Дисертації з теми "Impulse converter"

AssociaÃÃo TÃcnico-CientÃfica Eng. Paulo de Frontin
This paper presents the study and development of a voltage impulse generator using a cascaded boost converter topology operating in Discontinuous Conduction Mode (DCM) which will be used for the inspection of grounding systems used by electric power companies. The output voltage of the converter is applied to the grounding system which behaves as a load. The signal applied to the ground was measured by the data acquisition system and analyzed by an intelligent algorithms software. The voltage has the characteristics of a double exponential waveform which is a mathematical model used for study of lightning. Furthermore, the impulse generator has the option to produce a square waveform output voltage. Unlike, the traditional impulse generator with spark gaps, which was disadvantages of poor lifetime and the need of external system to operating the same, the developed generator uses only semiconductor devices in its construction. A theoretical study was carried out through qualitative and quantitative analyzes moreover, the switching process and the losses in the converter components were studied. In this work was performed the design of a cascaded boost converter for evaluating grounding systems with approximated 156 W, input voltage of 110 Vac rms and an output peak voltage of approximately 880 VDC, which correspond to the sum each voltage capacitor of the boost converter, when they are connected in series. A prototype with the indicated specifications was implemented and experimentally tested in the laboratory and real conditions using four grounding systems configurations. Tests were performed considering that the grounding impedance is resistive. The obtained experimental and simulation results are used to validate the theoretical analysis and the designed converter.
Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um gerador de impulsos de tensÃo usando a topologia de um conversor boost em cascata operando em Modo de ConduÃÃo DescontÃnua (MCD) que serà utilizado para inspeÃÃo de sistemas de aterramentos usados pelas concessionÃrias de energia elÃtrica. A tensÃo obtida na saÃda do conversor à aplicada ao sistema de aterramento que se comporta como uma carga. O sinal aplicado ao aterramento à medido pelo sistema de aquisiÃÃo de dados e analisado pelo software por algoritmos inteligentes. A tensÃo aplicada tem as caracterÃsticas de uma onda tipo dupla exponencial que à um modelo matemÃtico para estudo de descargas atmosfÃricas. AlÃm disso, o gerador poderà gerar tensÃes com caracterÃsticas de uma onda quadrada. O gerador de impulsos desenvolvido utiliza apenas dispositivos semicondutores na sua construÃÃo que apresentam as vantagens de possuir uma longa vida Ãtil, podem operar em altas frequÃncias, sÃo acionados com baixa tensÃo e possuem uma baixa queda de tensÃo ao contrÃrio dos tradicionais geradores de impulsos que utilizam os spark gaps para chaveamento que apresentam como desvantagens a baixa vida Ãtil e a necessidade de um sistema externo para funcionamento da mesma. Um estudo teÃrico foi realizado atravÃs das anÃlises qualitativa e quantitativa, alÃm das anÃlises do processo de comutaÃÃo e das perdas nos componentes do conversor. Neste trabalho foi realizado o projeto do conversor boost em cascata para inspeÃÃo de sistemas de aterramento com uma potÃncia aproximada de 156 W, tensÃo de entrada eficaz de 110 Vca e tensÃo de pico de aproximadamente 880 Vcc que corresponde à soma da tensÃo dos capacitores do conversor boost quando estÃo dispostos em sÃrie. Um protÃtipo com as especificaÃÃes indicadas foi construÃdo e testado experimentalmente em laboratÃrio e em campo utilizando quatro topologias de sistemas de aterramento. Foram realizados testes considerando que a impedÃncia de aterramento era puramente resistiva. Os resultados de simulaÃÃo e experimentais obtidos sÃo utilizados para validar a anÃlise teÃrica e o projeto realizado.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - електричні машини і апарати. - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», м . Харків, 2003. Дисертація присвячена проблемі створення електромеханічних імпульсних перетворю вачів індукційного типу з кріорезистивними обмотками, що охолоджуються рідким азотом. Розроблена методика розрахунку кріогенних ЕІПІТ, яка враховує комплекс взаємопов’язаних електричних, магнітних, теплових та механічних процесів з урахуванням нелінійності основ-них параметрів. Визначені основні закономірності функціонування силових та енергетичних ЕІПІТ, що забезпечують лінійний рух якоря при збудженні від ємнісного накопичувача та джерела постійної напруги. Запропоновані структурно геометричний, схемний і конструктив-ний підходи удосконалення одно- та багатосекційних ЕІПІП з обґрунтуванням їх параметрів. Отримано експериментальні дані, які підтверджують достовірність прийнятих математичних моделей і технічних рішень. Основні результати досліджень використані при виконанні 7 держбюджетних і хоздоговірних науково-дослідних робіт, у науково-виробничих фірмах та в навчальному процесі.
Thesis for a Doctor's degree in Engineering Sciences by specialty 05.09.01 – Electrical Machines and Apparatus. – National Technical University “Kharkov Polytechnic Institute”, Kharkov, 2003. The dissertation deals with designing electromechanical impulse induction converters (EIIC) with liquid-nitrogen-cooled cryoresistive windings. On the basis of generalization of accumulated data in impulse electromechanics, a technique for designing cryogenic EIICs has been developed which takes into account interrelated electrical, magnetic, thermal, and mechanical complex processes with nonlinear critical parameters. The basic mechanisms of power and energy EIIC functioning which result in linear motion of the armature when the converter is excited from a capacitive accumulator or a constant-voltage source have been revealed. Structure-geometry, circuit, and design approaches for perfecting single- and multi-stage EIICs with valid parameters have been suggested. Experimental data have been obtained to validate developed mathematical models and engineering solutions. The main research results have been utilized and implemented at execution of seven state and commercial research projects, in research enterprises, and for students’ training.

