Bu tədqiqat birbaşa matris çeviricilərində istifadə olunmaq üçün kompakt ikiistiqamətli güc elektronikası açarının dizaynını, PCB tətbiqini və laboratoriya doğrulamasını araşdırır. Təklif olunan modul iki ədəd IMBG120R053M2H SiC-MOSFET güc elementini və iki müstəqil galvanik izolyasiyalı çıxış təmin edən UCC21521 gate sürücüsünü birləşdirir. Məqsəd cərəyanın iki istiqamətdə ötürülə bildiyi və gərginliyin iki polaritetdə idarə oluna bildiyi, yüksək açma-bağlama tezliklərinə uyğun, kompakt açar vahidi hazırlamaqdır.

Güc mərhələsində istifadə olunan IMBG120R053M2H SiC-MOSFET üçün mənbədə 1200 V drain-source gərginlik dözümlülüyü, 25 °C-də 52,6 mΩ açıq vəziyyət müqaviməti, 15–18 V tövsiyə olunan gate açma gərginliyi, 4,2 V gate hədd gərginliyi, 2 µs qısaqapanma dözümlülük müddəti və həddən artıq yüklənmə şəraitində 200 °C maksimum keçid temperaturu verilmişdir. Bu dəyərlər istifadə olunan yarımkeçiricinin data sheet xüsusiyyətləridir; tədqiqatdakı təcrübələr 1200 V səviyyəsində aparılmamışdır.

Sürücü mərhələsində istifadə olunan UCC21521-in idarəetmə tərəfi qidalanması 3–5,5 V, güc tərəfi çıxış qidalanması 13–20 V, izolyasiya dözümlülüyü 5,7 kVrms və çıxış cərəyan qabiliyyəti 4–6 A olaraq verilmişdir. Mənbə həmçinin sürücünün 100 V/ns-dən yuxarı common-mode transient immunity və 2 MHz-dən yuxarı maksimum açma-bağlama tezliyi qabiliyyətinə malik olduğunu qeyd edir. Tədqiqatın faktiki açar təcrübələri isə 1–100 kHz kimi müəyyən edilmiş xeyli aşağı tezlik diapazonunda aparılmışdır.

PCB KiCad 9.0.0 istifadə edilərək hazırlanmış və birqatlı arxitektura seçilmişdir. Tədqiqatçılar SMD komponentlərin istifadəsini, kritik açma-bağlama yollarının qısa saxlanmasını, aşağı güc və yüksək güc sahələrinin fiziki ayrılmasını, müstəqil torpaq bölgələrini və geniş mis səthlərini kompaktlıq, parazit induktivliyin azaldılması və istiliyin yayılması baxımından əsas dizayn xüsusiyyətləri kimi izah edirlər.

Laboratoriya doğrulamasında əvvəlcə UCC21521 sürücüsünün 1 kHz-dəki gate çıxışları yoxlanmış, daha sonra RCD snubber dövrəsinin açma-bağlama keçidlərində gərginlik overshoot-u və rəqsləri azaltma təsiri müqayisə edilmişdir. İkiistiqamətli açar daha sonra AC şəraitində 50, 100 və 150 V; DC şəraitində isə 50 və 100 V səviyyələrində qiymətləndirilmişdir. DC təcrübələrinin bir hissəsində 300 Ω rezistor yükü, digər hissəsində isə mənbə tərəfindən induktiv-rezistiv davranış göstərdiyi bildirilən elektrik qızdırıcısı istifadə olunmuşdur.

Eksperimental dalğa formaları araşdırılan gərginlik və tezlik şəraitində açarın təkrarlana bilən şəkildə açılıb-bağlandığını və snubber istifadə edildikdə açma-bağlama keçidlərindəki yüksək tezlikli rəqslərin azaldığını göstərir. Bununla belə, iş tam üçfazalı birbaşa matris çevirici sistemini laboratoriyada qurub sınaqdan keçirməmişdir. Birbaşa doğrulanan avadanlıq belə bir çeviricidə istifadə olunmaq üçün hazırlanmış ikiistiqamətli SiC-MOSFET açar moduludur.

Türkiyə baxımından: İş Türkiyədəki elektrikli avtomobil, sənaye tipli mühərrik sürücüsü və ya şəbəkəyə qoşulan güc çeviricisi üzərində aparılmamışdır. Buna baxmayaraq SiC əsaslı yüksək sürətli açma-bağlama, galvanik izolyasiyalı gate sürücüsü, PCB parazitlərinin azaldılması və RCD snubber ölçüləndirilməsi baxımından güc elektronikası laboratoriyalarında tətbiq edilə bilən konkret prototipləmə yanaşması təqdim edir. Türkiyədə real yüksək güclü matris çevirici tətbiqinə keçmək üçün istilik dövrü, EMI/EMC, izolyasiya koordinasiyası, yüksək gərginlik təcrübələri, qısaqapanma qoruması və tam çevirici kommutasiyası ayrıca doğrulanmalıdır.

