Бул изилдөө түз матрицалык өзгөрткүчтөрдө колдонуу үчүн компакттуу эки багыттуу күч электроникасы ачкычынын долбоорун, PCB ишке ашыруусун жана лабораториялык текшерүүсүн карайт. Сунушталган модуль эки IMBG120R053M2H SiC-MOSFET күч элементин жана эки көз карандысыз гальваникалык изоляцияланган чыгыш берген UCC21521 gate драйверин бириктирет. Максат — ток эки багытта өткөрүлө алган жана чыңалуу эки полярдуулукта башкарылган, жогорку коммутация жыштыктарына ылайыктуу, компакттуу ачкыч модулун иштеп чыгуу.

Күч баскычында колдонулган IMBG120R053M2H SiC-MOSFET үчүн булакта 1200 V drain-source чыңалуу туруктуулугу, 25 °C'де 52,6 mΩ ачык абал каршылыгы, 15–18 V сунушталган gate ачуу чыңалуусу, 4,2 V gate босого чыңалуусу, 2 µs кыска туташууга туруштук берүү убактысы жана ашыкча жүк шартында 200 °C максималдуу түйүн температурасы берилген. Бул маанилер колдонулган жарым өткөргүчтүн data sheet мүнөздөмөлөрү; изилдөөдөгү эксперименттер 1200 V деңгээлинде жүргүзүлгөн эмес.

Драйвер баскычында колдонулган UCC21521’дин башкаруу тарабындагы азыктандыруусу 3–5,5 V, күч тарабындагы чыгыш азыктандыруусу 13–20 V, изоляция туруктуулугу 5,7 kVrms жана чыгыш ток мүмкүнчүлүгү 4–6 A деп берилген. Булак ошондой эле драйвердин 100 V/ns'ден жогору common-mode transient immunity жана 2 MHz'ден жогору максималдуу коммутация жыштыгы мүмкүнчүлүгүнө ээ экенин белгилейт. Изилдөөнүн реалдуу ачкыч эксперименттери болсо 1–100 kHz деп аныкталган кыйла төмөн жыштык диапазонунда жүргүзүлгөн.

PCB KiCad 9.0.0 колдонулуп долбоорлонгон жана бир катмарлуу архитектура тандалган. Изилдөөчүлөр SMD компоненттерин колдонууну, маанилүү коммутация жолдорун кыска кармоону, төмөн күч жана жогорку күч аймактарын физикалык бөлүүнү, көз карандысыз ground аймактарын жана кең жез беттерин компакттуулук, паразиттик индуктивдүүлүктү азайтуу жана жылуулукту таратуу жагынан негизги долбоор өзгөчөлүктөрү катары түшүндүрүшөт.

Лабораториялык текшерүүдө адегенде UCC21521 драйверинин 1 kHz'деги gate чыгыштары текшерилген, андан кийин RCD snubber чынжырынын коммутация өтүүлөрүндөгү чыңалуу overshoot'ун жана термелүүлөрдү азайтуу таасири салыштырылган. Эки багыттуу ачкыч кийин AC шартында 50, 100 жана 150 V; DC шартында болсо 50 жана 100 V деңгээлдеринде бааланган. DC эксперименттеринин бир бөлүгүндө 300 Ω резистивдүү жүк, экинчи бөлүгүндө булак тарабынан индуктивдүү-резистивдүү жүрүм-турум көрсөтөт деп сүрөттөлгөн электр жылыткыч колдонулган.

Эксперименттик толкун формалары каралган чыңалуу жана жыштык шарттарында ачкыч кайталануучу түрдө ачылып-жабылганын жана snubber колдонулганда коммутация өтүүлөрүндөгү жогорку жыштыктагы термелүүлөр азайганын көрсөтөт. Бирок изилдөө толук үч фазалуу түз матрицалык өзгөрткүч системасын лабораторияда куруп сынаган эмес. Түз текшерилген жабдык — ушундай өзгөрткүчтө колдонуу үчүн иштелип чыккан эки багыттуу SiC-MOSFET ачкыч модулу.

Түркия жагынан: Изилдөө Түркиядагы электр унаасында, өнөр жайлык мотор драйверинде же тармакка туташкан күч өзгөрткүчүндө жүргүзүлгөн эмес. Ошентсе да SiC негизиндеги жогорку ылдамдыктагы коммутация, гальваникалык изоляцияланган gate драйвер, PCB паразиттерин азайтуу жана RCD snubber өлчөмдөө жагынан күч электроникасы лабораторияларында колдонууга боло турган конкреттүү прототиптөө ыкмасын берет. Түркияда реалдуу жогорку кубаттуу матрицалык өзгөрткүч колдонмосуна өтүү үчүн жылуулук циклдери, EMI/EMC, изоляция координациясы, жогорку чыңалуу эксперименттери, кыска туташуу коргоосу жана толук өзгөрткүч коммутatsiясы өзүнчө текшерилиши керек.

