High-frequency power conversion for photovoltaic module applications

Abstract

As world governments focus on transitioning to renewable energy production, power electronics are a mandatory tool in facilitating this transition. Power electronic converters are needed in all types of renewable energy production, whether that is wind, solar, geothermal, or wave energy. This work focuses on solar energy generation in the residential market segment. In this segment, it is valuable to have individual control of each solar panel module, as environmental conditions can vary significantly at each neighbouring panel. This typically leads to the need to regulate the photovoltaic panel voltage across a wide voltage range, preferably with a favourable power conversion efficiency, to increase the annual energy yield from the installed panels. Various actions were undertaken within this work to improve on the existing state of the art. First, a literature review of existing converters in this application area is presented. The benefits of wide-bandgap devices are also explored. Some of the Gallium Nitride devices typically used in this application area have been characterised for their performance, as this transistor technology has shown promising results in recent years and has led to the creation of breakthrough conversion systems in terms of size and efficiency. In addition, a topology-morphing converter is proposed, achieving broad input voltage regulation with high efficiencies and constant operating frequency. The operation analysis and experimental verification are presented in the chapters of this thesis. Several design pitfalls are also presented, along with avenues to increase the performance of the designed solutions. The designed converter achieved a peak efficiency of 98.5% while also keeping the efficiency over 90% with a wide range of input voltages (8-35 V). Finally, the proposed converter is redesigned to work in the MHz frequency range. The redesigned converter benefits from the use of planar magnetics, resulting in a slim converter profile. A low-profile conversion system can enable integration of the power conversion system with the photovoltaic panel, providing several benefits, such as easy and scalable installation. Most importantly, it allows an integrated solution for photovoltaic building materials, which have stringent dimension requirements. The size reduction is highlighted in the thesis, and experimental results are presented for this case. A peak efficiency of over 95% is seen in the redesigned conversion system, which also has a minimal height profile of 9.1 mm.

Καθώς οι κυβερνήσεις παγκοσμίως επικεντρώνονται στη μετάβαση προς την παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, τα ηλεκτρονικά ισχύος αποτελούν αναπόσπαστο εργαλείο για τη διευκόλυνση αυτής της μετάβασης. Οι μετατροπείς ηλεκτρονικής ισχύος είναι απαραίτητοι σε όλες τις μορφές παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, όπως η αιολική, η ηλιακή, η γεωθερμική και η κυματική ενέργεια.Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην παραγωγή ηλιακής ενέργειας στον οικιακό τομέα. Σε αυτό το τμήμα της αγοράς, είναι ιδιαίτερα σημαντικός ο ατομικός έλεγχος κάθε φωτοβολταϊκού πάνελ, καθώς οι περιβαλλοντικές συνθήκες μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ακόμη και μεταξύ γειτονικών πάνελ. Αυτό συνήθως οδηγεί στην ανάγκη ρύθμισης της τάσης του φωτοβολταϊκού πάνελ σε ευρύ εύρος τάσεων, κατά προτίμηση με ευνοϊκή απόδοση μετατροπής ισχύος, ώστε να αυξηθεί η ετήσια ενεργειακή απόδοση των εγκατεστημένων πάνελ. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκαν διάφορες ενέργειες για τη βελτίωση της υπάρχουσας τεχνολογικής κατάστασης. Αρχικά, παρουσιάζεται ανασκόπηση της βιβλιογραφίας σχετικά με τους υφιστάμενους μετατροπείς σε αυτή την εφαρμογή. Εξετάζονται επίσης τα πλεονεκτήματα των ημιαγωγών ευρέος ενεργειακού χάσματος. Ορισμένες διατάξεις Νιτριδίου του Γαλλίου (GaN), που χρησιμοποιούνται συνήθως σε αυτό το πεδίο εφαρμογής, χαρακτηρίστηκαν ως προς την απόδοσή τους, καθώς αυτή η τεχνολογία τρανζίστορ έχει επιδείξει ιδιαίτερα υποσχόμενα αποτελέσματα τα τελευταία χρόνια και έχει οδηγήσει στη δημιουργία πρωτοποριακών συστημάτων μετατροπής ως προς το μέγεθος και την απόδοση. Επιπλέον, προτείνεται ένας μετατροπέας με μεταβαλλόμενη τοπολογία, ο οποίος επιτυγχάνει ευρεία ρύθμιση της τάσης εισόδου με υψηλές αποδόσεις και σταθερή συχνότητα λειτουργίας. Η ανάλυση λειτουργίας και η πειραματική επαλήθευση παρουσιάζονται στα κεφάλαια της διατριβής. Παρουσιάζονται επίσης διάφορες σχεδιαστικές παγίδες, καθώς και τρόποι βελτίωσης της απόδοσης των προτεινόμενων λύσεων. Ο σχεδιασμένος μετατροπέας πέτυχε μέγιστη απόδοση 98,5%, διατηρώντας ταυτόχρονα απόδοση άνω του 90% σε ευρύ εύρος τάσεων εισόδου (8–35 V). Τέλος, ο προτεινόμενος μετατροπέας επανασχεδιάστηκε ώστε να λειτουργεί στην περιοχή συχνοτήτων των MHz. Ο επανασχεδιασμένος μετατροπέας αξιοποιεί επίπεδα μαγνητικά στοιχεία, με αποτέλεσμα ένα λεπτό προφίλ μετατροπέα. Ένα σύστημα μετατροπής χαμηλού προφίλ μπορεί να επιτρέψει την ενσωμάτωση του συστήματος μετατροπής ισχύος με το φωτοβολταϊκό πάνελ, προσφέροντας πολλαπλά οφέλη, όπως εύκολη και κλιμακούμενη εγκατάσταση. Το σημαντικότερο είναι ότι επιτρέπει μια ολοκληρωμένη λύση για φωτοβολταϊκά δομικά υλικά, τα οποία έχουν αυστηρές απαιτήσεις διαστάσεων. Η μείωση του μεγέθους αναδεικνύεται στη διατριβή και παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα για αυτή την περίπτωση. Στο επανασχεδιασμένο σύστημα μετατροπής παρατηρείται μέγιστη απόδοση άνω του 95%, ενώ το σύστημα διαθέτει ελάχιστο προφίλ ύψους 9,1 mm.