İkiistiqamətli açar niyə lazımdır?

Birbaşa matris çeviriciləri AC giriş ilə AC çıxış arasında klassik DC-bara enerji saxlama mərhələsi olmadan birbaşa enerji çevrilməsi edə bilən güc elektronikası strukturlarıdır. Belə topologiyalarda istifadə edilən açarların yalnız bir istiqamətdə cərəyan ötürməsi kifayət deyil; yük və şəbəkə şəraitinə görə cərəyan istiqaməti dəyişə bilməli və fərqli gərginlik polaritetləri idarə olunmalıdır.

Mənbə buna görə ikiistiqamətli açarı cərəyanı iki istiqamətdə idarə edə bilən və müsbət-mənfi gərginlik şəraitində istifadə olunan güc elektronikası elementi kimi nəzərdən keçirir.

Tədqiqatın məqsədi yeni SiC-MOSFET yarımkeçiricisi istehsal etmək deyil. İşin töhfəsi kommersiya SiC-MOSFET və galvanik izolyasiyalı gate sürücüsünü kompakt PCB modulu daxilində birləşdirərək birbaşa matris çeviriciləri üçün istifadə edilə bilən ikiistiqamətli açar hüceyrəsi yaratmaqdır.

SiC-MOSFET niyə seçilib?

Mənbə SiC-MOSFET texnologiyasını ənənəvi silikon MOSFET və IGBT həlləri ilə müqayisədə yüksək açma-bağlama tezliyi, aşağı açma-bağlama itkisi və yüksək temperatur qabiliyyəti kimi xüsusiyyətlərinə görə seçir.

Güc mərhələsində istifadə olunan element Infineon IMBG120R053M2H CoolSiC™ 1200 V MOSFET-dir.

Buradakı 1200 V gərginlik və ya 200 °C temperatur dəyərləri eksperimental test şərtləri deyil. Bunlar tədqiqatda seçilmiş SiC-MOSFET-in texniki xüsusiyyətləri kimi verilir. İşin fiziki AC doğrulaması ən çox 150 V girişdə, DC doğrulaması isə 100 V girişdə aparılmışdır.

İkiistiqamətli güc mərhələsi necə qurulub?

Mənbədə iki SiC-MOSFET-in bir-birinə əks istiqamətli qoşulduğu güc mərhələsi istifadə edilir. Bu düzülüş sayəsində bir MOSFET-in body diode-u üzərindən yarana bilən idarəolunmaz əks istiqamətli cərəyan yolu məhdudlaşdırılır və açarın ikiistiqamətli davranışı aktiv gate idarəetməsi ilə müəyyən edilir.

Lakin mənbənin terminologiyasında uyğunsuzluq vardır. Bölmə 2-də iki güc tranzistorunun “antiparallel configuration” formasında bağlandığı yazılır, Bölmə 3.2-də isə eyni güc mərhələsi “anti-series configuration” kimi təsvir edilir. Şəkil 1 və Şəkil 3b eyni iki elementli ikiistiqamətli quruluşu göstərir; Verianla bu iki fərqli termini mənbə adından vahid ifadə ilə səssizcə dəyişdirməmişdir.

Gate sürücü niyə ayrıca mərhələdir?

Mikrokontroller, DSP və ya FPGA tərəfindən yaradılan PWM siqnalı SiC-MOSFET gate-ni birbaşa təhlükəsiz şəkildə idarə edə bilməz. Güc mərhələsində sürətli gərginlik dəyişmələri və yüksək common-mode keçicilər yarana bildiyi üçün idarəetmə elektronikasının güc dövrəsindən elektrik baxımından ayrılması lazımdır.

Tədqiqatda bu vəzifə Texas Instruments UCC21521 iki kanallı izolyasiyalı gate sürücüsünə verilmişdir.

Mənbə həmçinin UCC21521 üçün common-mode transient immunity-nin 100 V/ns-dən yüksək olduğunu qeyd edir. Bu dəyər sürücünün texniki qabiliyyətidir; işdə 100 V/ns CMTI həddinədək ayrıca eksperimental EMI testi aparılmamışdır.

Gate çıxışındakı köməkçi elementlər nə edir?

Şəkil 3a-dakı sürücü dövrəsi yalnız UCC21521-dən ibarət deyil. Gate çıxışlarında rezistorlar, diodlar və bypass/decoupling kondensatorları vardır. Tədqiqatçılar bu elementlərin gate gərginliyini formalaşdırmaq, artıq gərginlikləri məhdudlaşdırmaq, keçid rəqslərini söndürmək və siqnal bütövlüyünü qorumaq üçün istifadə edildiyini izah edirlər.

İdarəetmə və güc tərəflərindəki torpaq bölgələri də bir-birindən ayrılmışdır. Beləliklə, güc mərhələsindəki sürətli açma-bağlama keçicilərinin parazit yollarla idarəetmə tərəfinə daşınmasının azaldılması hədəflənmişdir.