The thesis describes the procedure during the proposal of the driver circuits for the GaN MOSFET transistors, which are known for their fast switching especially. In the first instance of this thesis the issue of GaN MOSFET transistors is described and also the thesis describes the different types of MOSFET transistors in the way of their electrical and mechanical attributes. The specific type driver circuit is stated in the thesis, which was selected in the semestral thesis. For this circuit the boost converter with an output power 600W and high switching frequency 800kHz was proposed as an attempt measurement circuit. This boost converter was measured after its construction was done. The waveforms captured by the oscilloscope are commented also. In the conclusion the assessment is done about this new technology of power switching transistors.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 "Електричні машини й апарати" (14 – Електрична інженерія) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2020 р. Дисертаційна робота присвячена удосконаленню лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів за рахунок мультиякірних конфігурацій. Для досягнення цієї мети були поставлені задачі: – провести аналіз конструкцій та сфер використання лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів індукційного, електродинамічного і електромагнітного типів в якості ударно-силових та прискорювальних пристроїв; – реалізувати в програмному середовищі COMSOL Multiphysics математичну модель лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача мультиякірної конфігурації, яка враховує взаємопов’язані електричні, магнітні, механічні і теплові процеси та нелінійні магнітні і теплофізичні залежності; – провести аналіз електромеханічних характеристик лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій та за допомогою комплексного критерію оцінити їх ефективність; – встановити вплив форми струму збудження на ефективність лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій; – провести експериментальні дослідження лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів, запропонувати та випробувати моделі електромагнітної катапульти для безпілотного літального апарату, магнітно-імпульсного пресу для керамічних порошкових матеріалів, електромеханічного пристрою для скидання ожеледних та снігових відкладень з проводу лінії електропередачі та пристрою для знищення інформації на SSD накопичувачі. Об’єкт дослідження – електромеханічні процеси та показники лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій. Предмет дослідження – лінійні імпульсні електромеханічні перетворювачі мультиякірних конфігурацій силового та швидкісного призначення. Методи дослідження. При розв’язанні поставлених задач використовувалось математичне моделювання електромагнітних, механічних та теплофізичних процесів в лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачах імпульсної дії для проведення аналізу електромеханічних характеристик та встановлення впливу форми струму збудження на ефективність перетворювачів. Експериментальні дослідження лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірної конфігурації проводились на експериментальних стендах, що дозволило випробувати моделі пристроїв. В роботі отримані такі наукові результати: – отримала подальший розвиток класифікація лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій, які включають феромагнітний, котушковий та суцільний електропровідний якоря; – удосконалено математичну модель лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача за рахунок включення феромагнітного, котушкового та суцільного електропровідного якорів, які взаємодіють з рухомим якорем. Математична модель, яка реалізована в програмному середовищі COMSOL Multiphysics, містить взаємопов’язані електричні, магнітні, механічні та теплові процеси і враховує магнітні та теплофізичні нелінійні залежності; – вперше встановлено особливості протікання електромагнітних процесів та визначено електричні, магнітні та силові показники лінійних імпульсних електромеханічних перетворювачів мультиякірних конфігурацій силового призначення. Показано що практично всі перетворювачі мультиякірних конфігурацій забезпечують збільшення амплітуди та величини імпульсу електродинамічних зусиль у порівнянні з перетворювачем, що має один суцільний електропровідний якір; – вперше встановлено вплив геометричних параметрів рухомого і нерухомого електропровідних якорів, які взаємодіють з рухомим індуктором, що дозволило підвищити швидкісні показники лінійного імпульсного електромеханічного перетворювача; – вперше встановлено, що при збуджені коливально-загасаючою, аперіодичною та аперіодичною з підживленням формами струму в перетворювачах мультиякірних конфігурацій величина імпульсу електродинамічних зусиль збільшується у порівнянні з перетворювачем, що має один суцільний електропровідний якір. Дисертаційна робота виконана в НТУ "ХПІ" і є частиною науково-дослідних робіт кафедри загальної електротехніки. Робота виконувалися за держбюджетними темами "Розробка засобів підвищення ефективності лінійних ударних електромеханічних прискорювачів та силових пристроїв" (ДР № 0115U000522) і "Удосконалення технічних систем та пристроїв за рахунок імпульсних електромеханічних перетворювачів та електрофізичних технологій" (ДР № 0117U004881), госпдоговірної теми № 15812 "Розробка та дослідження високошвидкісного електродинамічного приводу" і ініціативної теми "Сучасні проблеми та перспективи розвитку електротехнічних пристроїв та систем" (ДР № 0119U002551), де автор був співвиконавцем.
