Invertteripääteasteen suunnittelu

Invertteritekniikalla voidaan toteuttaa nykyaikainen, monipuolinen ja tehokas pääteaste moneen eri käyttötarkoitukseen. Tässä työssä suunnitellaan invertteripääteaste mittalaite- ja virtalähdesovelluksiin. Suunnittelussa otetaan huomioon muunneltavuus, valmistuskustannukset ja mitat. Näiden kriteerien lisäksi pääteaste suunnitellaan niin, että se täyttää mittalaite- ja virtalähdesovelluksien vaatimat standardit. Pääteasteen teho rajoittuu 500 VA:iin, mutta vaatimukset lähtöjännitteen erimuotoisuudelle aiheuttavat suunnittelulle omat vaikeutensa. Työssä täytyy tutkia, minkälainen tuloaste, invertteri, suodin ja lähtöaste sopivat parhaiten pääteasteen toteutukseen. Sopivien topologioiden löydyttyä pääteaste simuloidaan tietokoneella, jonka jälkeen voidaan suunnitella prototyyppi käytännön testauksia varten. Suunnittelussa päädyttiin seuraaviin topologioihin: Tuloasteeksi valittiin PFC-piiri, joka on nykyaikana pakollinen invertterikäytössä, koska verkkoon palaavat harmoniset yliaaltokomponentit täytyy suodattaa. Invertteritopologiaksi valittiin kokosiltainvertteri, jolla saadaan parhaiten muutettua lähtöjännitteen taajuutta ja amplitudia. Suodintopologiaksi valittiin LC-suodin, jolla saadaan tehokkaasti suodatettua invertterin aiheuttamat harmoniset yliaallot. Lähtöön sijoitetaan muuntaja, jonka muuntosuhdetta muuntamalla saadaan lähtöjännite halutuksi eri käyttötarkoituksia varten.

Akkujen ja superkondensaattorien yhteiskäyttö energiavarastoina ja niiden verkkoon liittäminen ajoneuvoissa

Ajoneuvojen tiukentuneet päästörajoitukset, sekä ajoneuvojen kokonaishyötysuhteen parantamisen tarve ohjaavat ajoneuvovalmistajia kehittämään uusia ratkaisuja. Energiavarastojen käyttö ajoneuvoissa on yleistynyt ja niiden käytöllä voidaan saada huomattava energiasäästö. Tässä kandidaatintyössä on esitelty erilaisia energiavarastoja ja niiden verkkoon liittämistä. Pääpaino työssä on akkujen ja superkondensaattorien rinnankytkennässä. Energiavarastot pyritään kytkemään mahdollisimman vähällä tehoelektroniikalla verkkoon. Esimerkkitapaukseksi on otettu litium-ioni akkujen ja superkondensaattorien rinnankytkentä vaihtojännitteeseen pelkällä invertterillä.

Aurinkopaneeleihin liitettävien vaihtosuuntaajien testaussuunnitelman laadinta ja toteutus

Aurinkoenergia on yksi monista uusiutuvan energian muodoista, joiden suosio on viimeisten vuosien aikana kasvanut fossiilisten polttoaineiden kallistumisen sekä ilmaston lämpenemisen vuoksi. Auringon säteilyn energiaa voidaan muuttaa sähköenergiaksi mm. aurinkopaneeleiden avulla. Aurinkopaneeleihin liitetään usein vaihtosuuntaaja, jolla tuotettu teho voidaan muokata sähköverkkoon tai kotitalouden sähköjärjestelmään sopivaksi. Tässä työssä on esitelty aurinkopaneelilla tuotettavan sähköenergian perusperiaatteet sekä tehoa tuottavan järjestelmän reunaehdot. Tutkimuksessa on perehdytty keskeisiin, aurinkopaneeleihin liitettäville vaihtosuuntaajille laadittuihin standardeihin, hyötysuhteen mittaamisen sekä sähkön laadun näkökulmista. Selvityksen avulla järjestelmän hyötysuhteen sekä lähtötehon laadun määrittämiseksi voidaan laatia standardien mukainen mittaussuunnitelma vaihtosuuntaajan nimellistehosta riippumatta. Standardien avulla on laadittu mittaussuunnitelma Global Inversonne, 100 kW - verkkovaihtosuuntaajayksikölle. Suunnitelman mukaisissa mittauksissa on tutkittu yksikön muunnoshyötysuhdetta sekä lähtöjännitteen- ja virran laatua. Lisäksi työssä on analysoitu mittaustulosten mittausepävarmuuksia ja niitä aiheuttavia tekijöitä.

