ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Современные электронные устройства повсеместно используют DC/DC-преобразователи, где ключевыми требованиями являются высокая энергоэффективность, малые габариты и минимальный вес. Для уменьшения размеров преобразователя разработчики повышают частоту коммутации силовых ключей, что позволяет применять более компактные дроссели и конденсаторы. Однако с ростом частоты увеличиваются динамические потери в транзисторах (особенно в MOSFET), что снижает КПД. В классических схемах с «жесткой» коммутацией ток и напряжение изменяются одновременно, что приводит к значительным потерям мощности и вынуждает искать компромисс между габаритами и эффективностью. Альтернативой являются преобразователи с «мягкой» коммутацией (ZVS и ZCS), где переключение происходит при нулевом напряжении или токе. Это достигается за счет резонансных контуров или дополнительных реактивных элементов, которые минимизируют динамические потери. В результате можно повысить частоту коммутации без ущерба для КПД, сохранив при этом компактные размеры устройства. Таким образом, применение мягкой коммутации устраняет традиционный компромисс между габаритами и эффективностью, делая преобразователи более совершенными.

Разработчики устройств силовой электроники стараются достичь максимальных удельных энергетических характеристик для преобразователя, т.е. минимальные масса и габариты, максимальный КПД для преобразователя, хорошее качество электрической энергии. Уменьшение массогабаритных показателей является одной из ключевых целей при разработке устройств силовой электроники. Массу DC/DC преобразователя можно уменьшить, если увеличить частоту коммутации силовых ключей преобразователя, за счет чего будут требоваться реактивные компоненты с меньшими параметрами индуктивности, емкости, а, следовательно, меньшие по габаритам и массе. Но проблема заключается в том, что при увеличении частоты коммутации будут также увеличиваться и потери в преобразователе[1,2].

1. Актуальность темы

Актуальность темы обусловлена растущими требованиями к компактности и энергоэффективности источников питания, особенно в аэрокосмической, телекоммуникационной и специальной технике, где каждый грамм массы критичен. Классические преобразователи с «жёсткой» коммутацией не позволяют одновременно увеличивать частоту (для уменьшения габаритов) и сохранять высокий КПД из-за роста динамических потерь. Мягкая коммутация (ZVS/ZCS) решает эту проблему, снижая потери и позволяя создавать лёгкие, высокочастотные и эффективные DC-DC преобразователи, что особенно важно для современных энергосистем и высокотехнологичных отраслей.

Работа посвящена исследованию изолированного DC/DC преобразователя, работающего в режиме «мягкой» коммутации. Выбранный для исследования преобразователь работает в квазирезонансном режиме и имеет два вида мягкой коммутации – при нулевом напряжении (zero voltage switch) и при нулевом токе (zero current switch) [3]. Исследованы характеристики работы преобразователя и влияние параметров резонансной цепи на потери в активных элементах. Разработана математическая модель преобразователя, а также расчет и подбор эле ментной базы. Проведен сравнительный анализ КПД и массы исследуемого пре образователя с классическими DC/DC преобразователями, работающими с «жесткой» коммутацией, мостовым и полумостовым.

2. Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка и исследование изолированного DC/DC преобразователя с «мягкой» коммутацией для снижения массогабаритных показателей DC/DC преобразователя без потери качества электрической энергии на нагрузке.

Основные задачи исследования:

  1. Аналитический обзор схемотехнических решений, выбор преобразователя для исследования
  2. Разработка математической модели, расчет параметров преобразователя, согласно техническому заданию
  3. Исследование электромагнитных процессов и рабочих характеристик преобразователя с «мягкой» коммутацией
  4. Моделирование ПМК и преобразователей с «жесткой» коммутацией, подбор элементной базы и расчет массы, сравнение полученных результатов

Объект исследования: изолированные DC-DC преобразователи.

Предмет исследования: Метод квазирезонансной мягкой коммутации для снижения динамических потерь, повышения частоты преобразования и улучшения массогабаритных показателей изолированных DC-DC преобразователей.

Актуальность полученных результатов и направления их применения

  1. Авиационная и космическая техника. Снижение массы источника питания при сохранении высокого КПД напрямую ведёт к уменьшению стартовой массы аппарата и значительной экономии средств на вывод полезной нагрузки на орбиту.
  2. Высокочастотная силовая электроника. Результаты доказывают возможность эффективной работы преобразователей в диапазоне частот 200–350 кГц и выше, что открывает путь к созданию более компактных источников питания для телекоммуникационного оборудования, серверов и промышленной автоматики.
  3. Автоматизация проектирования силовой электроники. Успешное применение искусственной нейронной сети для подбора ключевых параметров схемы демонстрирует перспективность использования методов искусственного интеллекта для оптимизации и ускорения процесса разработки сложных преобразовательных устройств.