Dissertation for Candidate of Science Degree in Specialty 05.09.01 "Electrical Machines and Apparatuses" (14 – Electrical Engineering) – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2020. The dissertation work is devoted to the improvement of linear pulse electromechanical converters due to multi - core configurations. To achieve this goal, the following tasks were set: – to analyze the structures and areas of use of linear pulse electromechanical converters of induction, electrodynamics and electromagnetic types as shockpower and accelerating devices; – to implement in the COMSOL Multiphysics software environment a mathematical model of a linear pulse electromechanical converter of multi-core configuration, which takes into account the interconnected electrical, magnetic, mechanical and thermal processes and nonlinear magnetic and thermophysical dependences; – to analyze the electromechanical characteristics of linear pulse electromechanical converters of multicore configurations and to evaluate their efficiency with the help of a complex criterion; – to establish the influence of the shape of the excitation current on the efficiency of linear pulse electromechanical transducers of multicore configurations; – to conduct experimental studies of linear pulse electromechanical transducers, to propose and test models of electromagnetic catapult for unmanned aerial vehicle, magnetic pulse press for ceramic powder materials, electromechanical device for discharging ice and snow deposits from the transmission line wire and transmission line. Object of research – electromechanical processes and indicators of linear pulse electromechanical converters of multicore configurations. Subject of research – linear pulse electromechanical converters of multicore configurations of power and speed purpose. Research methods. Mathematical modeling of electromagnetic, mechanical and thermophysical processes in linear pulse electromechanical converters of pulse action was used to solve the tasks to analyze the electromechanical characteristics and establish the influence of the shape of the excitation current on the efficiency of the converters. Experimental studies of linear pulse electromechanical transducers of multicore configuration were performed on experimental stands, which allowed to test device models. The following scientific results are obtained in the work: – the classification of linear pulse electromechanical converters of multicore configurations, which include ferromagnetic, coil and continuous conductive armature, was further developed; – the mathematical model of the linear pulse electromechanical converter due to inclusion of the ferromagnetic, coil and continuous electrically conductive anchors which interact with a mobile anchor is improved. The mathematical model, which is implemented in the COMSOL Multiphysics software environment, contains interconnected electrical, magnetic, mechanical and thermal processes and takes into account magnetic and thermophysical nonlinear dependencies; – for the first time the peculiarities of the course of electromagnetic processes are established and the electrical, magnetic and power indicators of linear pulse electromechanical converters of multi-core configurations of power purpose are determined. It is shown that almost all converters of multi-arc configurations provide an increase in the amplitude and magnitude of the pulse of electrodynamics forces in comparison with the converter, which has one continuous conductive armature; – for the first time the influence of geometrical parameters of movable and fixed electrically conductive armatures that interact with the movable inductor was established, which allowed to increase the speed indicators of the linear pulse electromechanical converter; – for the first time it is established that when excited by oscillatingattenuating, aperiodic and aperiodic with feeding forms of current in converters of multicore configurations the magnitude of the electrodynamics force pulse increases in comparison with the converter having one continuous electrically conductive armature. The dissertation work was performed at the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and is part of the research work of the Department of General Electrical Engineering. The work was carried out on the basis of financing by state budget topics: "Development of means of increasing the efficiency of linear shock electromechanical accelerators and power devices" (DR №0115U000522), "Improvement of technical systems and devices by means of impulse electromechanical converters. (DR № 0117U004881), the contractual theme "Development and research of high-speed electrodynamics actuator" (at the expense of LLC "TETRA, Ltd", Kharkiv), and the initiative theme "Modern problems and prospects for the development of electrotechnical devices and systems" (DR №0119U002551) where the author was a co-author.

Diploma work deals with a converter design for an artifical power net. There is described analysis of possible solving of this converter. Next there is contained dimension of components force circumference converter, design of filtres and converter regulator. Project deals with simulation of dynamical qualities for an output changer device in settings Matlab Simulink. In this work there is even a design power board alternator, wakers and directing of alternator.

SANTOS, K. P. Gerador de impulsos de tensão usando um conversor boost em cascata para inspeção de sistemas de aterramento. 2014. 120 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014.
Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2015-04-27T12:15:09Z No. of bitstreams: 1 2014_dis_kpsantos.pdf: 3381650 bytes, checksum: 04f67570baea97ca0cb1ae70db533de4 (MD5)
Approved for entry into archive by Marlene Sousa(mmarlene@ufc.br) on 2015-04-27T18:05:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_dis_kpsantos.pdf: 3381650 bytes, checksum: 04f67570baea97ca0cb1ae70db533de4 (MD5)
Made available in DSpace on 2015-04-27T18:05:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_dis_kpsantos.pdf: 3381650 bytes, checksum: 04f67570baea97ca0cb1ae70db533de4 (MD5) Previous issue date: 2014-10-03
This paper presents the study and development of a voltage impulse generator using a cascaded boost converter topology operating in Discontinuous Conduction Mode (DCM) which will be used for the inspection of grounding systems used by electric power companies. The output voltage of the converter is applied to the grounding system which behaves as a load. The signal applied to the ground was measured by the data acquisition system and analyzed by an intelligent algorithms software. The voltage has the characteristics of a double exponential waveform which is a mathematical model used for study of lightning. Furthermore, the impulse generator has the option to produce a square waveform output voltage. Unlike, the traditional impulse generator with spark gaps, which was disadvantages of poor lifetime and the need of external system to operating the same, the developed generator uses only semiconductor devices in its construction. A theoretical study was carried out through qualitative and quantitative analyzes moreover, the switching process and the losses in the converter components were studied. In this work was performed the design of a cascaded boost converter for evaluating grounding systems with approximated 156 W, input voltage of 110 Vac rms and an output peak voltage of approximately 880 VDC, which correspond to the sum each voltage capacitor of the boost converter, when they are connected in series. A prototype with the indicated specifications was implemented and experimentally tested in the laboratory and real conditions using four grounding systems configurations. Tests were performed considering that the grounding impedance is resistive. The obtained experimental and simulation results are used to validate the theoretical analysis and the designed converter
Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um gerador de impulsos de tensão usando a topologia de um conversor boost em cascata operando em Modo de Condução Descontínua (MCD) que será utilizado para inspeção de sistemas de aterramentos usados pelas concessionárias de energia elétrica. A tensão obtida na saída do conversor é aplicada ao sistema de aterramento que se comporta como uma carga. O sinal aplicado ao aterramento é medido pelo sistema de aquisição de dados e analisado pelo software por algoritmos inteligentes. A tensão aplicada tem as características de uma onda tipo dupla exponencial que é um modelo matemático para estudo de descargas atmosféricas. Além disso, o gerador poderá gerar tensões com características de uma onda quadrada. O gerador de impulsos desenvolvido utiliza apenas dispositivos semicondutores na sua construção que apresentam as vantagens de possuir uma longa vida útil, podem operar em altas frequências, são acionados com baixa tensão e possuem uma baixa queda de tensão ao contrário dos tradicionais geradores de impulsos que utilizam os spark gaps para chaveamento que apresentam como desvantagens a baixa vida útil e a necessidade de um sistema externo para funcionamento da mesma. Um estudo teórico foi realizado através das análises qualitativa e quantitativa, além das análises do processo de comutação e das perdas nos componentes do conversor. Neste trabalho foi realizado o projeto do conversor boost em cascata para inspeção de sistemas de aterramento com uma potência aproximada de 156 W, tensão de entrada eficaz de 110 Vca e tensão de pico de aproximadamente 880 Vcc que corresponde à soma da tensão dos capacitores do conversor boost quando estão dispostos em série. Um protótipo com as especificações indicadas foi construído e testado experimentalmente em laboratório e em campo utilizando quatro topologias de sistemas de aterramento. Foram realizados testes considerando que a impedância de aterramento era puramente resistiva. Os resultados de simulação e experimentais obtidos são utilizados para validar a análise teórica e o projeto realizado

This work deals with high power pulse converters (tens of kW) using new semiconductor devices of silicon carbide (SiC). Firstly the current state of the issue is analyzed. A research in a specific area of high power buck converters with pulse transformer follows. There was a strong emphasis on minimizing size and weight. The design process was focused also on reliability and robustness. To achieve the defined objectives, it was necessary to use the latest available switching transistors and diodes, and an unusually high switching frequency (100 kHz at a power of about 16 kW). Due to the high switching frequency, we achieved small size of pulse transformers and output chokes. An optimization of high-frequency pulse transformer with demand on minimum volume and weight of core and windings represents a separate theoretical part of the thesis. There have been proposed several analytical solutions of optimization problems, the results of which could overlap with the implementation in practice of switching power supplies. The combination of high switching frequency, fast semiconductors and the high power brings various parasitic effects to the power circuit. In the thesis, these parasitic effects are analyzed. Solutions which minimize or completely remove those effects were theoretically designed and successfully implemented, tested and finalized in experimental part of the work. Detailed description of the implementation of functional sample and series of validation measurements are included in the final part.

This work is concerned with power inverters for alternate high voltage power sources. The theoretical part describes the topology of inverters that can be used in alternate power sources. A model of voltage transformer is described in details to better understand the parasitic effects that are inevitably present in high voltage power sources and, therefore, have to be taken into consideration at the design of high voltage power sources. The work is oriented to problems of alternate high voltage power sources for ozone generators. This is the reason, why the theoretical and, partially, also the experimental part deal with the properties of ozone and its use. The experimental part solves high voltage inverter with capacitive load that is formed by discharge element of an ozone generator. Designed inverter is able to feed the capacitive load with high voltage at very short periods of time from several microseconds up to tens of nanoseconds. In comparison with the length of voltage pulses in common ozone generators, this pulses are more than 100-time shorter. This has a positive effect to silent discharge characteristics.

This thesis is about to introduce the development of switched power supply with output voltage of 5,5 kV and power of 4,3 kW. This thesis directly follows the outputs of two previous semester projects. Main task is about to finish the development of remaining printed circuit boards and perform launching of all parts of developed power supply. Next necessary task is about to assemble a functional prototype of the supply using the developed parts, performing a series of measurement supply’s parameters and creating of technical documentation of mechanical part. There are all stages of supply’s development included in this thesis. From the first part, that describes various types of converters, through the design of all the supply’s parts, to final implementation of functional prototype. There are the results of measurement supply’s parameters at the end of this thesis.

This master´s thesis describes switch mode power supply and discusses the design of its individual parts. It also contains a simulation of the power part of the converter and a reseach in the area of DC/DC converters.