Mənbə sürücü davranışını iki fərqli formada izah edirmi?

Bəli. Bölmə 3.2-də tədqiqatçılar iki MOSFET-in sürücü çıxışları ilə müstəqil idarə edildiyini və hər yarım dövrdə yalnız bir cihazın aktiv olmasının shoot-through riskini önlədiyini bildirirlər.

Bunun əksinə, Bölmə 5.1-də ilk gate sürücü doğrulaması üçün:

“A single PWM control signal was applied to both driver inputs simultaneously”

şəklində test quruluşu izah edilir. Yəni ilkin doğrulamada eyni PWM siqnalı iki sürücü girişinə eyni vaxtda tətbiq edilmişdir.

Bu iki izahın fərqli təcrübə/iş rejimlərinə aid olub-olmadığı mənbədə ətraflı açma-bağlama vəziyyəti cədvəli ilə izah edilmir. Buna görə Verianla mətni onları zorla uzlaşdırmır.

PCB necə kiçildilib?

PCB KiCad Version 9.0.0 ilə hazırlanmışdır. İşin Şəkil 4-ü üç mərhələni birlikdə göstərir: üst qat PCB yerləşimi, üçölçülü PCB görünüşü və fiziki istehsal olunmuş dövrə kartı.

Tədqiqatçılar istehsal rahatlığı və maya dəyəri üçün birqatlı arxitektura istifadə etdiklərini bildirirlər. Kritik yüksək sürətli açma-bağlama yolları qısa saxlanmış, aşağı və yüksək güc bölgələri ayrılmış, müstəqil torpaq sahələri istifadə edilmiş və güc MOSFET-lərinin yerləşdiyi bölgələrdə geniş mis sahələri buraxılmışdır.

Komponentlərin əksəriyyəti SMD tipidir. Bu yanaşma modul ölçüsünü kiçiltsə də, işdə PCB-nin dəqiq fiziki ölçüləri və ya güc sıxlığı W/cm³ ilə rəqəmsal olaraq verilmir. Buna görə dizayn mənbə tərəfindən “kompakt” adlandırılsa da, Verianla yeni güc sıxlığı dəyəri yaratmır.

Açma-bağlama itkisi necə hesablanır?

Mənbə açma-bağlama zamanı yaranan açılma və bağlanma enerji itkilərini sadələşdirilmiş üçbucaqlı keçid yanaşması ilə müəyyən edir:

\[ E_{ON} = \frac{1}{2} t_{ON}V_{DS}i_L \]

\[ E_{OFF} = \frac{1}{2} t_{OFF}V_{DS}i_L \]

Burada \(t_{ON}\) və \(t_{OFF}\) açılma-bağlanma keçid müddətlərini, \(V_{DS}\) MOSFET üzərindəki drain-source gərginliyini və \(i_L\) açılıb-bağlanan maksimum yük cərəyanını təmsil edir.

Açma-bağlama tezliyi nəzərə alındıqda:

\[ L_{ON}=E_{ON}F_{sw} \]

\[ L_{OFF}=E_{OFF}F_{sw} \]

ifadələri istifadə olunur.

İş nəzəri analiz girişində açma-bağlama və keçiricilik itkilərindən danışır; lakin yayımlanan tənlik qrupunda ətraflı verilən düsturlar açma-bağlama enerji və güc itkiləridir. Ayrı keçiricilik itkisi tənliyi və ya ümumi səmərə faizi təqdim edilmir.

RCD snubber niyə əlavə edilib?

SiC-MOSFET-in sürətli cərəyan dəyişməsi dövrədəki kiçik parazit induktivliklərlə birlikdə turn-off anında drain-source gərginlik overshoot-u və yüksək tezlikli rəqslərə səbəb ola bilər. Buna görə tədqiqatçılar hər MOSFET üçün RCD tipli snubber şəbəkəsi əlavə etmişlər.

Parazit induktivlikdə saxlanılan enerji:

\[ E_L = \frac{1}{2} L_mI_{off}^2 \]

kimi hesablanır.

Bu enerjinin snubber kondensatoruna ötürüldüyü qəbul edilərək:

\[ C_s = \frac{L_mI_{off}^2} {V_{clamp}^2-V_{DD}^2} \]

əlaqəsi əldə edilmişdir.

Snubber hesabında hansı dəyərlər istifadə olunub?

Clamp gərginliyi mənbədə:

\[ V_{clamp} = \sqrt{ V_{DD}^{2} + \frac{2E_L}{C_s} } \approx48.99\;V \]

kimi hesablanmışdır.

Snubber rezistor hesabındakı yazılış problemi nədir?

Mənbə əvvəlcə:

\[ \tau=R_sC_s\leq\frac{T}{2} \]

qaydasını verir.

