffron which is cultivated at Kozani region in northern Greece) that present simultaneous financial interest. Aim of the present study was to investigate the effects of oral administration of lead (500ppm) for 14 and 28 days, Crocus sativous infusion for 28 days and lead (for 14 days) plus Crocus sativous infusion (for 14 days), in adult male mice. Briefly, behavioral parameters of anxiety/fear and depression-like and acetylcholinesterase (AChE) activity, glutathione (GSH) and lipid peroxidation (malondialdehyde, MDA) levels, were evaluated. In detail, anxiety/fear and depression-like behavior were assessed by using the elevated plus maze and thigmotaxis tests and forced swimming test, respectively. AChE activity was determined in salt soluble (SS) [contains mainly G1 isoform of the enzyme] and detergent soluble (DS) [contains mainly the G4 isoform of the enzyme] fractions of tissue homogenates, by Ellman’s colorimetric method. Glutathione content was measured fluorometrically according to the procedure of Mokrasch LC. & Teschke EJ. (1984), which is based on the formation of a fluorescent complex after reaction with o-phthalaldehyde and histidyl compounds. Also, lipid peroxidation levels were determined fluorometrically by measuring malondialdehyde (MDA) concentration after its reaction with thiobarbituric acid, as MDA is the main product of polyunsaturated fatty acid peroxidation. The biochemical assessments were performed in cortex, cerebellum, midbrain, hippocampus, striatum and liver of adult male mice. Our results showed that there were no effects on mouse body weight during the experimental period and Pb intake for 28 and 14 days induced anxiety/fear and depression-like behavior. Saffron administration to control mice is associated with anxiolytic but not antidepressant efficacy. Antidepressant effects of saffron were observed only in mice pre-treated with lead for 14 days. Also, Pb intake caused inhibition of both AChE isoforms’ activity and saffron infusion that was administered either alone or under Pb toxicity, beneficially affected enzyme activity, in a tissue-specific way. It should be noticed that lead may act directly, inducing neurodegeneration or indirectly, interfering with various metabolic pathways that influences AChE activity. Moreover, Pb intake reduced glutathione content in a tissue-specific way, while no effect was observed after saffron administration. Finally, lipid peroxidation levels were increased and decreased tissue specifically, after Pb and saffron administration, respectively. Conclusively, the current study presents adverse effects of lead on behavioral and biochemical parameters and beneficial effects of saffron infusion when it was administered either alone or under Pb toxicity.