This diploma thesis deals with the design of a partially integrated charge pump in 0.25 micron technology ACMOS. The work is divided into two main parts, theoretical and practical. The theoretical section describes in detail various topologies of higher voltage generation of a charge pump and selected methods of regulating the output voltage of charge pumps. The practical part deals with the the actual design of a charge pump together with the arguments for the choice of the TPVD topology and the type of the regulation. Three regulation methods of a charge pump were implemented, tested and are dealt with: Pulse Skip, Constant frequency and PWM. There are 3 sub chapters, each describing a different regulation method, defining all the key elements of the design of such a charge pump and the results of the simulations are discussed. Conclusion of the thesis summarizes the results of the design of charge pumps, comparing them on the basis of the chosen type of output voltage regulation.

碩士
國立清華大學
電機工程學系
103
In this thesis, we propose a digital-to-time converter (DTC) system with two phase-locked loops and impulse window generator (IWG). Among the DTC system, the output signal of the first stage PLL is 100MHz with 75 selections of phase, the time resolution is 133.33 ps. Owing to the structure of two stage cascade PLL, the output signal of the second stage PLL is 100MHz with 5700 selections of phase, the time resolution is 1.754 ps. Furthermore, by the last stage IWG processing, the system has the 12.5 MHz impulse signal with 1.754 ps time resolution, applicated to the impulse radar. The impulse radar transmits impulses with period 80 ns and pulse width 1.05 ns. At the VCO output of the second stage of PLL, the carrier wave 7.6 GHz is turned on by the impulse signal control. By multi-stage of delay shift register (DSR), clock signals can be phase shifting and phase rotation in high time resolution. However, the first stage DFF in the delay shift register have metastability issues, if the data input D doesn’t have enough setup time and hold time. This situation give rise to the failure of phase shifting operation. Therefore, we insert the programmable delay line circuit in front of DFF input D, particularly calibrated the time delay prevent form metastability. The system is implemented in TSMC 0.65 nm 1P9M CMOS process, the output of impulse signal have 15.48-bit (45600) selections of phase.

abstract: Complex electronic systems include multiple power domains and drastically varying dynamic power consumption patterns, requiring the use of multiple power conversion and regulation units. High frequency switching converters have been gaining prominence in the DC-DC converter market due to smaller solution size (higher power density) and higher efficiency. As the filter components become smaller in value and size, they are unfortunately also subject to higher process variations and worse degradation profiles jeopardizing stable operation of the power supply. This dissertation presents techniques to track changes in the dynamic loop characteristics of the DC-DC converters without disturbing the normal mode of operation. A digital pseudo-noise (PN) based stimulus is used to excite the DC-DC system at various circuit nodes to calculate the corresponding closed-loop impulse response. The test signal energy is spread over a wide bandwidth and the signal analysis is achieved by correlating the PN input sequence with the disturbed output generated, thereby accumulating the desired behavior over time. A mixed-signal cross-correlation circuit is used to derive on-chip impulse responses, with smaller memory and lower computational requirement in comparison to a digital correlator approach. Model reference based parametric and non-parametric techniques are discussed to analyze the impulse response results in both time and frequency domain. The proposed techniques can extract open-loop phase margin and closed-loop unity-gain frequency within 5.2% and 4.1% error, respectively, for the load current range of 30-200mA. Converter parameters such as natural frequency (ω_n ), quality factor (Q), and center frequency (ω_c ) can be estimated within 3.6%, 4.7%, and 3.8% error respectively, over load inductance of 4.7-10.3µH, and filter capacitance of 200-400nF. A 5-MHz switching frequency, 5-8.125V input voltage range, voltage-mode controlled DC-DC buck converter is designed for the proposed built-in self-test (BIST) analysis. The converter output voltage range is 3.3-5V and the supported maximum load current is 450mA. The peak efficiency of the converter is 87.93%. The proposed converter is fabricated on a 0.6µm 6-layer-metal Silicon-On-Insulator (SOI) technology with a die area of 9mm^2 . The area impact due to the system identification blocks including related I/O structures is 3.8% and they consume 530µA quiescent current during operation.
Dissertation/Thesis
Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2017

Кваліфікаційну роботу магістра присвячено обґрунтуванню методів підвищення ефективності імпульсних перетворювачів постійного струму. Проаналізовано типи та принцип роботи імпульсних перетворювачів постійного струму, обґрунтовано заходи щодо підвищення їх ефективності. Зокрема пропонується використання коректорів коефіцієнта потужності, вхідних фільтрів та сучасної елементної бази драйверів силових ключів.
The master's qualification work is devoted to the substantiation of methods of increase of efficiency of impulse converters of direct current. The types and the principle of operation of impulse converters of direct current are analyzed, and the measures for increasing their efficiency are substantiated. In particular, it is suggested to use power factor correctors, input filters, and a modern elemental base of power key drivers.
