Master's Thesis

Semiconductor relay for connecting battery blocks in solar systems

Final Thesis 5.07 MB Appendix 164.06 kB

Author of thesis: Ing. Pavel Daďa

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Dalibor Červinka, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jiří Ctibor

Abstract:

This thesis focuses on improving a semiconductor relay for connecting battery banks in photovoltaic systems, specifically by reducing switching losses through the use of an additional flash-triggering circuit integrated into the developed version of the disconnector. The main focus was on accelerating the switching and disconnection times of the electronic semiconductor switch for power switching in battery systems, which is intended to replace the commonly used electromagnetic contactor. This switch was developed in a previous project. The introduction presents the challenges of connecting battery modules in the field of photovoltaic power plants, followed by a description of the original solution using the GIGAVAC GX23 power contactor and SSR switch from the previous project, along with a description of MCB technology. This is followed by a presentation of the switch sizing and a description of the specific technical solution, including calculations of switching energy, line losses, and the thermal resistance of the heat sink. Next comes a functional verification of the experimental version 1 of the disconnector and an introduction to the innovative solution, which includes the design and simulation of a new circuit to accelerate switching processes. This section is followed by a chapter containing the design and testing of the developed fast-switching circuit, followed by a verification of the functionality of the version 2 switch. The conclusion of the thesis summarizes the findings from the design and possible extensions of the final product. The text is divided into ten chapters; the first chapter describes the challenges of connecting battery modules in photovoltaic power plants, the second chapter addresses the challenges of connecting battery banks, and the third chapter describes MCB technology. The fourth chapter describes switch sizing, the fifth chapter presents a specific switch solution, and the sixth chapter verifies the functionality of the experimental version of the disconnector (version 1). The seventh chapter describes an innovation in the disconnector to ensure instantaneous switching on and off of the SSR; the eighth chapter focuses on a specific solution for the fast-switching circuit; the ninth chapter describes the functional verification of switch version 2; and the final chapter presents a summary of findings and possibilities for further development of the SSR contactor.

Keywords:

MOSFET, SSR relay, SSR contactor, current, voltage, switching loss, MCB

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student seznámil komisi se zadáním a aplikací svého produktu včetně netradičních obvodových prvků, které použil ve svém designu. Dále vysvětlil princip funkce spínače z minulé práce a doplnil o to co inovoval v současné práci. Na závěr vysvětlil princip funkce poslední verze urychlovacího obvodu, ukázal výstupy z finálního výrobku. Student odpověděl na otázky oponenta. Student dostal doplňující otázku vysvětlit princip funkce proud omezující diody.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Power Electrical and Electronic Engineering (MPC-SVE)

Composition of Committee

doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Bohuslav Bušov, CSc. (člen)
Ing. Petr Huták, Ph.D. (člen)
Ing. Dalibor Červinka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Ondřej Vítek, Ph.D. (místopředseda)

Supervisor’s report
Ing. Dalibor Červinka, Ph.D.

Diplomová práce byla iniciována požadavky průmyslového podniku, kde je student zaměstnán. Vzniklo funkční zařízení, které splňuje všechny požavky, které byly na začátky projektu vytyčeny. Pozitivně lze hodnotit studentovu velkou samostatnost, především co se týká realizace zdlouhavých ověřovacích měření na výrobku. Jistým nedostatkem však je, že hlavní objem prací byl vykonán již v rámci práce bakalářské a další inovace a optimalizace produktu byla provedena pouze doplněním rozšiřujícího modulu ke stávající desce plošných spojů a ne kompletním redesignem celého výrobku tak, jak by bylo vhodné. Drobné výhrady lze mít k některým méně výstižným formulacím, které se v textu často vyskytují. Points proposed by supervisor: 80