Эки багыттуу ачкыч эмне үчүн керек?

Түз матрицалык өзгөрткүчтөр AC кириш менен AC чыгыштын ортосунда салттуу DC-bus энергия сактоо баскычысыз түз энергия өзгөртүүнү аткара алган күч электроникасы түзүлүштөрү. Мындай топологияларда колдонулган ачкычтардын токту бир гана багытта өткөрүшү жетишсиз; жүк жана тармак шарттарына жараша ток багыты өзгөрүп, ар башка чыңалуу полярдуулуктары башкарылышы керек.

Булак ошондуктан эки багыттуу ачкычты токту эки багытта башкара алган жана оң-терс чыңалуу шарттарында колдонулуучу күч электроникасы элементи катары карайт.

Изилдөөнүн максаты жаңы SiC-MOSFET жарым өткөргүчүн чыгаруу эмес. Изилдөөнүн салымы коммерциялык SiC-MOSFET жана гальваникалык изоляцияланган gate драйверди компакттуу PCB модулунда бириктирип, түз матрицалык өзгөрткүчтөр үчүн колдонууга жарамдуу эки багыттуу ачкыч ячейкасын түзүү.

SiC-MOSFET эмне үчүн тандалган?

Булак SiC-MOSFET технологиясын салттуу кремний MOSFET жана IGBT чечимдерине салыштырмалуу жогорку коммутация жыштыгы, төмөн коммутация жоготуусу жана жогорку температура мүмкүнчүлүгү сыяктуу касиеттери үчүн тандайт.

Күч баскычында колдонулган элемент Infineon IMBG120R053M2H CoolSiC™ 1200 V MOSFET.

Бул жердеги 1200 V чыңалуу же 200 °C температура маанилери эксперименттик тест шарттары эмес. Алар изилдөөдө тандалган SiC-MOSFETтин техникалык касиеттери катары берилген. Изилдөөнүн физикалык AC текшерүүсү эң көп 150 V кириште, DC текшерүүсү болсо 100 V кириште жүргүзүлгөн.

Эки багыттуу күч баскычы кантип курулган?

Булакта эки SiC-MOSFET бири-бирине карама-каршы багытта туташкан күч баскычы колдонулат. Бул түзүлүш бир MOSFETтин body diode аркылуу пайда болушу мүмкүн болгон башкарылбаган тескери ток жолун чектеп, ачкычтын эки багыттуу жүрүм-турумун активдүү gate башкаруу менен аныктоого мүмкүндүк берет.

Бирок булак терминологиясында дал келбестик бар. Бөлүм 2’де эки күч транзистору “antiparallel configuration” түрүндө туташкан деп жазылса, Бөлүм 3.2’де ошол эле күч баскычы “anti-series configuration” деп сүрөттөлөт. Сүрөт 1 жана Сүрөт 3b ошол эле эки элементтүү эки багыттуу түзүлүштү көрсөтөт; Verianla бул эки башка терминди булак атынан бир сөзгө үнсүз алмаштырган эмес.

Gate драйвер эмне үчүн өзүнчө катмар?

Микроконтроллер, DSP же FPGA чыгарган PWM сигналы SiC-MOSFET gate'ин түздөн-түз коопсуз айдай албайт. Күч баскычында тез чыңалуу өзгөрүүлөрү жана жогорку common-mode өткөөлдөр пайда болгондуктан башкаруу электроникасы күч чынжырынан электрдик жактан бөлүнүшү керек.

Изилдөөдө бул милдет Texas Instruments UCC21521 эки каналдуу изоляцияланган gate драйверине берилген.

Булак UCC21521 үчүн common-mode transient immunity 100 V/ns'ден жогору экенин да билдирет. Бул маани драйвердин техникалык мүмкүнчүлүгү; изилдөөдө 100 V/ns CMTI чегине чейин өзүнчө эксперименттик EMI тест жүргүзүлгөн эмес.

Gate чыгышындагы көмөкчү элементтер эмне кылат?