3. Обзор метода «мягкой» и «жесткой» коммутации

Суть «мягкой» коммутации заключается в том, что на интервале коммутации ток или напряжение на ключах равен (или близок) к нулю, а другой параметр быстро изменяется, что приводит к значительному снижению динамических потерь. Таким образом, выделяют «мягкую» коммутацию при нулевом токе (zero current switch) и при нулевом напряжении (zero voltage switch). Это достигается за счет введения дополнительных реактивных элементов, которые ограничивают резкое скачкообразное изменение тока или напряжения в момент коммутации. На рисунке 1 приведено схематичное описание «жесткой» и «мягкой» коммутации.

Рисунок 1 – Схематичное описание «жесткой» (а) и «мягкой» (б) коммутации

Соединение ключа с индуктивностью и емкостью, как показано на рисунке 2 называют «резонансным ключом». Это образует резонансный контур, собственная частота которого определит скорости изменения напряжения и тока ключа, что позволит достичь «мягкого» переключения .

Рисунок 2 – Схемы резонансных ключей при: а) нулевом токе, б) нулевом напряжении

Если же рассматривать резонансные преобразователи, у них формы токов и напряжений носят плавный (синусоидальный) характер. Ключи коммутируются при нулевых напряжениях и токах, а это значительно снижает их динамические потери.

Поэтому существует компромиссное решение вопроса о снижении суммарных потерь мощности - использование квазирезонансных преобразователей.Коммутация в резонансном ключе протекает при нулевом токе либо при нулевом напряжении с помощью относительно короткого по времени резонансного процесса, который носит вспомогательный характер. Квазирезонансная коммутация эффективно снижает динамические потери и, в отличие от обычных резонансных преобразователей, не приводит к существенному росту статических потерь. Такие преобразователи способны работать в более широком диапазоне коммутационных частот, имеют лучшие энергетические характеристики и, как следствие, большую удельную мощность [4, 5].

Такого типа преобразователи актуальны в приложениях, где необходимы высокие удельные энергетические характеристики, в особенности в случаях применения для авиакосмической техники[6], т.к. можно повысить частоту коммутации и снизить массогабариты, не потеряв при этом сильно в КПД [7,8] .

4. Аналитический обзор DC/DC преобразователей с МК

4.1 Двунаправленный DC/DC преобразователь с ZVS для топливных элементов и аккумуляторов

В данной работе рассматриваются изолированные DC/DC преобразователи, т.е. имеющие гальваническую развязку входной и выходной цепей. Изолирование источника питания необходимо для обеспечения защиты чувствительных цепей, устранения общего контура заземления. Обеспечение изоляции увеличивает сложность разработки устройства и снижает КПД преобразователя, в частности из-за потерь в сердечнике и обмотке трансформатора. Повышение КПД этих источников питания позволяет смягчить требование к охлаждению, массу и габариты. [9]

Отметим, что существует ещё способ снижения потерь при коммутации - использование преобразователей с фазовым сдвигом, которые в данной работе не рассматриваются, но упомянуть о них стоит. Пример схемы силовых цепей и временных диаграмм этого преобразователя представлены на рисунке 3.

Особенность фазосдвигающего управления - два ключа (оба верхних или нижних) могут быть открыты, тогда напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора, равно нулю, т.е. она закорочена и можно переключать ключи при нулевом напряжении, что видно из рис. 4, где сигналы Gsi – управляющие сигналы. [10]

Рисунок 3 – Схема силовых цепей

Также, отметим, что «мягкая» коммутация исследуется и применяется для неизолированных DC/DC, а также инверторов, выпрямителей, AC/AC преобразователей, что говорит об актуальности и важности разработки и применения преобразователей с «мягкой» коммутацией. [11 – 17]

Преобразователи с «жесткой» коммутацией обладают значительными динамическими потерями, а в свою очередь, динамические потери возрастают при увеличении частоты коммутации, что влияет на КПД преобразователя. В основном, такие преобразователи работают на частотах порядка 50 кГц – 100 кГц при использовании MOSFET, при использовании IGBT порядка до 30 кГц [18-19]. Поэтому для уменьшения массы преобразователя за счет повышения частоты коммутации целесообразно применять преобразователи с «мягкой» коммутацией.

Авторами статьи был получен экспериментальный макет мощностью 1,6 кВт при частоте 20 кГц. По сравнению с мостовым преобразователем, который был разработан ранее авторами, размер преобразователя экономится более чем на 1/3, что, по их словам, свидетельствует о высокой удельной мощности. Экономия размера была достигнута в основном за счет меньшей нагрузки по току, меньшей схемы управления затвором и более высокий КПД (94% против 92%).Потери при переключении сведены к минимуму благодаря мягкому переключению[20-22].

Из анализа данного преобразователя – преимуществом является, что имеет ZVS, причем только на включение ключей, что является недостатком, имеет полумостовые цепи в основе, т.е. меньше активных элементов и конденсаторов, которые включаются в параллель, а значит меньшие массогабариты, в сравнении, если бы использовались мостовые схемы, а также меньше драйверов. Авторы протестировали принцип работы на экспериментальном макете, достигнув высокий КПД в 94%.

4.2 Мостовой DC/DC преобразователь с мягкой коммутацией и ШИМ

В конкретно интересующем нас случае рассмотрим только первый вариант топологии. Схема принципиальная представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема силовых цепей преобразователя

Данный DC/DC преобразователь состоит из мостового инвертора напряжения, ключи коммутируют с разделением времени на td – «мертвое» время. Ключей Q5, Q6 соединенные с шиной постоянного тока, и одного конденсатора, подключенного параллельно шине постоянного тока; высокочастотного трансформатора с выводом нулевой точки в обмотке вторичной стороны; фильтром постоянного тока на вторичной стороне и нагрузкой постоянного тока.

Потери мощности сравнивались с потерями в обычных преобразователях с «жесткой» коммутацией с высокочастотным звеном переменного тока. Когда частота переключения составляет около 20 кГц, общие потери мощности для преобразователя с «мягким» переключением и преобразователя с «жестким» переключением почти равны. Чем больше увеличивается частота коммутации, тем могут иметь заметные преимущества с точки зрения эффективности и удельной мощности результаты по сравнению с обычного преобразователя с «жестким» переключением. Из результатов эксперимента, в случае, если частота коммутации 40 кГц, общие потери мощности преобразователя с «жесткой» коммутацией с учетом потерь мощности цепей демпфера RC оцениваются примерно в 785 Вт. Эти потери мощности примерно в два раза превышают общие потери мощности разработанной схемы [23 – 27].

5. Описание используемых в исследовании преобразователей с «жесткой» коммутацией

Одной из задач исследования является сравнение эффективности преобразователя с «мягкой» коммутацией с преобразователями с «жесткой» коммутацией. Для такого сравнения выбраны 2 классические топологии полумостового DC/DC (рисунок 5) и мостового DC/DC (рисунок 6). Данные преобразователи работают при «жесткой» коммутации, что позволит провести требуемый анализ эффективностей.

Рисунок 5 – Полумостовой DC/DC преобразователь

Рисунок 6 – Мостовой DC/DC преобразователь

Исследуемый преобразователь с «мягкой» коммутацией имеет 3 такта, где осуществляется МК, возникает как коммутация ZCS, так и ZVS. Разработана математическая модель исследуемого преобразователя.

6. Описание хода исследования

Моделирование проведено для исследуемого преобразователя с «мягкой» коммутацией (рисунок 7) и двух классических полумостового и мостового DC/DC преобразователей с «жесткой» коммутацией (рисунки 5, 6). Для определения потерь использованы блокитермомодули, из данных по потерям получены КПД исследуемых преобразователей.

Рисунок 7 – Схема силовых цепей исследуемого преобразователя

На рисунке 8 представлена модель преобразователя, реализованная в ПО PowerSim.

Рисунок 8 – Модель преобразователя с «мягкой» коммутацией

На рисунках 9 – 10 представлены модели в ПО полумостового и мостового DC/DC преобразователей с «жесткой» коммутацией. Для чистоты сравнения результатов, во всех моделях используются с одинаковыми параметрами активные элементы. Это модели MOSFET транзисторов STW45NM50 от STMicroelectronics, а также модели диодов 150EBU04 от International Rectifier. [28-29]

Рисунок 9 – Модель мостового преобразователя с «жесткой» коммутацией "

Рисунок 10 – Модель полумостового преобразователя с «жесткой» коммутацией"

Выводы

В ходе работы был успешно разработан и исследован изолированный квазирезонансный DC-DC преобразователь, использующий технологию мягкой коммутации (ZVS/ZCS). Результаты моделирования и расчётов подтвердили его значительные преимущества перед классическими схемами с жёсткой коммутацией.

Преобразователь демонстрирует более высокую энергоэффективность: его КПД снижается всего на 0.72% в широком диапазоне частот (50–350 кГц), в то время как у мостовых и полумостовых аналогов падение достигает 2.4%. При этом на высоких частотах (350 кГц) он сохраняет КПД на уровне 95.57%, что примерно на 2% лучше конкурентных решений.

Ключевым достижением является существенное снижение массогабаритных показателей. Преобразователь с мягкой коммутацией на частоте 350 кГц имеет массу около 107 граммов, что в 3.5–5 раз меньше, чем у классических преобразователей, работающих на низких частотах. Это позволяет значительно уменьшить размеры источника питания без ухудшения его энергетических характеристик.

Разработанная математическая модель показала хорошую сходимость с результатами имитационного моделирования, а исследование регулировочных характеристик выявило линейную зависимость и допустимый диапазон регулирования, ограниченный сверху. Увеличение параметров резонансной цепи (ёмкости и индуктивности рассеивания) позволило снизить динамические потери в ключах в несколько раз.

Список источников

  1. Белов Г.А. Высокочастотные тиристорно-транзисторные преобразователи постоянного напряжения. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 120 с., ил.
  2. Технология мягкой коммутации транзисторов в преобразователе постоянного напряжения в постоянное / С.В. Маморцев, Г.Я. Михальченко // Доклады ТУСУРа. – март 2013. – №1 (27) – С. 24 – 27.
  3. Современные направления развития инверторов напряжения. – [Электронный ресурс]. – URL: [http://bourabai.ru/toe/source1606.htm]
  4. Воронин И.П. Разработка и исследование методов мягкой коммутации в трехфазных автономных инверторах напряжения : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.09.12 / И.П. Воронин ; науч. рук. Щепкин Н.П. ; НИУ «МЭИ». – Москва, 2011. – 20 с. : ил., табл.
  5. Новый резонансный преобразователь с глубокой регулировкой / А. Пенин, А. Семенов // Электроника НТБ. – 2002. – №4 – С. 50 – 51.
  6. Мостовой контроллер со сдвигом фазы для высоковольтных систем / J. Bazinet, пер. М. Русских // Силовая электроника. – 2021. – №5. – С. 44 – 47.
  7. Полномостовой преобразователь с мягкой коммутацией во всем диапазоне нагрузки / С.А. Баран, Г.П. Сметанкин // Глобальная ядерная безопасность. – 2020. – №1(34). – С. 56 – 61
  8. Ashique, R. H., & Salam, Z. (2017). A Family of True Zero Voltage Zero Current Switching (ZVZCS) Nonisolated Bidirectional DC–DC Converter With Wide Soft Switching Range. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 64(7), 5416–5427. doi:10.1109/tie.2017.2669884
  9. Kiran, B. R., & Ezhilarasi, G. A. (2015). Design and analysis of soft-switcheBuck-Boost Converter for PV applications. 2015 Annual IEEE India Conference (INDICON). doi:10.1109/indicon.2015.7443509
  10. Gekeler, M. W. (2013). Soft switching three level inverter (S3L inverter). 2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE). doi:10.1109/epe.2013.6631756
  11. Kim, J.-G., Choi, K.-S., Lee, S.-W., Jung, Y.-C., & Won, C.-Y. (2010). Parallel Resonant DC-link Soft Switching Inverter based on Delta-Modulation Method. The 2010 International Power Electronics Conference - ECCE ASIA. doi:10.1109/ipec.2010.5544501
  12. Sahin, Y., Ting, N. S., Akboy, E., & Aksoy, I. (2016). A new soft switchingthree level T-type inverter. 2016 10th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPE-POWERENG). doi:10.1109/cpe.2016.7544206
  13. Wang, C.-M., Li, J.-C., Wu, B.-H., & Lai, Y.-T. (2019). A Single-Stage SoftSwitching AC/DC Converter without Soft-Switching Auxiliary Circuit. 2019 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). doi:10.1109/icit.2019.8755096
  14. Mohammed, S. A. Q., & Jung, J.-W. (2021). A State-of-the-Art Review on Soft-Switching Techniques for DC–DC, DC–AC, AC–DC, and AC–AC Power Converters. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 17(10), 6569–6582. doi:10.1109/tii.2021.3058218
  15. Снижение уровня динамических потерь: «мягкая» коммутация и снабберы / A. Wintrich, U. Nicolai, W. Tursky, T. Reimann, пер. А. Колпаков // Силовая электроника. – 2013. – №6 – С. 58 – 64.
  16. Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge and Using it to Assess Switching Performance / Vishay. – [Электронный ресурс]. – URL: [https://www.vishay.com/docs/73217/an608a.pdf]
  17. Peng, F. Z., Li, H., Su, G.-J., & Lawler, J. S. (2004). A New ZVS Bidirectional DC–DC Converter for Fuel Cell and Battery Application. IEEE Transactions on Power Electronics, 19(1), 54–65. doi:10.1109/tpel.2003.820550
  18. Tuan, C. A., Naoki, H., & Takeshita, T. (2019). Unidirectional Isolated HighFrequency-Link DC-DC Converter Using Soft-Switching Technique. 2019 IEEE 4th International Future Energy Electronics Conference (IFEEC). doi:10.1109/ifeec47410.2019.9015117
  19. Gang, M., Wenlong, Q., & Yuanyuan, L. (2006). A Novel Soft Switching Bidirectional DC/DC Converter and Design Consideration. 2006 CES/IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control Conference. doi:10.1109/ipemc.2006.4778010
  20. Fathy, K., Doi, T., Morimoto, K., Lee, H. W., & Nakaoka, M. (2006). A Novel Soft-Switching PWM Full-Bridge DC/DC Converter with DC Busline Series Switch-Parallel Capacitor Edge Resonant Snubber Assisted by High-Frequency Transformer Leakage Inductor. 2006 CES/IEEE 5th InternationalPower Electronics and Motion Control Conference. doi:10.1109/ipemc.2006.4778006
  21. Morimoto, K., Doi, T., Ahmed, N. A., Ahmed, T., Lee, H.-W., & Nakaoka, M. (2005). A Novel Type DC Rail-Series Switch and Parallel Capacitor SnubberAssisted Soft Switching PWM DC-DC Converter with High Frequency Transformer. INTELEC 0 - Twenty-Seventh International Telecommunications Conference. doi:10.1109/intlec.2005.335111
  22. Etoh, T., Ahmed, T., Hiraki, E., Morimoto, K., Ahmed, N. A., Ki-Young Suh, … Nakaoka. (2005). New auxiliary active lossless snubber-assisted full bridge soft switching PWM high frequency inverter-fed DC-DC power converter. 2005 International Conference on Electrical Machines and Systems. doi:10.1109/icems.2005.202715
  23. Packnezhad, M., & Farzanehfard, H. (2009). A fully soft-switched ZVZCS Full-Bridge PWM converter. 2009 IEEE Symposium on Industrial Electronics & Applications. doi:10.1109/isiea.2009.5356332
  24. STW45NM50 Datasheet. – [Электронный ресурс]. – URL: [https://static.chipdip.ru/lib/829/DOC004829685.pdf]
  25. 150EBU04 Datasheet. – [Электронный ресурс]. – URL: [https://static.chipdip.ru/lib/196/DOC000196850.pdf]
  26. Powder cores / Magnetics. – [Электронный ресурс]. – URL: [https://www.mag-inc.com/Media/Magnetics/File-Library/Product%20Literature/Powder%20Core%20Literature/Magnetics-Powder-Core-Catalog2020.pdf]
  27. Ferrites and Accessories. EPCOS Data book. / TDK – [Электронный ресурс]. – URL: [https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/519704/069c210d0363d7b4682d9ff22c2ba503/ferrites-and-accessoriesdb-130501.pdf]
  28. Конденсаторы с органическим диэлектриком / Гириконд – [Электронный ресурс]. – URL: [https://giricond.ru/product/kondensatory-ifiltry/kondensatory_s_organicheskim_dielektrikom/]
  29. ТУ К73-87 – [Электронный ресурс]. – URL: [https://giricond.ru/upload/%D0%9D%D0%BE%D0%B2 %D1%8B%D0%B5%20%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%B5% D0%BD%D1%81%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%8B%20%D 0%BE%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5 %D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%BC%20%D0%B4%D0%B8%D1%8D% D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%BA%D0%B E%D0%BC/K7387.pdf]