Ανάλυση και σχεδίαση DC-DC μετατροπέα Forward με γαλβανική απομόνωση

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία περιλαμβάνεται η μελέτη, η σχεδίαση καθώς και η προσομοίωση ενός μετατροπέα forward με γαλβανική απομόνωση. Ο forward ανήκει στους μετατροπείς Σ.Ρ-Σ.Ρ, δηλαδή στους μετατροπείς που μεταβάλλουν τη συνεχή τάση στην είσοδο τους σε σταθεροποιημένη και διαφορετικής τιμής συνεχή τάση στην έξοδο τους. Οι μετατροπείς αυτοί αποτελούν σημαντικό κομμάτι των τροφοδοτικών ισχύος αλλά και των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας όπως τα φωτοβολταϊκά συστήματα και οι ανεμογεννήτριες. Μέσω μαθηματικών εξισώσεων και διαγραμμάτων γίνεται η ανάλυση των μετατροπέων Σ.Ρ-Σ.Ρ σε στάδια λειτουργίας τα οποία είναι απαραίτητα για τη μετέπειτα σχεδίασή τους. Γενικά, η σχεδίαση ενός μετατροπέας Σ.Ρ-Σ.Ρ περιλαμβάνει τη σχεδίαση του κυκλώματος ισχύος και του κυκλώματος ελέγχου. Για τον μετατροπέα forward γίνεται αρχικά η σχεδίαση του κυκλώματος ισχύος η οποία περιλαμβάνει την κατάλληλη επιλογή των εξαρτημάτων όπως τα ημιαγωγικά και τα μαγνητικά στοιχεία με τις προδιαγραφές που ορίζονται από τους κατασκευαστές τους. Έπειτα, σχεδιάζεται το κύκλωμα ελέγχου το οποίο προϋποθέτει την επιλογή της μεθόδου ελέγχου αλλά και την επιλογή κατάλληλου ελεγκτή. Η σχεδίαση του ελεγκτή γίνεται με τη χρήση διαγραμμάτων Bode για την επίτευξη της ευστάθειας του μετατροπέα αλλά και για τη μείωση των σφαλμάτων μόνιμης κατάστασης. Το κύκλωμα ελέγχου αποτελεί σημαντικό κομμάτι σε έναν μετατροπέα Σ.Ρ-Σ.Ρ καθώς είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση σταθερής τάσης στην έξοδό του από τυχόν μεταβολές που μπορεί να προκύψουν είτε από την είσοδο του μετατροπέα είτε από το φορτίο του. Μέσω προσομοιώσεων με τη βοήθεια του προγράμματος Simulink επιβεβαιώνεται η ορθότητα της σχεδίασης του μετατροπέα και εξετάζεται η συμπεριφορά του στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας αλλά και στα μεταβατικά φαινόμενα. Τέλος, από τις χαρακτηριστικές των προσομοιώσεων εξετάζονται οι ταλαντώσεις των ρευμάτων και τάσεων εξόδου καθώς και ο χρόνος απόκρισης του μετατροπέα στα μεταβατικά φαινόμενα.