Сүрөт 3aдагы драйвер чынжыры бир гана UCC21521’ден турбайт. Gate чыгыштарында резисторлор, диоддор жана bypass/decoupling конденсаторлору бар. Изилдөөчүлөр бул элементтер gate чыңалуусун калыптандыруу, ашыкча чыңалууларды чектөө, өткөөл термелүүлөрдү басуу жана сигнал бүтүндүгүн сактоо үчүн колдонулганын түшүндүрүшөт.

Башкаруу жана күч тараптарындагы ground аймактары да бири-биринен бөлүнгөн. Ошентип күч баскычындагы тез коммутация өткөөлдөрүнүн паразиттик жолдор аркылуу башкаруу тарабына өтүшүн азайтуу максат кылынган.

Булак драйвер жүрүм-турумун эки башкача сүрөттөйбү?

Ооба. Бөлүм 3.2’де изилдөөчүлөр эки MOSFET драйвер чыгыштары менен көз карандысыз башкарыларын жана ар бир жарым циклде бир гана түзүлүш активдүү болушу shoot-through тобокелдигин алдын аларын айтышат.

Ал эми Бөлүм 5.1’де биринчи gate драйвер текшерүүсү үчүн:

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

деп сүрөттөлгөн тест түзүлүшү берилет. Башкача айтканда алдын ала текшерүүдө бир эле PWM сигналы эки драйвер киришине бир убакта берилген.

Бул эки түшүндүрмө ар башка эксперимент/иш режимдерине таандыкпы же жокпу, булакта деталдуу коммутация абал таблицасы менен түшүндүрүлгөн эмес. Ошондуктан Verianla текст аларды мажбурлап шайкеш келтирбейт.

PCB кантип кичирейтилген?

PCB KiCad Version 9.0.0 менен долбоорлонгон. Изилдөөнүн Сүрөт 4’ү үч баскычты чогуу көрсөтөт: үстүңкү катмар PCB layout, үч өлчөмдүү PCB көрүнүшү жана физикалык өндүрүлгөн плат.

Изилдөөчүлөр өндүрүштү жөнөкөйлөтүү жана чыгым үчүн бир катмарлуу архитектура колдонгонун айтышат. Маанилүү жогорку ылдамдыктагы коммутация жолдору кыска кармалып, төмөн жана жогорку күч аймактары бөлүнгөн, көз карандысыз ground аймактары колдонулган жана күч MOSFETтеринин тегерегинде кең жез аянттар калтырылган.

Компоненттердин басымдуу бөлүгү SMD тибинде. Бул ыкма модулдун көлөмүн азайтса да, изилдөөдө PCBнин так физикалык өлчөмдөрү же W/cm³ түрүндөгү күч тыгыздыгы сандык берилбейт. Ошондуктан долбоор булак тарабынан “компакттуу” деп аталғаны менен Verianla жаңы күч тыгыздыгын чыгарбайт.

Коммутация жоготуусу кантип эсептелет?

Булак коммутация маалындагы turn-on жана turn-off энергия жоготууларын жөнөкөйлөштүрүлгөн үч бурчтуу өткөөл ыкмасы менен аныктайт:

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

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

Бул жерде \(t_{ON}\) жана \(t_{OFF}\) ачылуу-жабылуу өткөөл убакыттарын, \(V_{DS}\) MOSFET үстүндөгү drain-source чыңалуусун жана \(i_L\) коммутацияланган максималдуу жүк тогун билдирет.

Коммутация жыштыгы эсепке алынганда:

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

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

формулалары колдонулат.

Изилдөө теориялык анализ киришинде коммутация жана өткөрүү жоготууларын айтат; бирок жарыяланган теңдемелер тобунда деталдаштырылган формулалар негизинен коммутация энергиясы жана күч жоготууларына тиешелүү. Өзүнчө өткөрүү жоготуусу теңдемеси же жалпы натыйжалуулук пайызы берилген эмес.

RCD snubber эмне үчүн кошулган?

SiC-MOSFETтин тез ток өзгөрүүсү чынжырдагы майда паразиттик индуктивдүүлүктөр менен кошулганда turn-off маалында drain-source чыңалуу overshoot жана жогорку жыштыктагы термелүүлөрдү жаратышы мүмкүн. Ошондуктан изилдөөчүлөр ар бир MOSFET үчүн RCD тибиндеги snubber тармагын кошушкан.

Паразиттик индуктивдүүлүктө топтолгон энергия:

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

түрүндө эсептелет.

Бул энергия snubber конденсаторуна өтөт деп кабыл алынып:

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

байланышы алынган.

Snubber эсебинде кайсы маанилер колдонулган?

Clamp чыңалуусу булакта:

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

деп эсептелген.