Tasasähkönjakeluverkon asiakaspäätelaitteen galvaanisen erotuksen toteuttaminen

Tässä työssä tutkitaan LLC resonanssipiirin soveltuvuutta galvaanisen erotuksen toteuttamiseen tasasähkönjakeluverkon asiakaspäätelaitteessa. Tarkastellaan resonanssipiirin ominaisuuksia ja aikaisempia käyttökohteita. Tutkitaan piirin soveltuvuutta vaihtosähkö sovellukseen ja esitellään piirin toimintaa, häviöitä ja ohjausta. Esitellään pulssin leveys moduloitu (PWM) ja pulssin tiheys moduloitu (PDM) invertteri sovellukset ja näiden toimintaa. Esitetään vielä parannusehdotuksia ja kytkentäkuvio kytkennän ominaisuuksien ja hyö-tysuhteen parantamiseksi. Tutkimuksessa selvisi, että suora PDM topologia ei sovellu tähän käyttötarkoitukseen suuren suodin induktanssin vuoksi. PWM invertteri topologia jännitteen tasasuuntauksella taas sopii sovellukseen ja tällä rakenteella on mahdollista tehdä galvaaninen erotus hyvinkin hyvällä hyötysuhteella. Pehmeän kytkennän aiheuttamien häviöiden tarkka määrittely simulointimallista on parhaimmillaankin vain suuntaa-antava, mutta tulokset olivat mielestäni oikein positiivisia. LLC resonanssipiirin toimintaa tutkittiin vain resonanssitaajuudella kytkettäessä, jolloin sen jännitevahvistusominaisuuksien hyödyntäminen jää tarkastelun ulko-puolelle.

Near-Threshold Computing

Valmistustekniikoiden kehittyessä IC-piireille saadaan mahtumaan yhä enemmän transistoreja. Monimutkaisemmat piirit mahdollistavat suurempien laskutoimitusmäärien suorittamisen aikayksikössä. Piirien aktiivisuuden lisääntyessä myös niiden energiankulutus lisääntyy, ja tämä puolestaan lisää piirin lämmöntuotantoa. Liiallinen lämpö rajoittaa piirien toimintaa. Tämän takia tarvitaan tekniikoita, joilla piirien energiankulutusta saadaan pienennettyä. Uudeksi tutkimuskohteeksi ovat tulleet pienet laitteet, jotka seuraavat esimerkiksi ihmiskehon toimintaa, rakennuksia tai siltoja. Tällaisten laitteiden on oltava energiankulutukseltaan pieniä, jotta ne voivat toimia pitkiä aikoja ilman akkujen lataamista. Near-Threshold Computing on tekniikka, jolla pyritään pienentämään integroitujen piirien energiankulutusta. Periaatteena on käyttää piireillä pienempää käyttöjännitettä kuin piirivalmistaja on niille alunperin suunnitellut. Tämä hidastaa ja haittaa piirin toimintaa. Jos kuitenkin laitteen toiminnassa pystyään hyväksymään huonompi laskentateho ja pienentynyt toimintavarmuus, voidaan saavuttaa säästöä energiankulutuksessa. Tässä diplomityössä tarkastellaan Near-Threshold Computing -tekniikkaa eri näkökulmista: aluksi perustuen kirjallisuudesta löytyviin aikaisempiin tutkimuksiin, ja myöhemmin tutkimalla Near-Threshold Computing -tekniikan soveltamista kahden tapaustutkimuksen kautta. Tapaustutkimuksissa tarkastellaan FO4-invertteriä sekä 6T SRAM -solua piirisimulaatioiden avulla. Näiden komponenttien käyttäytymisen Near-Threshold Computing –jännitteillä voidaan tulkita antavan kattavan kuvan suuresta osasta tavanomaisen IC-piirin pinta-alaa ja energiankulusta. Tapaustutkimuksissa käytetään 130 nm teknologiaa, ja niissä mallinnetaan todellisia piirivalmistusprosessin tuotteita ajamalla useita Monte Carlo -simulaatioita. Tämä valmistuskustannuksiltaan huokea teknologia yhdistettynä Near-Threshold Computing -tekniikkaan mahdollistaa matalan energiankulutuksen piirien valmistaminen järkevään hintaan. Tämän diplomityön tulokset näyttävät, että Near-Threshold Computing pienentää piirien energiankulutusta merkittävästi. Toisaalta, piirien nopeus heikkenee, ja yleisesti käytetty 6T SRAM -muistisolu muuttuu epäluotettavaksi. Pidemmät polut logiikkapiireissä sekä transistorien kasvattaminen muistisoluissa osoitetaan tehokkaiksi vastatoimiksi Near- Threshold Computing -tekniikan huonoja puolia vastaan. Tulokset antavat perusteita matalan energiankulutuksen IC-piirien suunnittelussa sille, kannattaako käyttää normaalia käyttöjännitettä, vai laskea sitä, jolloin piirin hidastuminen ja epävarmempi käyttäytyminen pitää ottaa huomioon.