Circuits and firmware for DC/DC converters with silicon carbide semiconductors for use in photovoltaic systems

In this work, a thorough investigation on the parallel connection of the vertical trench (VT) silicon carbide (SiC) junction field effect transistors (JFETs) during forward and reverse conduction is performed. Both enhancement mode SiC JFETs, which conduct when there is no signal at the gate (Normally-On) as well as depletion mode SiC JFETs, which turn off when gate drive signal is removed, will be studied.An equivalent electrical circuit of JFET, based on their structure, is given. Besides, a second equivalent circuit based on mathematical relations is presented and the elements of the model of Sic JFET for SPICE are identified. The SiC JFETs are compared with other SiC and Si semiconductor switches. The results demonstrate the improved characteristics of SiC semiconductor during both permanent and transient mode. In addition, JFET current monitoring circuits of rapidly varying SiC JFET currents are presented in detail and a measuring circuit, based on current transformers (CTs), is designed. That circuit is able to measure directly both conduction currents and their differences of JFETs connected in parallel. For the operation of the parallel connection, a parametric analysis of the operating characteristics of SiC JFET in permanent and transient operation and of the influence of the parasitic elements of the printed circuit board (PCB) is carried out. The effectiveness of the parallel connection, in respect of the distribution of the currents and the reliability of operation, both during forward and reverse conduction mode, is considered. Various methods are proposed to achieve the forced current balancing. During forward conduction, this is achieved by using a controlled time delay on the gate signals of JFETs through a low cost digital signal controller (DSC). During reverse conduction, the imbalance of currents is addressed by applying different bias voltages on the JFET gates, or by adding an antiparallel diode. The functionality of parallel connected JFETs is verified through simulation and through experimental results both at room temperature and at 150 ° C. Additionally, a boost converter was designed for use in photovoltaic systems. The implementation was done by using Normally-on or Normally-off SiC JFET and the experimental measurements verified that its efficiency is extremely high, of the order of 99%. A new method of tracking of the maximum power point (MPPT) of photovoltaic modules, designed to operate efficiently in very noisy environments, to approach the maximum power point very rapidly and to function without unwanted oscillations, was investigated. The step-up converter was integrated with a three-phase inverter into a single device showing excellent functionality and reliability while carrying out experimental measurements.Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται μια λεπτομερής έρευνα των τρανζίστορ Ένωσης Επίδρασης Πεδίου (Junction Field Effect Transistors-JFETs) κάθετης δομής (Vertical Trench-VT), τα οποία είναι κατασκευασμένα από ημιαγωγό καρβιδίου του πυριτίου (SiC), τόσο σε ορθή όσο και σε ανάστροφη αγωγή. Θα μελετηθούν JFET τύπου απογύμνωσης (Depletion mode) τα οποία άγουν όταν δεν υπάρχει διέγερση στην πύλη τους (Normally-on), καθώς επίσης και JFET τύπου πύκνωσης (Enhancement mode), τα οποία είναι σε αποκοπή χωρίς διέγερση στην πύλη τους (Normally-off). Παρουσιάζεται ένα ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα των JFET βάσει της δομής τους. Επίσης παρατίθεται ένα δεύτερο ισοδύναμο κύκλωμα που βασίζεται σε μαθηματικές σχέσεις και για το οποίο προσδιορίζονται τα στοιχεία του μοντέλου του SiC JFET για το SPICE. Τα SiC JFET συγκρίνονται με άλλους ημιαγωγικούς διακόπτες από SiC και από Si. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τα βελτιωμένα χαρακτηριστικά των ημιαγωγών SiC τόσο στη μόνιμη όσο και στη μεταβατική κατάσταση λειτουργίας τους. Επίσης, παρουσιάζονται με λεπτομέρεια τα κυκλώματα μέτρησης των ταχέως μεταβαλλόμενων ρευμάτων των SiC JFET και σχεδιάζεται ένα κύκλωμα μέτρησης με μετασχηματιστές ρεύματος (Current Transformers - CT). Αυτό το κύκλωμα έχει τη δυνατότητα άμεσης μέτρησης τόσο των ρευμάτων αγωγής όσο και των διαφορών τους, σε JFET που συνδέονται παράλληλα. Για τη λειτουργία της παράλληλης σύνδεσης διενεργείται παραμετρική ανάλυση στα λειτουργικά χαρακτηριστικά των SiC JFET σε μόνιμη και σε μεταβατική κατάσταση λειτουργίας και διερευνάται η επίδραση των παρασιτικών στοιχείων του τυπωμένου κυκλώματος (PCB). Η αποτελεσματικότητα της παράλληλης σύνδεσης, εξετάζεται όσον αφορά τη διανομή των ρευμάτων και την αξιοπιστία της λειτουργίας τόσο σε ορθή όσο και σε ανάστροφη αγωγή. Προτείνονται διάφορες μέθοδοι για την επίτευξη της ισορροπίας των ρευμάτων. Κατά τη διάρκεια της ορθής αγωγής, αυτό επιτυγχάνεται με χρησιμοποίηση ελεγχόμενης χρονικής καθυστέρησης του σήματος των πυλών των JFET, μέσω ενός ψηφιακού ελεγκτή σημάτων χαμηλού κόστους (Digital Signal Controller-DSC). Στη διάρκεια της ανάστροφης αγωγής η ανισορροπία των ρευμάτων αντιμετωπίζεται με εφαρμογή διαφορετικής τάσης πόλωσης των πυλών των JFET, ή με την προσθήκη μιας αντιπαράλληλης διόδου. Η λειτουργικότητα των παραλληλισμένων JFET επαληθεύεται μέσω προσομοίωσης και μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων τόσο σε θερμοκρασία δωματίου όσο και σε θερμοκρασία 150 °C. Επιπρόσθετα, σχεδιάστηκε ένας μετατροπέας ανύψωσης τάσης, για χρήση σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Η υλοποίηση έγινε με χρήση Normally‐on και Normally‐off SiC JFET και οι πειραματικές μετρήσεις επαλήθευαν ότι η απόδοση του είναι εξαιρετικά υψηλή της τάξης του 99%. Ερευνήθηκε μία νέα μέθοδος παρακολούθησης του σημείου μέγιστης ισχύος (MPPT) φωτοβολταϊκών συστοιχιών, σχεδιασμένη να λειτουργεί αποτελεσματικά σε περιβάλλοντα με μεγάλο θόρυβο, να έχει ταχεία προσέγγιση του σημείου μεγίστης ισχύος και λειτουργία χωρίς ανεπιθύμητες ταλαντώσεις. Ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης ενσωματώθηκε μαζί με ένα τριφασικό αντιστροφέα σε μία ενιαία συσκευή επιδεικνύοντας εξαιρετική λειτουργικότητα και αξιοπιστία κατά τη διενέργεια των πειραματικών μετρήσεων