ВСТУП 9 РОЗДІЛ 1. СТАН ПРОБЛЕМИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ІМПУЛЬСНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ 11 1.1 Імпульсні перетворювачі постійного струму, як складні системи 11 1.2 Джерело живлення, як складна система 13 1.3 Поняття ефективності складних систем та способи її оцінювання 16 1.4 Оцінювання складності систем 16 1.5 Поняття якості системи 17 1.6 Задача підвищення ефективності вторинних джерел електроживлення, як складних радіоелектронних пристроїв 18 1.7 Висновки до розділу 1 22 РОЗДІЛ 2. ІМПУЛЬСНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ, ЯК СКЛАДНІ РАДІОЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ 24 2.1 Дослідження структури та принципу роботи імпульсних перетворювачів постійного струму 24 2.2 Ключові стабілізатори постійного струму 25 2.3 Дослідження принципу роботи однотактних імпульсних БЖ 27 2.4 Дослідження принципу роботи двотактних перетворювачів постійного струму 29 2.5 Топологія резонансних імпульсних перетворювачів 32 2.6 Висновки до розділу 2 33 РОЗДІЛ 3. ЗАГАЛЬНІ ПРИНЦИПИ ВИБОРУ ОПТИМАЛЬНОЇ ТОПОЛОГІЇ ІМПУЛЬСНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ 34 3.1 Особливості вибору топології імпульсного перетворювача постійного струму 34 3.2 Методики формування сигналів для збільшення ККД імпульсного джерела живлення 35 3.3 Основні втрати всередині імпульсного джерела живлення з ШІМ 39 8 3.4 Шляхи зниження рівня втрат 45 3.5 Боротьба з шумом і електромагнітними перешкодами 47 3.6 Висновки до розділу 3 48 РОЗДІЛ 4. ПРАКТИЧНЕ ПРОЕКТУВАННЯ ПОТУЖНИХ ІМПУЛЬСНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ 50 4.1 Імпульсний перетворювач постійного струму потужністю 1000 Вт 50 4.2 Схемо-технічні рішення побудови імпульсного блока живлення 51 4.3 Висновки до розділу 4 58 РОЗДІЛ 5. СПЕЦІАЛЬНА ЧАСТИНА 59 5.1 Метрологічне забезпечення наукового дослідженя 59 5.2 Програмне забезпечення для розв’язування наукової задачі 60 5.3 Висновки до розділу 5 65 РОЗДІЛ 6. ОБҐРУНТУВАННЯ ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ 66 6.1 Науково-технічна актуальність науково-дослідної роботи 66 6.2 Розрахунок витрат на проведення науково-дослідної роботи 67 6.3. Науково-технічна ефективність науково-дослідної роботи 73 6.4 Висновки до розділу 6 77 РОЗДІЛ 7. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ 78 7.1 Охорона праці 78 7.2 Безпека в надзвичайних ситуаціях 80 РОЗДІЛ 8. ЕКОЛОГІЯ 88 8.1 Актуальність екологічних проблем 88 8.2 Шкідливий вплив на довкілля при виготовленні блоку живлення 89 8.3 Заходи охорони довкілля при промислових процессах 90 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 93 Бібліографія 94 ДОДАТКИ

Nos tempos atuais a eficiência energética e a coordenação inteligente dos recursos da rede são tópicos de maior importância. As microrredes híbridas apresentam-se como uma solução interessante para a integração coordenada de fontes de geração e cargas DC ou AC nos barramentos DC ou AC respetivamente. Isto permite eliminar algumas etapas de conversão que tradicionalmente existem nas redes AC, aumentando assim a eficiência energética. Neste trabalho utilizou-se um conversor multinível para interligar uma microrrede AC a uma microrrede DC. O conversor de interligação é capaz de realizar o controlo das correntes AC, da tensão DC ou da tensão AC, dependendo dos cenários de funcionamento da microrrede híbrida. As correntes AC do conversor foram controladas através das técnicas de controlo por modo de deslizamento (MD) e modulação por largura de impulsos (PWM), partindo dos modelos das variáveis de estado do conversor. As tensões das microrredes AC e DC foram controladas utilizando malhas externas com controladores PI (Proporcional-Integral). O conversor de interligação foi simulado na plataforma MATLAB/Simulink nos três cenários de funcionamento. Os resultados de simulação foram posteriormente confirmados em laboratório através de um protótipo de baixa potência. Os resultados obtidos demonstraram uma resposta dinâmica rápida das correntes AC em ambos os métodos de controlo, com a técnica PWM a apresentar harmónicas mais reduzidas. O controlo de tensão da microrrede DC foi bem efetuado e permitiu reagir adequadamente a mudanças de referência e ao aumento do consumo da microrrede DC. No caso em que existe geração local o conversor foi capaz de realizar o equilíbrio entre a potência produzida e a potência consumida, transferindo o excesso de potência para a microrrede AC. O controlo de tensão da microrrede AC, permitiu regular de forma adequada as tensões trifásicas e reagir a mudanças de referência e variações do consumo.
Energy efficiency and smart coordination of grid resources are issues of utmost importance nowadays. Hybrid microgrids are an interesting solution for the integration of AC and DC loads and generation sources in their respective AC or DC buses. This allows for a reduction of voltage conversion stages that are prevalent in the more traditional AC grid, leading to a higher efficiency. In the scope of this work a multilevel converter was used to interconnect an AC microgrid to a DC microgrid. The interlinking converter can control either the AC currents, the DC bus voltage, or the AC bus voltage, depending on the hybrid microgrid operation mode. The converter AC currents were controlled using sliding mode and pulse width modulation (PWM) techniques starting from the converter state variable representation. The AC and DC microgrid voltages were controlled by outer loop PI (Proportional Integral) controllers. The three operation modes of the interlinking converter were simulated using MATLAB/Simulink. A low power laboratory prototype was later used to further confirm the simulations results. The results showed a fast dynamic response of the AC currents, using both control techniques. PWM however resulted in reduced harmonics. The DC microgrid voltage control was successfully implemented and resulted in a good response following changes in voltage reference and DC microgrid consumption. When local power production was available, the converter was able to transfer the excess power to the AC microgrid, thus balancing the produced and consumed local power. The AC microgrid voltage control was capable of adequately regulate the three phase AC voltages and react to changes in voltage reference and local power consumption.

