Ин таҳқиқот тарҳрезӣ, татбиқи PCB ва санҷиши лаборатории як калиди паймонаи электроникаи қудратии дуҷонибаро, ки барои истифода дар табдилдиҳандаҳои мустақими матритсавӣ пешбинӣ шудааст, меомӯзад. Модули пешниҳодшуда ду унсури қудратии IMBG120R053M2H SiC-MOSFET ва драйвери gate-и UCC21521-ро, ки ду баромади мустақили бо изолятсияи галваникӣ таъмин мекунад, якҷо месозад. Ҳадаф таҳияи воҳиди калиди паймонест, ки дар он ҷараён метавонад ба ҳар ду самт гузарад ва шиддат дар ҳар ду қутбият идора шавад ва барои басомадҳои баланди коммутатсионӣ мувофиқ бошад.

Барои IMBG120R053M2H SiC-MOSFET, ки дар зинаи қудрат истифода шудааст, манбаъ тобоварии drain-source ба шиддати 1200 V, муқовимати ҳолати кушодаи 52,6 mΩ дар 25 °C, шиддати тавсияшудаи кушодани gate-и 15–18 V, шиддати остонаи gate-и 4,2 V, вақти тобоварӣ ба кӯтоҳпайвастшавии 2 µs ва ҳарорати максималии пайвандии 200 °C-ро дар ҳолати изофаборӣ нишон медиҳад. Ин қиматҳо хусусиятҳои datasheet-и нимноқили истифодашуда мебошанд; озмоишҳои таҳқиқот дар сатҳи 1200 V гузаронида нашудаанд.

Барои UCC21521, ки дар зинаи драйвер истифода шудааст, таъминоти тарафи идоракунӣ 3–5,5 V, таъминоти баромади тарафи қудрат 13–20 V, тобоварии изолятсия 5,7 kVrms ва иқтидори ҷараёни баромад 4–6 A дода шудааст. Манбаъ ҳамчунин нишон медиҳад, ки драйвер иммунитети гузарои умумӣ-режимии зиёда аз 100 V/ns ва иқтидори басомади максималии коммутатсионии зиёда аз 2 MHz дорад. Аммо озмоишҳои воқеии калид дар таҳқиқот дар диапазони хеле поёнтари басомад, ки ҳамчун 1–100 kHz муайян шудааст, анҷом дода шудаанд.

PCB бо истифода аз KiCad 9.0.0 тарҳрезӣ шуда ва меъмории якқабата интихоб шудааст. Муҳаққиқон истифодаи ҷузъҳои SMD, кӯтоҳ нигоҳ доштани роҳҳои муҳими коммутатсионӣ, ҷудокунии физикии минтақаҳои қудрати паст ва баланд, минтақаҳои мустақили замин ва сатҳҳои васеи мисиро ҳамчун хусусиятҳои асосии тарҳ аз нигоҳи паймонӣ, кам кардани индуктансҳои паразитӣ ва паҳншавии гармӣ шарҳ медиҳанд.

Дар санҷиши лабораторӣ аввал баромадҳои gate-и драйвери UCC21521 дар 1 kHz санҷида шуданд, сипас таъсири занҷири RCD snubber дар коҳиши барзиёдшавии шиддат ва ларзишҳои гузаришҳои коммутатсионӣ муқоиса гардид. Калиди дуҷониба баъдан дар шароити AC дар сатҳҳои 50, 100 ва 150 V ва дар шароити DC дар сатҳҳои 50 ва 100 V арзёбӣ шуд. Дар як қисми озмоишҳои DC бори муқовиматии 300 Ω ва дар қисми дигар гармкунаки барқие истифода шуд, ки манбаъ онро дорои рафтори индуктивӣ-резистивӣ тавсиф кардааст.

Шаклҳои мавҷии таҷрибавӣ нишон медиҳанд, ки калид дар шароити шиддат ва басомади таҳқиқшуда ба таври такроршаванда кушода ва баста мешавад ва ҳангоми истифодаи snubber ларзишҳои басомади баланд дар гузаришҳои коммутатсионӣ кам мешаванд. Бо вуҷуди ин, таҳқиқот як системаи пурраи табдилдиҳандаи мустақими матритсавии сефазаро дар лаборатория насохта ва озмоиш накардааст. Таҷҳизоте, ки мустақиман санҷида шудааст, модули калиди дуҷонибаи SiC-MOSFET мебошад, ки барои истифода дар чунин табдилдиҳанда таҳия шудааст.