40 kHz üçün \(T=25\,\mu s\) olduğundan \(T/2=12,5\,\mu s\)-dir. \(C_s=10\,nF\) üçün:

\[ R_s\leq \frac{12.5\times10^{-6}} {10\times10^{-9}} = 1250\;\Omega \]

rəqəmsal nəticəsi alınır.

Buna qarşılıq mənbə mətnində aralıq simvolik ifadə \(R_s\leq\tau/(2C_s)\) kimi yazılmışdır. Əgər \(\tau\) artıq \(T/2\) mənasında istifadə olunursa, bu göstərimlə rəqəmsal əməliyyat eyni deyil. Mənbənin verdiyi 1250 Ω nəticəsi qorunmuş, simvolik yazılış səssizcə dəyişdirilməmişdir.

Snubber 30 V və 40 kHz üçün ölçüləndirilərkən təcrübələr niyə daha genişdir?

Snubber hesabının nümunə iş nöqtəsi 30 V bara, 40 kHz və 10 A-dır. Lakin sonrakı təcrübələr AC-də 150 V-a, açma-bağlama tezliyində isə mənbənin ifadəsinə görə 100 kHz-ə qədər çıxır.

Mənbə bu fərqli təcrübə şəraitlərinin hər biri üçün ayrıca \(C_s\) və \(R_s\) yenidən ölçüləndirilməsi təqdim etmir. Buna görə 30 V/40 kHz hesabı bütün iş sahəsi üçün müstəqil optimal snubber dizaynı kimi şərh edilməməlidir.

Laboratoriya qurğusunda nələr var?

Şəkil 6 eksperimental dövrə sxemini, Şəkil 7 isə fiziki test stendini göstərir. Qurğu aşağıdakı əsas komponentləri ehtiva edir:

• AC/DC enerji mənbəyi,
• hazırlanmış Bi-Sw PCB modulu,
• PWM/siqnal generatoru,
• yük,
• diferensial prob,
• rəqəmsal osiloskop.

Bu qurğu vasitəsilə gate siqnalları, açar gərginlikləri və yük cərəyanları real vaxtda müşahidə edilmişdir.

Gate sürücü əvvəlcə necə doğrulanıb?

Tam güc təcrübələrinə keçməzdən əvvəl UCC21521 sürücüsü 1 kHz PWM ilə sınaqdan keçirilmişdir. Şəkil 8-də gate-source gərginliyi, diod gərginliyi, açar gərginliyi və güc dövrəsi cərəyanının osiloskop izləri birlikdə göstərilir.

Tədqiqatçılar bu testi idarəetmə siqnalının SiC-MOSFET-in tələb etdiyi gate sürmə səviyyəsinə düzgün çevrildiyinin ilkin doğrulaması kimi istifadə etmişlər.

Snubber həqiqətən fərq yaradıb?

Şəkil 9 eyni açma-bağlama şəraitini snubber olmadan və snubber ilə müqayisə edir. Snubber olmadıqda turn-off keçidində daha nəzərəçarpan gərginlik overshoot-u və yüksək tezlikli rəqslər görünür.

Snubber əlavə edildikdə mənbə rəqsin həm amplitudasının, həm də müddətinin azaldığını və dalğa formasının daha təmiz olduğunu bildirir.

Lakin mənbə Şəkil 9-dakı yaxşılaşmanı vahid rəqəmsal “overshoot faiz azalması” kimi cədvəldə təqdim etmir. Buna görə Verianla görüntüdən təxmini faiz yaratmır.

AC təcrübələri hansı şəraitdə aparılıb?

İkiistiqamətli açar AC giriş altında üç gərginlik səviyyəsində sınaqdan keçirilmişdir:

• 50 V,
• 100 V,
• 150 V.

Mənbə açma-bağlama tezliyini 1 kHz ilə 100 kHz arasında, 20 kHz artımlarla dəyişdirdiyini bildirir.

Şəkil 10 nümunə olaraq 50 V və 150 V təcrübələrini göstərir. Tədqiqatçılar araşdırılan diapazonda təmiz açma-bağlama, trigger xətasının olmaması və çıxış siqnalında mühüm təhrif müşahidə edilməməsi nəticəsini bildirirlər.

1–100 kHz, 20 kHz addım ifadəsində niyə problem var?

Mənbənin üç təcrübə bölməsində də “1 kHz-dən 100 kHz-ə, 20 kHz artımlarla” ifadəsi istifadə olunur. Lakin 1 kHz-dən başlayaraq dəqiq 20 kHz artımlarla gedən sıra:

1, 21, 41, 61, 81, 101 kHz

şəklində olur və dəqiq 100 kHz dəyərinə çatmır.

Mənbə real test nöqtələrinin tam siyahısını ayrıca cədvəldə vermədiyi üçün Verianla istifadə olunan aralıq tezlikləri fərziyyə ilə 20, 40, 60, 80 və 100 kHz kimi yenidən yazmamışdır. Yalnız mənbədə açıq göstərilən ümumi diapazon qorunmuşdur.

DC rezistor yükündə nə sınaqdan keçirilib?