Snubber резистор эсебиндеги жазуу көйгөйү эмне?

Булак адегенде:

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

эрежесин берет.

40 kHz үчүн \(T=25\,\mu s\) болгондуктан \(T/2=12,5\,\mu s\). \(C_s=10\,nF\) үчүн:

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

сандык жыйынтык алынат.

Бирок булак текстиндеги аралык символдук туюнтма \(R_s\leq\tau/(2C_s)\) түрүндө жазылган. Эгер \(\tau\) мурда эле \(T/2\) маанисинде колдонулса, бул көрсөтүү менен сандык амал бирдей эмес. Булак берген 1250 Ω жыйынтыгы сакталган; символдук жазуу үнсүз өзгөртүлгөн эмес.

Snubber 30 V жана 40 kHz үчүн өлчөмдөлсө, эксперименттер эмне үчүн кеңири?

Snubber эсебинин мисалдык иш чекити 30 V bus, 40 kHz жана 10 A. Бирок кийинки эксперименттер ACде 150 V'га, коммутация жыштыгында болсо булактын айтымында 100 kHz'ге чейин жетет.

Булак бул ар башка эксперимент шарттарынын ар бири үчүн өзүнчө \(C_s\) жана \(R_s\) кайра өлчөмдөөнү бербейт. Ошондуктан 30 V/40 kHz эсеби бүт иш аймагы үчүн өзүнчө оптималдуу snubber долбоору деп чечмеленбеши керек.

Лабораториялык түзүлүштө эмнелер бар?

Сүрөт 6 эксперименттик чынжыр схемасын, Сүрөт 7 болсо физикалык сыноо стендин көрсөтөт. Түзүлүш төмөнкү негизги компоненттерден турат:

• AC/DC күч булагы,
• иштелип чыккан Bi-Sw PCB модулу,
• PWM/сигнал генератору,
• жүк,
• дифференциалдык проб,
• санариптик осциллоскоп.

Бул түзүлүш аркылуу gate сигналдары, ачкыч чыңалуулары жана жүк токтору реалдуу убакытта байкалган.

Gate драйвер адегенде кантип текшерилген?

Толук күч эксперименттерине өтүүдөн мурда UCC21521 драйвери 1 kHz PWM менен сыналган. Сүрөт 8’де gate-source чыңалуусу, диод чыңалуусу, ачкыч чыңалуусу жана күч чынжырынын тогу осциллоскоп издери менен чогуу көрсөтүлгөн.

Изилдөөчүлөр бул тестти башкаруу сигналы SiC-MOSFET талап кылган gate айдоо деңгээлине туура өзгөртүлгөнүн алдын ала текшерүү катары колдонушкан.

Snubber чындап айырма жаратканбы?

Сүрөт 9 бирдей коммутация шартын snubber жок жана snubber менен салыштырат. Snubber жок болгондо turn-off өткөөлүндө кыйла ачык чыңалуу overshoot жана жогорку жыштыктагы термелүүлөр көрүнөт.

Snubber кошулганда булак термелүүнүн амплитудасы да, узактыгы да азайып, толкун формасы тазаланганын билдирет.

Бирок булак Сүрөт 9’дагы жакшыртууну бир сандык “overshoot пайыздык азайуу” катары таблицада бербейт. Ошондуктан Verianla сүрөттөн көз болжол менен пайыз чыгарбайт.

AC эксперименттери кайсы шарттарда жүргүзүлгөн?

Эки багыттуу ачкыч AC кириште үч чыңалуу деңгээлинде сыналган:

• 50 V,
• 100 V,
• 150 V.

Булак коммутация жыштыгын 1 kHz менен 100 kHz арасында, 20 kHz өсүүлөр менен өзгөрткөнүн билдирет.

Сүрөт 10 мисал катары 50 V жана 150 V эксперименттерин көрсөтөт. Изилдөөчүлөр каралган диапазондо таза коммутация, trigger катасы жок жана чыгыш сигналында олуттуу бурмалануу байкалбаганын билдиришет.

1–100 kHz, 20 kHz кадам деген билдирүүдө эмне үчүн көйгөй бар?

Булактын үч эксперимент бөлүмүндө тең “1 kHz'ден 100 kHz'ге, 20 kHz өсүүлөр менен” деген сөз колдонулат. Бирок 1 kHz'ден баштап так 20 kHz өсүүлөр менен кетчү катар:

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

түрүндө болот жана так 100 kHz мааниге жетпейт.

