<p>The purpose of this degree project was to build laboratory equipment for a new course in power electronics that starts this autumn 2010 at Uppsala University. The equipment is intended for student labs and it covers the most important areas of the course including rectifying, buck-/boost-converters and PWM-modulation. It is built as one sealed unit where all the electronics are built-in but visible and it has a connection board where students safely can connect the different circuits. The project has advanced from theoretical studies of circuit design, choosing of components and simulations to drawing the printed circuit board (PCB), soldering, case building, final testing and troubleshooting - basically most steps from an early idea to a final product. Measurements on the final product gave about the same results as the earlier simulations of the circuits and the result is overall satisfying.</p> / <p>Syftet med det här examensarbetet var att bygga laborationsutrustning till en ny kurs i kraftelektronik som börjar hösten 2010 på Uppsala Universitet. Utrustningen är avsedd för studentlaborationer och den täcker de viktigaste delarna av kursen inklusive likriktning, buck-/boost-omvandlare och pulsbreddsmodulering (PWM). Laborationsutrustningen är byggd som en sluten enhet där all elektronik är inbyggd men synlig och den har en kopplingsplatta där studenterna säkert kan koppla ihop olika kretsar. Projektet har sträckt sig från teoretiska studier inklusive kretsdesign, komponentval och simuleringar till ritande av kretskortet (PCB-kortet), lödning, byggande av höljet, sluttestning och felsökning - i huvudsak de flesta stegen från en tidig idé till en färdig produkt. Mätningar på den färdiga produkten är ganska lika de tidigare simuleringarna av kretsarna och resultatet är totalt sett tillfredställande.</p>

The purpose of this degree project was to build laboratory equipment for a new course in power electronics that starts this autumn 2010 at Uppsala University. The equipment is intended for student labs and it covers the most important areas of the course including rectifying, buck-/boost-converters and PWM-modulation. It is built as one sealed unit where all the electronics are built-in but visible and it has a connection board where students safely can connect the different circuits. The project has advanced from theoretical studies of circuit design, choosing of components and simulations to drawing the printed circuit board (PCB), soldering, case building, final testing and troubleshooting - basically most steps from an early idea to a final product. Measurements on the final product gave about the same results as the earlier simulations of the circuits and the result is overall satisfying. / Syftet med det här examensarbetet var att bygga laborationsutrustning till en ny kurs i kraftelektronik som börjar hösten 2010 på Uppsala Universitet. Utrustningen är avsedd för studentlaborationer och den täcker de viktigaste delarna av kursen inklusive likriktning, buck-/boost-omvandlare och pulsbreddsmodulering (PWM). Laborationsutrustningen är byggd som en sluten enhet där all elektronik är inbyggd men synlig och den har en kopplingsplatta där studenterna säkert kan koppla ihop olika kretsar. Projektet har sträckt sig från teoretiska studier inklusive kretsdesign, komponentval och simuleringar till ritande av kretskortet (PCB-kortet), lödning, byggande av höljet, sluttestning och felsökning - i huvudsak de flesta stegen från en tidig idé till en färdig produkt. Mätningar på den färdiga produkten är ganska lika de tidigare simuleringarna av kretsarna och resultatet är totalt sett tillfredställande.