DC testinin ilk hissəsində 300 Ω rezistor yükü istifadə edilmişdir. Giriş gərginlikləri:

• 50 V,
• 100 V

kimi müəyyən edilmişdir.

Mənbə yenə açma-bağlama tezliyini 1–100 kHz diapazonunda təsvir edir. Şəkil 11-də iki gərginlik səviyyəsinə aid osiloskop dalğa formaları göstərilir.

Tədqiqatçılar açma-bağlamanın təkrarlana bilən olduğunu, gərginlik dalğa formasında nəzərəçarpan artıq gərginlik yaranmadığını və rezistor yükündə cərəyanın gözlənilən davranışı izlədiyini bildirirlər.

RL yük təcrübəsində nə istifadə olunub?

İkinci DC yük təcrübəsində mənbə bir elektrik qızdırıcısını induktiv-rezistiv, yəni RL davranışı göstərən yük kimi təsvir edir.

50 V və 100 V giriş səviyyələri istifadə edilmişdir. Şəkil 12-də RL yük altında cərəyanın tam rezistiv vəziyyətlə müqayisədə daha tədricən və fasiləsiz xarakterə malik olduğu bildirilir.

Turn-off anında snubber cərəyanında daha nəzərəçarpan zirvələr görünsə də, tədqiqatçılar açma-bağlamanın sabit qaldığını və mühüm artıq gərginlik yaranmadığını bildirirlər.

Eksperimental testin əhatəsi nədir?

İtki analizi nə göstərir?

Şəkil 13 açma-bağlama tezliyi artdıqca itki kəmiyyətlərinin yüksəldiyini göstərir. Mənbə bu nəticəni saniyədə açma-bağlama hadisələrinin sayının artması ilə əlaqələndirir.

Lakin Şəkil 13-ün xam rəqəmsal dəyərləri cədvəl şəklində verilmir. Buna görə Verianla qrafikdəki nöqtələri gözəyarı oxuyaraq yeni rəqəmsal itki cədvəli yaratmamışdır.

Şəkil 13-də mənbə daxilindəki etiket uyğunsuzluğu nədir?

Eksperimental itki analizini izah edən abzas Şəkil 13a-nın “switching loss as a function of operating frequency”, Şəkil 13b-nin isə “accumulated energy dissipated per second” olduğunu bildirir.

Bunun əksinə, şəkil alt yazısı:

• (a) Accumulated energy losses
• (b) Switching losses

şəklindədir.

Görünən oxlar da soldakı qrafiki enerji, sağdakı qrafiki açma-bağlama güc itkisi kimi adlandırır. Verianla mənbə mətnindəki bu (a)/(b) tərsliyini səssizcə vahid doğru izah kimi təqdim etməmişdir.

1200 V MOSFET istifadə olunması 1200 V-da test aparıldığı deməkdirmi?

Xeyr. 1200 V istifadə olunan SiC-MOSFET-in mənbədə verilən nominal drain-source dözümlülük sinfidir.

Bu məqalədəki fiziki testlərdə ən yüksək bildirilən AC giriş gərginliyi:

150 V

və DC giriş gərginliyi:

100 V

səviyyəsindədir.

Beləliklə, tədqiqat hazırlanan PCB-nin 1200 V-dakı izolyasiya, creepage/clearance, istilik və açma-bağlama davranışını birbaşa eksperimental olaraq doğrulamır.

2 MHz sürücü qabiliyyəti 2 MHz-də açar işlədildiyi deməkdirmi?

Xeyr. UCC21521 üçün >2 MHz dəyəri gate sürücüsünün mənbədə verilən texniki qabiliyyətidir.

İkiistiqamətli açarın bu tədqiqatdakı eksperimental iş diapazonu mənbə tərəfindən ən çox 100 kHz kimi təsvir edilmişdir.

İş tam matris çeviricini sınaqdan keçirirmi?

Xeyr. Tədqiqat birbaşa matris çevirici topologiyalarında istifadə edilmək üçün ikiistiqamətli açar hüceyrəsi hazırlayır. Lakin laboratoriya test stendi tək Bi-Sw modulu, enerji mənbəyi və yük əsasında qurulmuşdur.

Üçfazalı və ya çoxaçarlı tam bir birbaşa matris çevirici bu məqalənin eksperimental doğrulamasında qurulmamışdır.