Булак реалдуу тест чекиттеринин толук тизмесин өзүнчө таблицада бербегендиктен Verianla аралык жыштыктарды болжол менен 20, 40, 60, 80 жана 100 kHz деп кайра жазган эмес. Булакта ачык берилген жалпы диапазон гана сакталган.

DC резистивдүү жүктө эмне сыналган?

DC тестинин биринчи бөлүгүндө 300 Ω резистивдүү жүк колдонулган. Кириш чыңалуулары:

• 50 V,
• 100 V

деп белгиленген.

Булак кайра эле коммутация жыштыгын 1–100 kHz диапазонунда сүрөттөйт. Сүрөт 11’де эки чыңалуу деңгээлинин осциллоскоп толкун формалары көрсөтүлөт.

Изилдөөчүлөр коммутация кайталануучу экенин, чыңалуу толкун формасында олуттуу ашыкча чыңалуу жок экенин жана резистивдүү жүктөгү ток күтүлгөн жүрүм-турумду көрсөткөнүн айтышат.

RL жүк экспериментинде эмне колдонулган?

Экинчи DC жүк экспериментинде булак электр жылыткычты индуктивдүү-резистивдүү, башкача айтканда RL жүрүм-турум көрсөткөн жүк деп аныктайт.

50 V жана 100 V кириш деңгээлдери колдонулган. Сүрөт 12’де RL жүк астында ток толук резистивдүү абалга салыштырмалуу жайыраак жана үзгүлтүксүз мүнөздө экени билдирилет.

Turn-off маалында snubber тогунда ачыгыраак чокулар көрүнсө да, изилдөөчүлөр коммутация туруктуу калганын жана олуттуу ашыкча чыңалуу болбогонун билдиришет.

Эксперименттик тесттин көлөмү кандай?

Жоготуу анализи эмнени көрсөтөт?

Сүрөт 13 коммутация жыштыгы өскөн сайын жоготуу чоңдуктары өсөрүн көрсөтөт. Булак муну секундасына коммутация окуяларынын саны көбөйүшү менен байланыштырат.

Бирок Сүрөт 13’төгү чийки сандык маанилер таблицада берилген эмес. Ошондуктан Verianla графиктеги маркерлерди көз менен окуп жаңы сандык жоготуу таблицасын түзгөн эмес.

Сүрөт 13’төгү булак ичиндеги этикетка дал келбестиги эмне?

Эксперименттик жоготуу анализин түшүндүргөн абзац Сүрөт 13a “switching loss as a function of operating frequency”, Сүрөт 13b болсо “accumulated energy dissipated per second” деп айтат.

Ал эми сүрөттүн коштомо жазуусу:

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

түрүндө.

Көрүнгөн октор да сол жактагы графикти энергия, оң жактагы графикти коммутация күч жоготуусу деп атайт. Verianla булак текстиндеги бул (a)/(b) тескери аталышын үнсүз бир туура түшүндүрмө катары берген эмес.

1200 V MOSFET колдонулушу 1200 V'да тест жүргүзүлгөн дегенди билдиреби?

Жок. 1200 V — колдонулган SiC-MOSFETтин булакта берилген номиналдык drain-source туруктуулук классы.

Бул макаладагы физикалык тесттерде эң жогорку билдирилген AC кириш чыңалуусу:

150 V

жана DC кириш чыңалуусу:

100 V

деңгээлинде.

Демек изилдөө даярдалган PCBнин 1200 V'дагы изоляция, creepage/clearance, жылуулук жана коммутация жүрүм-турумун түз эксперименттик текшербейт.

2 MHz драйвер мүмкүнчүлүгү ачкыч 2 MHz'де иштетилген дегенди билдиреби?

Жок. UCC21521 үчүн >2 MHz мааниси gate драйвердин булакта берилген техникалык мүмкүнчүлүгү.

Эки багыттуу ачкычтын бул изилдөөдөгү эксперименттик иш диапазону булак тарабынан эң көп 100 kHz деп аныкталган.

Изилдөө толук матрицалык өзгөрткүчтү сынайбы?

Жок. Изилдөө түз матрицалык өзгөрткүч топологияларында колдонуу үчүн эки багыттуу ачкыч ячейкасын долбоорлойт. Бирок лабораториялык тест стенди бир Bi-Sw модулу, күч булагы жана жүк менен түзүлгөн.