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται αφ’ ενός μεν τη μελέτη και προσομοίωση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένο στο δίκτυο χαμηλής τάσης, αφ’ ετέρου δε την υλοποίηση του βρόχου ελέγχου ενός τμήματος του συστήματος αυτού. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη ενός αιολικού συστήματος το οποίο συγκροτείται από μια ανεμογεννήτρια με σύγχρονη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών, στην έξοδο της οποίας συνδέονται κατά σειρά μια μη ελεγχόμενη ανορθωτική γέφυρα με διόδους, ένας μετατροπέας τύπου Boost για την ανύψωση και σταθεροποίηση της τάσης, ένας μονοφασικός αντιστροφέας με ένα φίλτρο στην έξοδό του και ένας μονοφασικός μετασχηματιστής για την κατάλληλη ανύψωση της τάσης και τη σύνδεση με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στη μελέτη και λειτουργία κλειστού βρόχου του μετατροπέα Boost. Αρχικά, γίνεται μία γενική αναφορά πάνω στις εφαρμογές των αιολικών συστημάτων και την προβλεπόμενη εισχώρησή τους στο ενεργειακό ισοζύγιο, ενώ παρουσιάζονται και οι δύο βασικές μέθοδοι λειτουργίας των συστημάτων μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική, οι οποίες είναι η λειτουργία σταθερών στροφών-σταθερής συχνότητας και η λειτουργία μεταβλητών στροφών-σταθερής συχνότητας Στη συνέχεια, αναλύεται η λειτουργία του απλού μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή τύπου Boost. Μελετάται η λειτουργική συμπεριφορά του τόσο στη περιοχή Συνεχούς Αγωγής (CCM) όσο και στη περιοχή Ασυνεχούς Αγωγής (DCM), καθώς και στην οριακή περιοχή μεταξύ των δύο. Ο μετατροπέας θα δέχεται μια τάση εσόδου 40-100V και η τάση στην έξοδό του θα διατηρείται σταθερή στα 120V. Το επόμενο βήμα είναι η μοντελοποίηση και προσομοίωση με τη χρήση του λογισμικού Matlab/Simulink των επιμέρους τμημάτων του αιολικού συστήματος, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στον μετατροπέα ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης. Ακολούθως τα επιμέρους μοντέλα συνενώνονται ώστε να προσομοιωθεί το σύστημα στο σύνολό του, να εξακριβωθεί η σωστή λειτουργία του και να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα. Τέλος, σχεδιάζεται ο βρόχος ελέγχου του μετατροπέα ανύψωσης τάσης, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη λειτουργία του μικροελεγκτή dsPIC30F4011 που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση του. Παρουσιάζονται τα προγράμματα ανοιχτού και κλειστού βρόχου, ενώ παρατίθενται και οι πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν στο μετατροπέα για την επιβεβαίωση και αξιολόγηση της θεωρητικής ανάλυσης. / ---

Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την προσομοίωση και την κατασκευή ενός αντιστροφέα για τη μετατροπή της συνεχούς τάσης της εξόδου ενός φωτοβολταϊκού σε εναλλασσόμενη τάση, ενεργού τιμής και συχνότητας ίδιας με αυτή του δικτύου χαμηλής τάσης. Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας είναι ένας νέος τύπος μετατροπέα που συνδυάζει στοιχεία διάφορων ήδη υπάρχοντων μετατροπέων, όπως του μετατροπέα Boost-Flyback με ένα διακοπτικό στοιχείο και του αντιστροφέα Flyback. Η ιδέα είναι να ανυψώσουμε την τάση εξόδου του φωτοβολταϊκού μέσω του μετατροπέα Boost ανύψωσης τάσης και στη συνέχεια να πραγματοποιηθεί η αντιστροφή της και η περαιτέρω ανύψωσή της μέσω του Flyback. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Από την αναλυτική διερεύνηση της λειτουργίας των δύο μετατροπέων επιλέχθηκε η κατάσταση στην οποία θα λειτουργεί ο αντιστροφέας Boost-Flyback. Προσαρμόζοντας τις ήδη γνωστές εξισώσεις στην περίπτωσή μας εξήχθησαν οι εξισώσεις του αντιστροφέα Boost- Flyback. Με βάση τις εξισώσεις αυτές επιλέχθησαν οι τιμές των στοιχείων που χρησιμοποιήσαμε αρχικά στις προσομοιώσεις και στη συνέχεια στην κατασκευή της διάταξης. Οι προσομοιώσεις, που έγιναν με το πρόγραμμα PSpice αλλά και η συνολική λειτουργία του προτεινόμενου αντιστροφέα επιβεβαιώθηκαν στη συνέχεια από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη. / -

Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται η κατασκευαστική δομή και η λειτουργική συμπεριφορά ημιαγωγικών στοιχείων από καρβίδιο πυριτίου (SiC). Συγκεκριμένα, σε μια πρώτη φάση πραγματοποιείται διεξοδική βιβλιογραφική μελέτη των άρθρων που σχετίζονται με το ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος SiC JFET και ειδικότερα η διερεύνηση των ιδιοτήτων του εκείνων που το καθιστούν ανώτερο σε σχέση με άλλα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος από πυρίτιο (Si) ή από SiC, για διακοπτικές εφαρμογές μεγάλης ισχύος και θερμοκρασιών, σύμφωνα με τις τρέχουσες τεχνολογικές εξελίξεις. Σε μια δεύτερη φάση, η διπλωματική εργασία αυτή πραγματεύεται την κατασκευή δύο μετατροπέων ανύψωσης τάσης τύπου boost: ο ένας κατασκευάζεται για βέλτιστη λειτουργία με συμβατικά ημιαγωγικά στοιχεία από πυρίτιο (Si MOSFET και Si pn δίοδος), ενώ ο δεύτερος είναι πανομοιότυπος με τον πρώτο με την ουσιαστική διαφορά ότι τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται είναι από καρβίδιο πυριτίου. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιούνται ένα SiC JFET και μία SiC δίοδος Schottky. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αρχικά γίνεται μια μικρή εισαγωγή στις ιδιότητες του SiC ως υλικού προς χρήση για κατασκευή ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και συγκρίνεται με το Si. Επίσης εξάγονται οι λόγοι εκείνοι που, σύμφωνα με τη βιβλιογραφική μελέτη, καθιστούν το JFET ισχύος ως το καταλληλότερο για να κατασκευαστεί από SiC. Στη συνέχεια γίνεται εμβάθυνση στη λειτουργική συμπεριφορά του SiC JFET, δηλαδή μελετώνται τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την αγωγή, την αποκοπή και τη μεταβατική του λειτουργία, όπως και η σημασία άλλων ιδιαιτεροτήτων της δομής του που επιδρούν σε αυτήν. Ακολούθως, αποτυπώνονται και μελετώνται 3 βασικές δομές SiC JFET, αναφέρονται τα χαρακτηριστικά τους και επισημαίνονται οι διαφορές τους. Έπειτα, γίνεται αναφορά στην ιδιαιτερότητα των SiC JFET να βρίσκονται σε κατάσταση αγωγής όταν δεν παλμοδοτούνται (normally-on), όπως και στους διακόπτες συνδεσμολογίας σε σειρά (cascode). Στη συνέχεια, καταγράφονται εφαρμογές ισχύος στις οποίες τα SiC JFET βρίσκουν χρήση. Το επόμενο βήμα είναι η κατασκευή των δύο μετατροπέων boost. Πιο συγκεκριμένα τίθενται οι συνθήκες λειτουργίας που καλούνται να εκπληρώσουν, διαστασιολογούνται τα παθητικά στοιχεία τους και σχεδιάζονται τα κυκλώματα ελέγχου και παλμοδότησης της πύλης. Τέλος, γίνονται μετρήσεις στους δύο μετατροπείς και λαμβάνονται αποτελέσματα που αφορούν τις απώλειες και το βαθμό απόδοσης, απ’ τα οποία εξάγονται χαρακτηριστικές καμπύλες για τον κάθε μετατροπέα. / In this diploma thesis, a bibliographical study of the Silicon Carbide (SiC) power JFET's operational behaviour is conducted. The SiC JFET exhibits such operational properties that help to establish it as an advanced power device, in comparison to other Silicon (Si) and SiC power devices. The SiC JFET is a favorable option for high voltage, high power and high temperature switching applications. Once the bibliographical part is conducted, the design and implementation of a 500 W dc/dc boost converter is discussed and analyzed, that employs a SiC VJFET and a SiC Schottky Barrier Diode (SBD. This converter is compared with an identical, more conventional boost converter that uses a Si MOSFET and a Si pn diode, in terms of efficiency and voltage step-up ratio.