Η πληθώρα των εφαρμογών που μπορεί να εξυπηρετήσει η τεχνολογία Υπερευρείας Ζώνης (UWB), από τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα υψηλών ταχυτήτων, μέχρι τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με δυνατότητες ακριβούς εντοπισμού θέσης, και τα ασύρματα δίκτυα ιατρικών αισθητήρων, έχει προκαλέσει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον γύρω από τις υλοποιήσεις UWB συστημάτων. Η ασυνήθιστα μεγάλη περιοχή συχνοτήτων που έχει ανατεθεί στο UWB, από τα 3.1-10.6 GHz, επιτρέπει την επίτευξη υψηλών ταχυτήτων με απλά σχήματα διαμόρφωσης, ωστόσο, λόγω της διαμοίρασης του φάσματος με τις υφιστάμενες τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης, οι UWB εκπομπές πρέπει να περιορίζονται σε ισχύ κάτω από το κατώφλι των -41.3 dBm/MHz, ικανοποιώντας πολύ αυστηρές μάσκες εκπομπής που εισάγουν έντονες προκλήσεις στη σχεδίαση των πομπών. Η υλοποίηση αναδιατάξιμων UWB πομπών σε σύγχρονες CMOS τεχνολογίες, με υψηλή φασματική ευελιξία, ταχύτητα και ποιότητα διαμόρφωσης, καθώς και με χαμηλή κατανάλωση, αποτέλεσε το αντικείμενο της συγκεκριμένης διατριβής. Υιοθετώντας την αρχιτεκτονική Multi-Band Impulse-Radio (MB-IR) σε συνδυασμό με την τεχνική Direct Sequence BPSK, η έρευνα προσανατολίστηκε προς την ανάπτυξη καινοτόμων μονάδων βασικής ζώνης, με στόχο την ενεργειακά αποδοτική αντιστροφή Γκαουσιανών μορφοποιημένων παλμών υψηλής ποιότητας φάσματος και διάρκειας μικρότερης ακόμα και από 1 nsec. Προς αυτή την κατεύθυνση, αναπτύχθηκε μια καινοτόμα γεννήτρια Γκαουσιανών παλμών με πολύ χαμηλούς πλευρικούς λοβούς στο φάσμα, τυπικά κάτω από -40 dB, ώστε να υποστηρίζονται οι αυστηρότερες μάσκες εκπομπής ή και μελλοντικές. Η σχεδίασης της προτεινόμενης γεννήτριας είχε ως κριτήριο την ευέλικτη ρύθμιση της διάρκειας των παραγόμενων παλμών, και αξιοποίησε τη χαρακτηριστική μεταφοράς τάσης ενός ωμικά φορτωμένου, ασύμμετρου CMOS αντιστροφέα. Η γεννήτρια βασίζεται κυρίως σε ψηφιακά κυκλώματα πολύ χαμηλής τάσης και, σε σύγκριση με τις υφιστάμενες υλοποιήσεις, παρουσιάζει σημαντικό προβάδισμα στον τομέα της ταχύτητας, καθώς και στο πλάτος εξόδου, η μεγάλη τιμή του οποίου χαλαρώνει σημαντικά τη σχεδίαση του RF front end. Η γεννήτρια μελετήθηκε διεξοδικά, διεξήχθη ανάλυση κλιμάκωσης, έγινε εξαγωγή σχεδιαστικών εξισώσεων και αναπτύχθηκαν εργαλεία λογισμικού για την αυτοματοποιημένη σχεδίασή της. Για περαιτέρω αύξηση της ταχύτητας των παλμικών σημάτων εφαρμόσθηκε ειδική σχεδίαση, η οποία αντιπραγματεύεται την ταχύτητα με το επίπεδο των λοβών του φάσματος. Για την αποδοτική BSPK διαμόρφωση των Γκαουσιανών παλμών αναπτύχθηκε ειδική τοπολογία “Μεταγωγής Σήματος Πυροδότησης Πλήρους Ισορροπίας με Up-Conversion”. Η τοπολογία αυτή, σε αντίθεση με τις ανταγωνιστικές τοπολογίες, αποφεύγει την αντιστροφή του παλμού με αναλογικά κυκλώματα υψηλής κατανάλωσης, αλλά και την αναλογική μεταγωγή, καθώς η διαμόρφωση λαμβάνει χώρα πριν από την παραγωγή των παλμών. Παράλληλα, επιτυγχάνονται υψηλοί ρυθμοί, καθώς και υψηλή ποιότητα διαμόρφωσης λόγω των ισορροπημένων μονοπατιών της τοπολογίας. Η γεννήτρια μαζί με το διαμορφωτή αποτελούν τις καινοτόμες παρεμβάσεις στη μονάδα Βασικής Ζώνης του προτεινόμενου πομπού. Για την ολοκλήρωση της λειτουργικότητας του πομπού, αναπτύχθηκε ένα RF front end, το οποίο αποτελείται από έναν διπλά ισορροπημένο μίκτη, έναν LO buffer, ένα μετατροπέα διαφορικού σήματος σε απλό, και έναν ενισχυτή ισχύος, ο οποίος είναι προσαρμοσμένος στα 50 Ohms, χωρίς να απαιτεί κανένα εξωτερικό στοιχείο. Το RF front end ολοκληρώθηκε μαζί με τη μονάδα βασικής ζώνης, και ο ολοκληρωμένος πομπός κατασκευάστηκε σε τεχνολογία CMOS 130 nm. Το ολοκληρωμένο προσαρτήθηκε στην RF πλακέτα συστήματος με την τεχνική Chip on Board. Για την επιτυχία του συστήματος με την πρώτη προσπάθεια έγινε συσχεδίαση σε επίπεδο IC-Package-PCB, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα ζητήματα Signal/Power Integrity. Ο πομπός παρουσίασε την υψηλότερη ταχύτητα από τις ανταγωνιστικές MB-IR UWB υλοποιήσεις, ίση με 1.5 Gbps, με αντίστοιχη ενεργειακή αποδοτικότητα 21 pJoule/bit και μέτρο διανυσματικού σφάλματος 5.5%. Ο πομπός βελτίωσε τους πλευρικούς λοβούς στο φάσμα περισσότερο από 10 dB, ενώ η διατριβή, εκμεταλλευόμενη την αναδιαταξιμότητα του πομπού, παρουσιάζει, επιπλέον, τις πρώτες μετρήσεις σε ταχύτητες εκατοντάδων Mbps για ικανοποίηση της χαμηλής ζώνης της πρόσφατα θεσμοθετημένης, και εξαιρετικά αυστηρής, ευρωπαϊκής μάσκας εκπομπής.
The multitude of applications that Ultra-Wideband (UWB) technology can serve, from high-speed Wireless Personal Area Networks, to Wireless Sensor Networks with precision Geolocation abilities, and Wireless Medical Networks, has attracted intense research interest in the implementation of UWB systems. The unusually wide range of frequencies assigned to UWB, from 3.1-10.6 GHz, allows UWB systems employing low order modulation schemes to enjoy high throughput at low power consumption. However, since UWB shares the spectrum with existing wireless networking technologies, UWB emissions must be limited to a power spectral density below the threshold of -41.3 dBm/MHz, satisfying very stringent emission masks and introducing great challenges in the design of UWB transmitters. The subject of this thesis is the design of low power, fully integrated, reconfigurable CMOS UWB transmitters, with high spectral flexibility, high speed and high modulation quality. Adopting the Multi-Band Impulse-Radio architecture, in conjunction with the Direct Sequence BPSK modulation, the research focused on the development of a baseband unit, able to precisely invert Gaussian shaped, subnanosecond pulses. The key contributions of this thesis are a CMOS Gaussian Pulse Generator and a BSPK modulation topology, which jointly constitute the proposed baseband unit. The Pulse Generator (PG) is based on non-linear shaping, so as to facilitate the configurability of the output pulse duration, and exploits the voltage transfer characteristic of a Resistive Loaded Asymmetrical CMOS Inverter, which results in spectral sidelobes typically better than -40 dB. The PG incorporates mostly-digital low voltage circuits, while the MOSFET devices that undertake the pulse shaping avoid exclusive operation in weak inversion, in contrast to previous implementations. Consequently, the proposed CMOS PG is able to support higher throughput, as well as higher output amplitude, which relaxes considerably the design of the RF front end. This thesis presents a systematic design procedure and a scaling analysis of the non-linear pulse shaper. Moreover, in order to further increase the speed, a special PRF boost technique is proposed, which trades off speed and spectral efficiency for the spectral sidelobes level. Regarding the BPSK modulator, this work introduces the “Trigger Switching Fully Balanced Up-Conversion” topology, which avoids the use of power-hungry and distortion-prone analog circuits for the accurate inversion of the subnanosecond shaped pulses, as well as avoids the application of analog waveform switching to the baseband pulses, since the baseband modulation takes place before the generation of the pulses. The digital nature of the switching lends itself to high data rates, while the balanced paths of the topology ensure high modulation quality with minimal design effort. Wafer probing measurements confirmed the high performance of the baseband unit. The functionality of the transmitter was completed by the development of an RF front end which consists of a double balanced mixer, an LO buffer, a differential to single-ended (DtoSE) converter, and a power amplifier which is ready to drive a 50 Ohms load without requiring any off-chip components. The integrated transmitter, which incorporates the proposed baseband unit and the RF front end, was fabricated in 130 nm CMOS technology. The transmitter RFIC was directly attached to the system RF PCB using the Chip-on-Board packaging option. The First-Pass success of the system was ensured by paying particular attention to Signal/Power Integrity issues and following an IC-Package-PCB co-design procedure. The transmitter was measured up to 1.5 Gbps, which, to the author’s knowledge, was the highest speed amongst the competitive Multi-Band Impulse-Radio UWB implementations in the literature. The corresponding energy efficiency was 21 pJoule/bit and the Error Vector Magnitude (EVM) 5.5%, while the proposed transmitter improved the spectral sidelobes by over 10 dB. Exploiting the reconfigurability of the transmitter, this thesis presents the first measurements at multi-Mbps speeds that completely meet the final version of the European spectrum emission mask.