Үч фазалуу же көп ачкычтуу толук түз матрицалык өзгөрткүч бул макаланын эксперименттик текшерүүсүндө курулган эмес.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• UCC21521 жана эки SiC-MOSFET колдонулуп физикалык эки багыттуу ачкыч PCB иштелип чыккан.
• Өндүрүлгөн PCB лабораториялык тест стендинде иштетилген.
• Gate драйвер чыгыштары 1 kHz алдын ала тестте эксперименттик байкалган.
• RCD snubber колдонуу коммутация өтүүлөрүндөгү термелүүлөрдү азайтат экени осциллоскоп толкун формалары менен көрсөтүлгөн.
• Эки багыттуу ачкыч ACде 50, 100 жана 150 V шарттарында сыналган.
• DC резистивдүү эксперименттер 50 жана 100 V'да 300 Ω жүк менен жүргүзүлгөн.
• Булак тарабынан RL деп аныкталган жүк эксперименттери 50 жана 100 V'да жүргүзүлгөн.
• Булак эксперименттик жыштык диапазонун 1–100 kHz деп билдирет.
• Коммутация жыштыгы өскөн сайын жоготуулар өсүүчү эксперименттик тенденция көрсөтүлгөн.
• Бир катмарлуу SMD PCB архитектурасынын физикалык ишке ашырылышы көрсөтүлгөн.

Изилдөө колдобогон же сынабаган жыйынтыктар

• Толук үч фазалуу түз матрицалык өзгөрткүч эксперименттик курулган эмес.
• PCB 1200 V'да сыналган эмес.
• Эки багыттуу ачкыч 2 MHz'де эксперименттик иштетилген эмес.
• 200 °C түйүн температурасында түзүлүштүн өндүрүмдүүлүгү эксперименттик өлчөнгөн эмес.
• 2 µs кыска туташууга туруштук берүү бул изилдөөдө физикалык кыска туташуу тести менен текшерилген эмес.
• EMI/EMC эмиссия же иммунитет өлчөөсү билдирилген эмес.
• Жалпы өзгөртүү натыйжалуулугу үчүн бир пайыздык маани берилген эмес.
• Узак мөөнөттүү күч цикл же жылуулук цикл өмүр тести жүргүзүлгөн эмес.
• PCB күч тыгыздыгы W/cm³ менен билдирилген эмес.
• Тармакка туташкан реалдуу матрицалык өзгөрткүч коммутatsiясы сыналган эмес.
• Электр унаасында регенеративдүү тормоздоо бул прототип менен түз эксперименттик көрсөтүлгөн эмес.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Табылгалары

Жабдык архитектурасы

Gate драйвер долбоорунун чектери

UCC21521 башкаруу тарабы менен күч тарабынын ортосунда гальваникалык изоляция берүү үчүн колдонулган. Булак тез SiC коммутациясында жогорку dv/dt жана common-mode өткөөлдөрдүн башкаруу электроникасына өтүшүн азайтууну негизги талаптардын бири деп аныктайт.

Драйвердин 13–20 V чыгыш азыктандыруу диапазону тандалган SiC-MOSFETтин 15–18 V сунушталган gate ачуу чыңалуусуна туура келет.

Күч баскычы

Эки IMBG120R053M2H MOSFET эки багыттуу ачкыч түзүлүшүндө бириктирилген. Ар бир MOSFETтин gate'и драйвердин өзүнчө изоляцияланган чыгышына туташкан.

PCBде жогорку ток жолдорун кыска кармоо жана күч терминалдарынын ортосундагы паразиттик индуктивдүүлүктү азайтуу максат кылынган.

Snubber теориялык эсеби

Булакта колдонулган негизги маанилер менен:

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

эсептелген.

10 nF snubber конденсатору жана 30 V bus үчүн:

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

жыйынтыгы алынган.

40 kHz коммутацияда \(T=25\,\mu s\) болгондуктан конденсатор кийинки циклге чейин негизинен разряд болушу үчүн булак:

\[ R_s\leq1250\;\Omega \]

жыйынтыгын берет.

Gate драйвер алдын ала текшерүүсү

UCC21521 тестинде бир PWM сигналы эки драйвер киришине тең берилип, жыштык 1 kHz деп коюлган. Осциллоскопто \(V_{GS}\), диод чыңалуусу, ачкыч чыңалуусу жана күч чынжырынын тогу көзөмөлдөнгөн.

Булак бул тест gate сигналы талап кылынган деңгээлге көтөрүлгөнүн жана күч ачкычынын ачылып-жабылуу жүрүм-туруму иштегенин текшерет деп билдирет.

Snubber салыштыруусу

Бирдей коммутация шартында эки эксперименттик жазуу салыштырылган:

• snubber чынжыры жок,
• RCD snubber чынжыры менен.

Булак snubber жок учурда falling-edge аймагында ачык overshoot жана термелүү бар экенин, snubber колдонулганда бул жүрүм-турум азайганын билдирет.

AC тест протоколу

• Кириш чыңалуулар: 50 V, 100 V, 150 V.
• Коммутация жыштыгы: булак сөзү менен 1–100 kHz.
• Булак билдирген жыштык өсүшү: 20 kHz.
• Өлчөө: санариптик осциллоскоп жана дифференциалдык проб.

Сүрөт 10’до 50 V жана 150 V мисалдары көрсөтүлөт. Булак сыналган диапазондо туруктуу жана аныкталган чыгыш толкун формалары алынганын билдирет.

DC резистивдүү тест

• Жүк: 300 Ω.
• Чыңалуу: 50 жана 100 V.
• Жыштык: булак сөзү менен 1–100 kHz.

Булак өлчөнгөн ток резистивдүү жүк шартына шайкеш экенин жана snubber turn-off өтүүсүндөгү өтмө ток чокусун чектегенин билдирет.

DC RL жүк тести

• Жүк: булак тарабынан индуктивдүү-резистивдүү жүрүм-турумдуу электр жылыткыч деп аныкталган.
• Чыңалуу: 50 жана 100 V.
• Жыштык: булак сөзү менен 1–100 kHz.

RL шартында ток резистивдүү жүккө салыштырмалуу жайыраак өзгөргөнү жана turn-off маалында snubber ток чокусу ачыгыраак болгону билдирилген.

Эксперименттик жоготуу анализи

Изилдөөчүлөр ачкычтагы чыңалуу жана ток толкун формаларынан turn-on жана turn-off өтүү энергияларын эсептеп, жыштыкка жараша коммутация жоготуусун баалашкан.

Сүрөт 13 жыштык өскөн сайын жоготуу энергиясы жана коммутация күч жоготуусу көбөйгөнүн көрсөтөт. Бирок изилдөө бул ийри сызыктардын бардык чийки чекиттерин сандык таблицада бербейт.

Ошондуктан Verianla Live үчүн Сүрөт 13’төн болжолдуу маани чыгарылган эмес.

Булак ичиндеги техникалык дал келбестиктердин кыскача мазмуну

• Эки күч элементинин туташуу түзүлүшү Бөлүм 2’де “antiparallel”, Бөлүм 3.2’де “anti-series” деп аталат.
• Күч баскычынын түшүндүрмөсүндө ар бир жарым циклде бир MOSFET гана активдүү деп айтылганда, gate драйвер алдын ала тестинде бир PWM сигналы эки драйвер киришине бир убакта берилгени жазылган.
• 1 kHz'ден 100 kHz'ге 20 kHz өсүү деген билдирүү математикалык жактан 100 kHz акыркы чекитине так жеткен катар бербейт.
• Теңдеме 7’де \(\tau=R_sC_s\leq T/2\) деп аныкталганы менен кийинки резистор сабындагы символдук жазуу 1250 Ω сандык амалын бирдей түрдө көрсөтпөйт.
• Сүрөт 13’тү түшүндүргөн абзац менен сүрөт коштомо жазуусу/октор (a) жана (b) жоготуу графиктерин тескери атайт.
• Теориялык бөлүм коммутация жана өткөрүү жоготууларын айтса да деталдаштырылган формулалар жана эксперименттик жыйынтык графиги негизинен коммутация жоготуусуна багытталган.

Негизги методологиялык чектөөлөр

• Толук түз матрицалык өзгөрткүч курулган эмес.
• MOSFETтин 1200 V номиналдык классы боюнча физикалык тест жүргүзүлгөн эмес.
• Gate драйвердин >2 MHz мүмкүнчүлүгү система деңгээлинде сыналган эмес.
• Термалдык камера же түйүн температурасы өлчөөсү билдирилген эмес.
• EMI спектр өлчөөсү же EMC стандарты боюнча тест жүргүзүлгөн эмес.
• Узак мөөнөттүү ишенимдүүлүк жана күч цикл тести жок.
• Кыска туташууга туруштук берүү тести жүргүзүлгөн эмес.
• Жалпы система энергия натыйжалуулугу пайыз менен билдирилген эмес.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Толук оригинал изилдөө аталышы: A SiC-MOSFET Bidirectional Switch Solution for Direct Matrix Converter Topologies

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

Авторлордун тартиби: Булактагы тартип өзгөртүлбөй сакталган.

Тең биринчи / тең салым: Булакта тең биринчи же тең салым тууралуу билдирүү көрсөтүлгөн эмес.

Жооптуу автор: Marco Rivera.

Мекемелер:

• 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.

Булактын түрү: Рецензияланган эксперименттик изилдөө макаласы; күч электроникасы жабдыгы, SiC-MOSFET эки багыттуу ачкыч долбоору жана лабораториялык текшерүү.

Журнал: Actuators.

Басмакана: MDPI.

Библиографиялык маалымат: Actuators 2026, 15(1), 40.

Макала номери: 40.

DOI: 10.3390/act15010040.

Расмий жарыя шилтемеси:https://doi.org/10.3390/act15010040

Жөнөтүлгөн күнү: 4 Ноябрь 2025.

Кайра каралган күнү: 30 Декабрь 2025.

Кабыл алынган күнү: 3 Январь 2026.

Жарыяланган күнү: 6 Январь 2026.

Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Каржылоо: Булак иштин каржылоо билдирүүсүндө изилдөө Paraguay Consejo Nacional de Ciencias y Tecnología (CONACYT) тарабынан PINV01-743 долбоору менен колдоого алынганы айтылат.

Кошумча колдоо жана ыраазычылык: Авторлор Universidad Nacional de Asunción докторантура программасы, CONACYT POSG01-14 жана ESTR01-3 долбоорлору, ANID FONDECYT Regular 1220556, SERC Chile FONDAP 1523A0006, UK-FRANCE Science Innovation and Technology Researcher Mobility Scheme UUK Award #1102 жана PRAPG колдоосуна да ыраазычылык бөлүмүндө кайрылышкан.

Маалымат жеткиликтүүлүгү: Изилдөөнүн оригинал салымдары макала ичинде экени жана кошумча суроолор жооптуу авторго жөнөтүлүшү мүмкүн экени айтылган.

Кызыкчылыктар кагылышы: Авторлор кызыкчылыктар кагылышы жок экенин билдиришкен.

Автор салымдары: Концептуалдаштыруу H.L. жана J.P.; методология R.R.; формалдык анализ H.L., E.M., J.P. жана S.T.; ресурстар S.N. жана B.S.; жазуу D.C., F.P.-P. жана B.S.; карап чыгуу жана редакциялоо R.G.; долбоор башкаруу M.R. деп билдирилген.

Илимий мазмун чеги: Бул Verianla жазуусундагы чынжыр топологиясы, түзүлүш касиеттери, gate драйвер, PCB долбоору, snubber теңдемелери, эксперимент чыңалуулары, жүк шарттары, коммутация жыштыктары жана эксперименттик түшүндүрмөлөр каралган негизги ишке таянат. Библиографиялык идентификацияны текшерүүдөн башка тышкы булактардан жаңы эксперименттик табылга кошулган эмес.

Колдонуу чеги: Изилдөө иштелип чыккан эки багыттуу ачкыч түз матрицалык өзгөрткүч топологиялары үчүн ылайыктуу деп эсептейт; бирок эксперименттик текшерилген система бир Bi-Sw модулу гана. Толук көп ачкычтуу матрицалык өзгөрткүч, тармак коммутatsiясы же электр унаасынын регенеративдүү иш сценарийи бул макалада физикалык сыналган эмес.

Булак ичиндеги маанилүү дал келбестиктер

• Эки MOSFETтин туташуу түзүлүшү булак ичинде “antiparallel” жана “anti-series” деп эки башка аталат.
• Ар бир жарым циклде бир MOSFET гана активдүү деген түшүндүрмө менен эки драйвер киришине бир PWM бир убакта берилген алдын ала тест түшүндүрмөсүнүн ортосунда деталдуу коммутация абалынын дал келүүсү берилген эмес.
• 1–100 kHz диапазону 20 kHz кадам менен сканерленет деген билдирүү акыркы чекиттер боюнча математикалык жактан толук аныкталган эмес.
• Snubber резистор эсебинде символдук \(R_s\) туюнтмасы менен 1250 Ω жыйынтыгына алып келген сандык амал бирдей түрдө жазылган эмес.
• Сүрөт 13’түн түшүндүрмө абзацы менен сүрөт коштомо жазуусу жана көрүнгөн октору (a)/(b) жоготуу графиктеринин маанисин тескери тартипте берет.

Сандык график чеги: Сүрөт 13’төгү жоготуу ийри сызыктарынын маркерлери көрүнгөнү менен изилдөө алардын бардык маанилерин таблицада бербейт. Verianla илимий график даярдоо эрежеси боюнча бул чекиттер көз менен санга айландырылган эмес жана жаңы Live жоготуу графиги түзүлгөн эмес.