Les Alimentations Sans Interruption (ASI) ont pour rôle de protéger les charges sensibles. Leur utilisation nécessite l’usage de convertisseur de puissance AC/DC triphasé abaisseur et/ou élévateur de tension. Les ASI utilisent généralement une chaîne de conversion DC/DC+DC/AC ayant un rendement aux alentours de et sont souvent employées de façon continue. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier un convertisseur DC/AC triphasé réversible en puissance susceptible de fonctionner en abaisseur et en élévateur de tension pour atteindre un rendement souhaité de 98% avec un minimum de 97,5%. L’étude s’oriente vers des architectures de convertisseurs peu conventionnelles, l’utilisation de semi-conducteurs grand gap (SiC) et de composants passifs à faible pertes. Une méthode de comparaison rapide qui est à la fois analytique et numérique est présentée pour dimensionner ces architectures en se basant sur les caractéristiques fournies par les constructeurs. La solution ‘Gradateur Onduleur Différentiel’ a été jugée comme la plus adaptée à nos besoins. Les choix techniques pour ce convertisseur sont détaillés, puis une étude de faisabilité présentée. Le convertisseur retenu est non linéaire et sa commande utilise des principes de fonctionnement atypiques, différentes stratégies de régulation sont donc présentées. Des tests sont effectués pour valider la commande mise en place et réaliser les essais fonctionnels et mesures de rendement. Enfin les résultats sont comparés aux prévisions et la solution proposée est finalement globalement comparée à la chaîne de conversion AC/DC+DC/DC classique. / Uninterruptible Power Supply (UPS) aim at quasi-instantaneous protection of critical loads. A DC to 3-phase AC stepup/stepdown converter is needed. For UPS, energy transfer using battery generally uses a 2-stage DC/DC+DC/AC conversion with an efficiency close to 96%. UPS are generally running permanently. The goal of this PhD is to optimize this conversion chain to aim at a target efficiency of 98% with a minimum requirement of 97%. To achieve this, our study will start with a survey of reversible architectures with both stepup and stepdown capability. Using wide bandgap semi-conductors and low-loss passive components are also part of this study. The power converter topologies are compared with a quick dimensioning method wich use both analytic analyse and simulation to realised an element selection based on characteristic given by the constructors. Eligible power converters are evaluated and compared and the “AC chopper+Inverter” architecture is found to best match our requirements. Then the technical choices of the power converter are detailed and a feasibility study is presented for the worst-case scenario. The selected power converter topology is non-linear and its control includes specific states, different strategies for the network and DC line electric parameter regulation are presented. To allow the verification of the proposed regulation, functional tests and efficiency measurement at different points are realised on the prototype. As a conclusion, the results gathered with the prototype are compared to those of a more conventional AC/DC+DC/DC power chain.

This Master Thesis presents a design methodology to a boost PFC converter operating as an Uninterruptible Power Supply rectifier input stage. This methodology defines, making use of a group of current ripples and switching frequencies, the converter minimum volume point analyzing the volumes of the boost inductor, the electromagnetic interference filter and the heat-sinks. Thus, it's developed along this work, each design mentioned above, analyzing the impact of different magnetic materiaIs, input filter topologies and semiconductors technologies. Previously, it is designed the controller and it is developed a simulation structure. ln a second moment, it's designed the boost inductor for a predetermined temperature elevation. After this, it's designed the electromagnetic filter analyzing the impact of different topologies. The heat-sinks are also designed to guarantee the semiconductors operation within the temperature limits. Finally, the methodology based on the previous designs is accomplished, using the procedures and equations already mentioned, becoming possible to define the converter minimum volume point. / Esta Dissertação de Mestrado apresenta uma metodologia de projeto para o conversor boost operando como estágio retificador de entrada em uma fonte de alimentação ininterrupta. Essa metodologia se baseia em definir, através de um conjunto de freqüências de comutação e ondulações de corrente, o ponto de minimização do volume do conversor considerando o volume do indutor, do filtro de interferência eletromagnética conduzida e dos dissipadores. Assim, é desenvolvido ao longo desse trabalho o projeto de cada elemento mencionado estudando o impacto do uso de diferentes materiais magnéticos, topologias de filtro de entrada e tecnologias de semicondutores. Inicialmente é projetado o controlador e desenvolvida a estrutura de simulação do conversor. Em um segundo momento é projetado o indutor boost para uma determinada elevação de temperatura. A seguir é projetado o filtro de interferência eletromagnética analisando o impacto de diferentes topologias. Também são projetados os dissipadores que garantem a operação dos semicondutores dentro dos limites de temperatura estabelecidos pelos fabricantes. Por fim, é formalizada a metodologia baseada nos projetos anteriores, pela qual, fazendo uso dos procedimentos e equações fornecidos, torna-se possível definir o ponto de minimização do volume do conversor.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation presents as the main contribution the design and experimental validation of a robust H2 controller applied to boost converters with variations on the parameters load resistance, input voltage and operating point duty cycle. First, a polytopic model of the plant is presented, allowing to represent all the possible variations of the parameters within intervals previously established. Design conditions for a robust H2 controller, optimal under the quadratic stability, are detailed and used, allowing to efficiently calculate the controller gains. These gains are implemented with analog circuitry and the closed-loop system is tested by means of simulation and experimental results, which show a good match and illustrate a good performance. Finally, the small perturbation rejection capacity of the closed-loop system subject to parametric variations is evaluated using the H∞ guaranteed cost. / Esta dissertação apresenta como principal contribuição o projeto e a validação experimental de um controlador robusto H2 aplicado a conversores boost com variações nos parâmetros resistência de carga, tensão de entrada e razão cíclica do ponto de operação. Primeiramente, um modelo politópico da planta é apresentado, permitindo representar todas as situações de variações possíveis dos parâmetros mencionados, dentro de intervalos previamente estabelecidos. Condições de projeto de um controlador robusto H2, ótimo sob a estabilidade quadrática, são detalhadas e utilizadas, permitindo calcular eficientemente os ganhos do controlador. Estes ganhos são implementados de forma analógica e o sistema em malha fechada é testado por meio de resultados experimentais e de simulação, que apresentam uma boa correspondência e ilustram um bom desempenho. Por fim, a capacidade de rejeição de pequenas perturbações do sistema em malha fechada sujeito a variações paramétricas é avaliada utilizando o custo garantido H∞.

This thesis introduces the design and analysis of a single-stage inverter. A circuit was designed and simulated as a proof of concept to investigate the possibility of using boost and buck-boost converters to provide an AC output. The proposed circuit utilizes non-synchronous boost and buck-boost converters due to their simplicity in control signals as opposed to synchronous converters. The application of the proposed inverter is for use with individual solar cells. The aim of the inverter for a single cell is to improve the efficiency of a solar panel, whose performance is limited to the performance of the least efficient cell. With each cell independent of any other cell in the solar panel, the overall efficiency of the panel can be improved. This circuit uses a 3.6VDC input from the solar cell to produce a 10VPP 60Hz square wave output. The inverter consists of a solar cell, two DC-DC converters, two linear dropout (LDO) regulators, a square wave generator, and a switching circuit . The design and analysis of all parts were investigated individually in detail. The different parts of the circuit were then simulated using LTspice before testing the overall circuit. Simulation results demonstrate the feasibility of the proposed inverter with all design requirements but efficiency meeting or exceeding the goals.

Digital Switched mode power supplies are nowadays popular enough to be the obvious choice in many applications. Among all set-up and control techniques, the current mode DC-DC converter is often considered when performance and stability are of interest. This has also motivated all the “on chip” and ASIC implementations seen on the market, where current mode control technique is used. However, the development of FPGAs has created an important alternative to ASICs and DSPs. The flexibility and integration possibility is two important advantages among others. In this thesis report, an FPGA-based current mode buck/boost DC-DC converter is built in a stepwise manner, starting from the mathematical model. The goal is a simulation model which creates a basis for discussion about the advantages and disadvantages of current mode DC-DC converters, implemented in FPGAs.