İşin dəstəklədiyi nəticələr

• UCC21521 və iki SiC-MOSFET istifadə edilərək fiziki ikiistiqamətli açar PCB-si hazırlanmışdır.
• İstehsal olunan PCB laboratoriya test stendində işlədilmişdir.
• Gate sürücü çıxışları 1 kHz ilkin testdə eksperimental olaraq müşahidə edilmişdir.
• RCD snubber istifadəsinin açma-bağlama keçidlərindəki rəqsləri azaltdığı osiloskop dalğa formaları ilə göstərilmişdir.
• İkiistiqamətli açar AC-də 50, 100 və 150 V şəraitində sınaqdan keçirilmişdir.
• DC rezistor təcrübələri 50 və 100 V-da 300 Ω yük ilə aparılmışdır.
• Mənbə tərəfindən RL kimi müəyyən edilən yük təcrübələri 50 və 100 V-da aparılmışdır.
• Mənbə eksperimental tezlik diapazonunu 1–100 kHz kimi bildirir.
• Açma-bağlama tezliyi artdıqca itkilərin artdığı eksperimental tendensiya göstərilmişdir.
• Birqatlı SMD PCB arxitekturasının fiziki tətbiqi göstərilmişdir.

İşin dəstəkləmədiyi və ya sınaqdan keçirmədiyi nəticələr

• Tam üçfazalı birbaşa matris çevirici eksperimental olaraq qurulmamışdır.
• PCB 1200 V-da sınaqdan keçirilməmişdir.
• İkiistiqamətli açar 2 MHz-də eksperimental olaraq işlədilməmişdir.
• 200 °C keçid temperaturunda cihaz performansı eksperimental olaraq ölçülməmişdir.
• 2 µs qısaqapanma dözümlülüyü bu işdə fiziki qısaqapanma testi ilə doğrulanmamışdır.
• EMI/EMC emissiya və ya toxunulmazlıq ölçməsi bildirilməmişdir.
• Ümumi çevirmə səmərəsi üçün vahid faiz dəyəri verilməmişdir.
• Uzunmüddətli güc dövrü və ya istilik dövrü ömür testi aparılmamışdır.
• PCB güc sıxlığı W/cm³ ilə bildirilməmişdir.
• Şəbəkəyə qoşulmuş real matris çevirici kommutasiya performansı sınaqdan keçirilməmişdir.
• Elektrikli avtomobildə regenerativ əyləcləmə bu prototiplə birbaşa eksperimental göstərilməmişdir.

İşin Metodu və Tapıntıları

Avadanlıq arxitekturası

Gate sürücü dizayn sərhədləri

UCC21521 idarəetmə tərəfi ilə güc tərəfi arasında galvanik izolyasiya təmin etmək məqsədilə istifadə edilmişdir. Mənbə sürətli SiC açma-bağlamasında yüksək dv/dt və common-mode keçicilərin idarəetmə elektronikasına daşınmasının azaldılmasını əsas tələblərdən biri kimi müəyyən edir.

Sürücü çıxış qidalanmasının 13–20 V diapazonu seçilmiş SiC-MOSFET-in 15–18 V tövsiyə olunan gate açma gərginliyi ilə uyğundur.

Güc mərhələsi

İki IMBG120R053M2H MOSFET ikiistiqamətli açar quruluşunda birləşdirilmişdir. Hər MOSFET-in gate-i sürücünün ayrıca izolyasiyalı çıxışına qoşulmuşdur.

PCB-də yüksək cərəyan yollarının qısa saxlanması və güc terminalları arasındakı parazit induktivliyin azaldılması hədəflənmişdir.

Snubber nəzəri hesabı

Mənbədə istifadə olunan əsas dəyərlərlə:

\[ E_L= \frac{1}{2} (15\times10^{-9}) (10)^2 = 7.5\;\mu J \]

hesablanmışdır.

10 nF snubber kondensatoru və 30 V bara üçün:

\[ V_{clamp} = \sqrt{ 30^2+ \frac{2(7.5\times10^{-6})} {10\times10^{-9}} } \approx48.99\;V \]

nəticəsi alınmışdır.

40 kHz açma-bağlamada \(T=25\,\mu s\) olduğundan kondensatorun növbəti dövrdən əvvəl böyük ölçüdə boşalması üçün mənbə:

\[ R_s\leq1250\;\Omega \]

nəticəsini verir.

Gate sürücünün ilkin doğrulaması

UCC21521 testində eyni PWM siqnalı hər iki sürücü girişinə tətbiq olunmuş və tezlik 1 kHz kimi müəyyən edilmişdir. Osiloskopda \(V_{GS}\), diod gərginliyi, açar gərginliyi və güc dövrəsi cərəyanı izlənmişdir.

Mənbə bu testin gate siqnalının tələb olunan səviyyəyə yüksəldildiyini və güc açarının açılıb-bağlanma davranışının baş verdiyini doğruladığını bildirir.

Snubber müqayisəsi

Eyni açma-bağlama şəraitində iki təcrübə qeydi müqayisə edilmişdir:

• snubber dövrəsi olmadan,
• RCD snubber dövrəsi ilə.

Mənbə snubber olmadan falling-edge sahəsində nəzərəçarpan overshoot və rəqs olduğunu, snubber istifadə edildikdə bu davranışın azaldığını bildirir.

AC test protokolu

• Giriş gərginlikləri: 50 V, 100 V, 150 V.
• Açma-bağlama tezliyi: mənbənin ifadəsi ilə 1–100 kHz.
• Mənbə tərəfindən göstərilən tezlik artımı: 20 kHz.
• Ölçmə: rəqəmsal osiloskop və diferensial prob.