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Jiří Ctibor

Předložená diplomová práce studenta Bc. Pavla Daďi se zabývá tématem Konstrukce polovodičového relé pro připojování bateriových bloků v solární systémech a má 100 stran. Jeho předešlá bakalářská práce se zabývala Návrhem polovodičového stykače pro velké výkony, čítající 70 stran. Diplomová práce je po 50 stranu shodná s minulou bakalářskou prací, a to včetně textů (doslovných) i obrázků. Je částečně změněno pouze číslování některých kapitol, obrázků a podobně. Analýza plagiátorství vykazuje 48 % shodu s jeho vlastní minulou prací. Student dokonce zkopíroval i stejné chyby, které mu byly v bakalářské práci vytknuty, jako například paralelní spojování baterií. Navíc i připojováním samotného měniče takto „natvrdo“ by značně trpěli kondenzátory a samotné spínací prvky na velký inrush current. V práci se vyskytují různé obvodové kuriozity stejně jako v předešlé bakalářské, viz některé schémata zapojení v otázkách oponenta.
Škoda že student jako hlavní téma diplomové práce zvolil minimalizaci přepínacích ztrát odpojovače baterie, který se sepne cca jednou za měsíc a nezabýval se spíš, jak inteligentně vyřešit už třeba jen precharge kondenzátorů v měniči, nebo dokonce zajištění paralelního provozu více samostatných a odpojitelných baterií. Nehledě na to, že na str. 42 sám píše že: „Joulovy spínací ztráty lze zanedbat z důvodu velmi krátké doby sepnutí (4,43 ms).“ Zrychlování sepnutí někdy ani není žádoucí, dokonce v případě velkých rázových proudů se v bateriové praxi úmyslně zapínací děje tranzistorů zpomalují, čímž se proudový ráz omezuje. Proudově předimenzované tranzistory tento jeden přepínací děj hravě zvládnou.
Student zřejmě ani moc nechápe aplikovanou matematiku, neboť na str. 33 obrázek 5 podle něho znázorňuje pokles napětí na svorkách zdroje při jeho vypnutí, z toho jako převrácenou hodnotu času vypočítá frekvenci a z toho potom určuje indukčnost vedení.
Stylisticky a graficky je práce na dostatečné úrovni, některá schémata jsou zpracována v MS paint a nejsou vůbec hezká.
Závěr: Student sice formálně splnil body zadání, 3/4 však již byly splněni již v práci bakalářské. Nedošlo k inovaci původního spínače, ale pouze k návrhu jakési destičky, která byla k původnímu bakalářskému spínači „dobastlena“ viz obr. 65. Vzhledem i k vlastnímu plagiátorství textu je na zvážení, jestli doporučit práci k obhajobě. Navíc podle dodaných schémat to nevypadá přesvědčivě, že by student věděl, co přesně dělá a zapojení by se dala řešit daleko elegantněji. V návaznosti i na otázku číslo 6 vůbec není jasné, že se jedná o studentem navržený spínač, v přílohách nebyly nalezeny podklady k silovému obvodu, jehož realizace je předmětem bodu zadání 3. Samotný přínos diplomové práce je skoro menší než minulé bakalářská práce, neboť v ní student zřejmě navrhl výkonový spínač, zatímco v práci diplomové navrhl jen jakýsi „zrychlovací obvod“ který plní funkci spíš podpěťové ochrany. Z těchto důvodů hodnotím práci 55 body. Topics for thesis defence:
  1. Na str. 42 píšete: "Joulovy spínací ztráty lze zanedbat z důvodu velmi krátké doby sepnutí (4,43 ms)". Proč teda se v diplomové práci zabíváte zrychlováním sepnutí? Jak často ten odpojovač spíná? Nemá odpojovač z definice odpojovat obvod naprázdno?
  2. Vysvětlete funkci obvodu na Obr. 44, podle naměřených průběhů to vypadá, že obvod jaksi kmitá (obr. 45, 46).
  3. Vysvětlete funkci „urychlovacího obvodu“ na obr. 49
  4. Vysvětlete zapojení obr. 51.
  5. Vysvětlete zapojení obr. 54.
  6. Proč je vámi navržená deska spínače (obr. 64) jiná, než finální výrobek? (obr. 65). Vypadá to, jak kdyby se spíš jednalo o „reverse engineering“. Navíc je divné, že schémata vypadají navržená v Eagle a desku v Kicad, to má nějaký důvod?
Points proposed by reviewer: 55

Grade proposed by reviewer: E

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová