Θερμιδομετρική Διάταξη Για Την Μέτρηση Απωλειών Ισχύος Σε Μετατροπείς Silicon Carbide

Abstract

Ο σχεδιασμός μετατροπέων ισχύος με ημιαγωγούς απο καρβίδιο πυριτίου (SiC) μπορεί να ακολουθήσει τρείςκατευθύνσεις. Αυτές είναι η υψηλή διακοπτική συχνότητα, η υψηλή θερμοκρασία και η υψηλή απόδοση. Η υψηλήαπόδοση προτιμάται για μετατροπείς με ονομαστικές ισχύς, από δεκάδες W μέχρι και κάποια MW. Συγκεκριμένα,οι αναμενόμενες αποδόσεις για τέτοιους μετατροπείς ισχύος, είναι πάνω από 99.5%. Επομένως, οι αναμενόμενεςαπώλειες ισχύος είναι πολύ χαμηλές σε σχέση με την ονομαστική ισχύ και η μέτρηση τους αντιμετωπίζειπροβλήματα τα οποία πρέπει να αντιμετωπισθούν.Οι τυπικές μέθοδοι μέτρησης της απόδοσης βασίζονται στην μέτρηση των ισχύων εισόδου και εξόδου. Ωστόσο, ημέτρηση αυτή περιέχει μεγάλα σφάλματα τα οποία οφείλονται στα σφάλματα ανάγνωσης της τάσης και τουρεύματος καθώς και στα σφάλματα ανάγνωσης της διαφοράς φάσης των δύο μεγεθών. Η ηλεκτρομαγνητικήπαρενόχληση (ΕΜΙ) μπορεί επίσης να δημιουργήσει προβλήματα στην ανάγνωση αυτών των μεγεθών. Οιμετρούμενες ποσότητες, περιέχουν αρμονικές υψηλής τάξης τις οποίες τα περισσότερα ψηφιακά όργανα δεν είναισε θέση να μετρήσουν με υψηλή ακρίβεια. Συνεπώς, είναι δύσκολο να μετρηθεί με ακρίβεια η απόδοση τέτοιωνμετατροπέων των οποίων η απόδοση υπερβαίνει το 99.5%.Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μια άμεση μέθοδος, για να μετρηθούν με ακρίβεια οιαπώλειες ισχύος. Μια θερμιδομετρική διάταξη είναι σε θέση να μετρήσει με ακρίβεια την θερμότητα πουεκλύεται από έναν μετατροπέα, δηλαδή να μετρήσει άμεσα τις απώλειες ισχύος, με ένα σφάλμα που κυμαίνεταιαπό 5% έως και 1%.Σε αυτή την διπλωματική εργασία, παρουσιάζεται η διαδικασία σχεδιασμού και υλοποίησης μιαςθερμιδομετρικής διάταξης ανοιχτού τύπου, για τη μέτρηση απωλειών ισχύος, για μετατροπείς πυριτίουκαρβιδίου. Παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία σχεδιασμού, καθώς δίνεται και το απαιτούμενο θεωρητικόυπόβαθρο. Υπάρχει μια εκτεταμένη ανάλυση αυτού, καθώς και πως αυτό συνεισφέρει στην πορεία αυτής τηςδιπλωματικής εργασίας. Έπειτα, παρουσιάζονται η διαστασιολόγηση του συστήματος , η υλοποίηση, η κατασκευήτου, καθώς επίσης αναφέρονται και οι πιθανές πηγές σφαλμάτων της μέτρησης. Επιπρόσθετα, περιγράφεται οτρόπος με τον οποίο έγινε η βαθμονόμηση και παραθέτονται οι σχετικές μετρήσεις. Στην θερμιδομετρική διάταξητοποθετείται και μετράται η απόδοση ενός dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης, ο οποίος αποτελείται από 4ημιαγωγούς SiC (BJT) σε παράλληλη σύνδεση. Δίνονται πειραματικά αποτελέσματα τα οποία συγκρίνονται με τααποτελέσματα που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας ένα μετρητή ισχύος και τέλος, δίνονται προτάσεις για εξέλιξητης παρούσας εργασίας καθώς και μια ανάλυση των κύριων συμπερασμάτων της εργασίας.Three design directions might be used when silicon carbide power semiconductordevices are employed in power electronics converters. High switching frequency,high-temperature operation and high efficiency count as these three directions.The last design direction is favorable in power electronics converters havingpower ratings from a few tens of W up to several hundreds of MW. In particular,efficiencies well above 99.5% are expected for silicon carbide converters.The anticipated power losses is, therefore, very low and, thus, issues related toaccurately measure this low amount of power losses must be dealt with.The typical measurement way of efficiencies is based on measuring the inletand outlet powers. However, this results in huge errors due to reading errors ofthe voltage and current as such, but also due the phase-angle between the voltageand current. Electromagnetic interference (EMI) might also cause reading errorsof the important quantities. The measurement quantities contain high orderterms and most of the digital instruments are unable to measure them withhigh accuracy. Consequently, it is a difficult task to accurately measure theefficiency of such converters which might have efficiencies exceeding 99.5%.Therefore, it is necessary to use a direct method in order to accuratelymeasure the power losses. A calorimetric power loss measurement setup is ableto measure the heat dissipated from a device and as a result to measure directlythe power losses with a negligible error which may vary from 5% to even 1%.In this thesis, the design process and implementation of an open type calorimetricpower loss measurement setup for silicon carbide power electronics convertersis presented. The design process is analytically presented and a theoreticalbackground is also given. There is an extended analysis of the theoreticalbackground presented and how this background fits to the project requirements.Afterwards, the dimensioning of the system and the implementation process arepresented while possible sources of errors are also discussed. Furthermore, theway that the measurement setup has been calibrated is analyzed and relatedexperimental results are shown. The efficiency of a 6 kW dc/dc boost converterconsisting of 4 parallel-connected silicon carbide bipolar junction transistors wasmeasured using the calorimetric setup. Various experimental results are shownand compared to results obtained using a power meter. A discussion along withsuggestions for future work are given in the last chapter.