Şəkil 10-da 50 V və 150 V nümunələri göstərilir. Mənbə sınaqdan keçirilən diapazonda sabit və müəyyən olunmuş çıxış dalğa formalarının əldə edildiyini bildirir.

DC rezistor testi

• Yük: 300 Ω.
• Gərginlik: 50 və 100 V.
• Tezlik: mənbənin ifadəsi ilə 1–100 kHz.

Mənbə ölçülən cərəyanın rezistor yük şəraiti ilə uyğun olduğunu və snubber-in turn-off keçidindəki keçici cərəyan zirvəsini məhdudlaşdırdığını bildirir.

DC RL yük testi

• Yük: mənbə tərəfindən induktiv-rezistiv davranışlı elektrik qızdırıcısı kimi müəyyən edilmişdir.
• Gərginlik: 50 və 100 V.
• Tezlik: mənbənin ifadəsi ilə 1–100 kHz.

RL şəraitində cərəyanın rezistor yükü ilə müqayisədə daha yavaş dəyişdiyi və turn-off zamanı snubber cərəyan zirvəsinin daha nəzərəçarpan olduğu bildirilmişdir.

Eksperimental itki analizi

Tədqiqatçılar açar üzərindəki gərginlik və cərəyan dalğa formalarından turn-on və turn-off keçid enerjilərini hesablayaraq tezliyə bağlı açma-bağlama itkisini qiymətləndirmişlər.

Şəkil 13 tezlik artdıqca itki enerjisi və açma-bağlama güc itkisinin yüksəldiyini göstərir. Lakin iş bu əyrilərin bütün xam nöqtələrini rəqəmsal cədvəl şəklində təqdim etmir.

Buna görə Verianla Live üçün Şəkil 13-dən təxmini dəyər çıxarılmamışdır.

Mənbə daxilindəki texniki uyğunsuzluqların xülasəsi

• İki güc elementinin qoşulma quruluşu Bölmə 2-də “antiparallel”, Bölmə 3.2-də “anti-series” adlandırılır.
• Güc mərhələsi izahında hər yarım dövrdə yalnız bir MOSFET-in aktiv olduğu bildirilərkən gate sürücü ilkin testində tək PWM siqnalının iki sürücü girişinə eyni vaxtda tətbiq edildiyi yazılır.
• 1 kHz-dən 100 kHz-ə 20 kHz artım ifadəsi riyazi olaraq 100 kHz son nöqtəsinə tam uyğun sıra yaratmır.
• Tənlik 7-də \(\tau=R_sC_s\leq T/2\) müəyyən edilsə də sonrakı rezistor sətrindəki simvolik yazılış 1250 Ω-luq rəqəmsal əməliyyatı birəbir təmsil etmir.
• Şəkil 13-ü izah edən abzas ilə şəkil alt yazısı/oxlar (a) və (b) itki qrafiklərini tərs adlandırır.
• Nəzəri bölmə açma-bağlama və keçiricilik itkilərindən danışsa da ətraflı düsturlar və eksperimental nəticə qrafiki əsasən açma-bağlama itkisinə yönəlir.

Əsas metodoloji sərhədlər

• Tam birbaşa matris çevirici qurulmamışdır.
• MOSFET-in 1200 V nominal sinfində fiziki test aparılmamışdır.
• Gate sürücünün >2 MHz qabiliyyəti sistem səviyyəsində sınaqdan keçirilməmişdir.
• Termal kamera və ya keçid temperaturu ölçməsi bildirilməmişdir.
• EMI spektr ölçməsi və ya EMC standart testi aparılmamışdır.
• Uzunmüddətli etibarlılıq və güc dövrü testi yoxdur.
• Qısaqapanma dözümlülük testi aparılmamışdır.
• Ümumi sistem enerji səmərəliliyi faizlə bildirilməmişdir.

Mənbə və Metod Qeydi

Tam orijinal tədqiqat adı: A SiC-MOSFET Bidirectional Switch Solution for Direct Matrix Converter Topologies

Müəlliflər: Hernán Lezcano, Rodrigo Romero, Sergio Nuñez, Bruno Sanabria, Fabian Palacios-Pereira, Edgar Maqueda, Sergio Toledo, Julio Pacher, David Caballero, Raúl Gregor, Marco Rivera.

Müəllif sırası: Mənbədəki sıra aynən qorunmuşdur.

Bərabər birinci / bərabər töhfə: Mənbədə bərabər birinci və ya bərabər töhfə bəyanatı göstərilməmişdir.

Məsul müəllif: Marco Rivera.

Qurumlar:

• Department of Electronics and Mechatronics Engineering, Faculty of Engineering, Universidad Nacional de Asunción, Luque, Paraguay.
• Power Electronics, Machines and Control (PEMC) Research Group, Faculty of Engineering, Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Nottingham, Nottingham, United Kingdom.
• Laboratorio de Conversión de Energías y Electrónica de Potencia (LCEEP), Vicerrectoría Académica, Universidad de Talca, Curicó, Chile.

Mənbə növü: Rəyli eksperimental tədqiqat məqaləsi; güc elektronikası avadanlığı, SiC-MOSFET ikiistiqamətli açar dizaynı və laboratoriya doğrulaması.

Jurnal: Actuators.

Nəşriyyat: MDPI.

Biblioqrafik qeyd: Actuators 2026, 15(1), 40.

Məqalə nömrəsi: 40.

DOI: 10.3390/act15010040.

Rəsmi nəşr keçidi:https://doi.org/10.3390/act15010040

Göndərilmə tarixi: 4 Noyabr 2025.

Reviziya tarixi: 30 Dekabr 2025.

Qəbul tarixi: 3 Yanvar 2026.

Nəşr tarixi: 6 Yanvar 2026.

Lisenziya: Creative Commons Attribution (CC BY).

Maliyyələşdirmə: Mənbə işin maliyyələşdirmə bəyanatında tədqiqatın Paraguay Consejo Nacional de Ciencias y Tecnología (CONACYT) tərəfindən PINV01-743 layihəsi çərçivəsində dəstəkləndiyi bildirilmişdir.

Əlavə dəstək və təşəkkür: Müəlliflər həmçinin Universidad Nacional de Asunción doktorantura proqramı, CONACYT POSG01-14 və ESTR01-3 layihələri, ANID FONDECYT Regular 1220556, SERC Chile FONDAP 1523A0006, UK-FRANCE Science Innovation and Technology Researcher Mobility Scheme UUK Award #1102 və PRAPG dəstəyini təşəkkür bölməsində qeyd etmişlər.

Məlumat əlçatanlığı: İşin orijinal töhfələrinin məqalə daxilində olduğu və əlavə sualların məsul müəllifə yönəldilə biləcəyi bildirilmişdir.

Maraqlar toqquşması: Müəlliflər maraqlar toqquşması olmadığını bəyan etmişlər.

Müəllif töhfələri: Konseptuallaşdırma H.L. və J.P.; metodologiya R.R.; formal analiz H.L., E.M., J.P. və S.T.; resurslar S.N. və B.S.; yazı D.C., F.P.-P. və B.S.; nəzərdən keçirmə və redaktə R.G.; layihə idarəetməsi M.R. kimi bildirilmişdir.

Elmi məzmun sərhədi: Bu Verianla yazısındakı dövrə topologiyası, cihaz xüsusiyyətləri, gate sürücüsü, PCB dizaynı, snubber tənlikləri, təcrübə gərginlikləri, yük şərtləri, açma-bağlama tezlikləri və eksperimental şərhlər araşdırılan əsas işə əsaslanır. Biblioqrafik identifikasiya yoxlaması xaricində xarici mənbələrdən yeni eksperimental tapıntı əlavə edilməmişdir.

Tətbiq sərhədi: İş hazırlanmış ikiistiqamətli açarın birbaşa matris çevirici topologiyaları üçün uyğun olduğunu iddia edir; lakin eksperimental doğrulanan sistem tək Bi-Sw moduludur. Tam çoxaçarlı matris çevirici, şəbəkə kommutasiyası və ya elektrikli avtomobilin regenerativ iş ssenarisi bu məqalədə fiziki olaraq sınaqdan keçirilməmişdir.

Mənbə daxilindəki mühüm uyğunsuzluqlar

• İki MOSFET-in qoşulma quruluşu mənbə daxilində həm “antiparallel”, həm də “anti-series” adlandırılır.
• Hər yarım dövrdə yalnız bir MOSFET-in aktiv olduğu izahı ilə iki sürücü girişinə eyni PWM-in eyni vaxtda tətbiq edildiyi ilkin test izahı arasında ətraflı açma-bağlama vəziyyəti uyğunlaşdırması verilmir.
• 1–100 kHz diapazonunun 20 kHz addımlarla skan edildiyi ifadəsi son nöqtələr baxımından riyazi olaraq tam müəyyən deyil.
• Snubber rezistor hesabında simvolik \(R_s\) ifadəsi ilə 1250 Ω nəticəsinə gətirən rəqəmsal əməliyyat eyni formada yazılmayıb.
• Şəkil 13-ün izah abzası ilə şəkil alt yazısı və görünən oxları (a)/(b) itki qrafiklərinin mənasını tərs ardıcıllıqla verir.

Rəqəmsal qrafik sərhədi: Şəkil 13-dəki itki əyrilərinin işarələri görünən olsa da iş onların bütün dəyərlərini cədvəl şəklində vermir. Verianla elmi qrafik istehsalı qaydasına görə bu nöqtələr gözəyarı rəqəmsallaşdırılmamış və yeni Live itki qrafiki yaradılmamışdır.