Аз нигоҳи Туркия: Таҳқиқот дар ягон нақлиёти барқӣ, драйвери саноатии муҳаррик ё табдилдиҳандаи қудрати ба шабака пайвастшуда дар Туркия анҷом дода нашудааст. Бо вуҷуди ин, он аз нигоҳи коммутатсияи баландсуръати бар асоси SiC, драйвери gate-и бо изолятсияи галваникӣ, кам кардани паразитҳои PCB ва андозабандии RCD snubber равиши мушаххаси прототипсозиро пешниҳод мекунад, ки метавонад дар лабораторияҳои электроникаи қудрат истифода шавад. Барои гузариш ба татбиқи воқеии табдилдиҳандаи матритсавии қудрати баланд дар Туркия, даврзании гармӣ, EMI/EMC, ҳамоҳангсозии изолятсия, озмоишҳои шиддати баланд, муҳофизати кӯтоҳпайвастшавӣ ва коммутатсияи пурраи табдилдиҳанда бояд алоҳида санҷида шаванд.

Чаро калиди дуҷониба лозим аст?

Табдилдиҳандаҳои мустақими матритсавӣ сохторҳои электроникаи қудратанд, ки метавонанд байни вуруди AC ва баромади AC бидуни зинаи классикии нигоҳдории энергия дар шинаи DC табдилдиҳии мустақими энергияро анҷом диҳанд. Дар чунин топологияҳо кофӣ нест, ки калидҳо ҷараёнро танҳо ба як самт гузаронанд; вобаста ба шароити бор ва шабака самти ҷараён бояд тағйир ёбад ва қутбиятҳои гуногуни шиддат идора шаванд.

Аз ин рӯ, манбаъ калиди дуҷонибаро ҳамчун унсури электроникаи қудрат баррасӣ мекунад, ки метавонад ҷараёнро ба ҳар ду самт идора кунад ва дар шароити шиддати мусбат-манфӣ истифода шавад.

Ҳадафи таҳқиқот истеҳсоли нимноқили нави SiC-MOSFET нест. Саҳми кор аз он иборат аст, ки SiC-MOSFET-и тиҷоратӣ ва драйвери gate-и бо изолятсияи галваникӣ дар як модули паймонаи PCB якҷо карда шуда, барои табдилдиҳандаҳои мустақими матритсавӣ ҳуҷайраи калиди дуҷонибаи қобили истифода сохта шавад.

Чаро SiC-MOSFET интихоб шудааст?

Манбаъ технологияи SiC-MOSFET-ро дар муқоиса бо ҳалли анъанавии MOSFET ва IGBT-и кремнийӣ аз сабаби хусусиятҳое чун басомади баланди коммутатсионӣ, талафоти ками коммутатсионӣ ва иқтидори ҳарорати баланд интихоб мекунад.

Унсури истифодашуда дар зинаи қудрат Infineon IMBG120R053M2H CoolSiC™ 1200 V MOSFET мебошад.

Қиматҳои 1200 V шиддат ё 200 °C ҳарорат дар ин ҷо шароити озмоишии таҷрибавӣ нестанд. Онҳо ҳамчун хусусиятҳои техникии SiC-MOSFET-и интихобшуда дар таҳқиқот оварда шудаанд. Санҷиши физикии AC дар кор ҳадди аксар дар вуруди 150 V ва санҷиши DC дар вуруди 100 V анҷом дода шудааст.

Зинаи қудрати дуҷониба чӣ гуна сохта шудааст?

Манбаъ зинаи қудратеро истифода мебарад, ки дар он ду SiC-MOSFET бо самтгирии муқобил ба ҳам пайваст шудаанд. Ин тартиб роҳи ҷараёни баръакси беназоратро, ки метавонад тавассути диоди бадании як MOSFET ба вуҷуд ояд, маҳдуд мекунад ва имкон медиҳад рафтори дуҷонибаи калид бо идоракунии фаъоли gate муайян шавад.

Аммо дар истилоҳоти манбаъ номувофиқатӣ вуҷуд дорад. Дар Бахши 2 навишта шудааст, ки ду транзистори қудратӣ дар “antiparallel configuration” пайваст шудаанд, дар ҳоле ки дар Бахши 3.2 ҳамон зинаи қудрат ҳамчун “anti-series configuration” тавсиф мешавад. Шакли 1 ва Шакли 3b ҳамон сохтори дуэлементаи дуҷонибаро нишон медиҳанд; Verianla ин ду истилоҳи гуногунро аз номи манбаъ хомӯшона ба як ифода иваз накардааст.

Чаро драйвери gate як қабати алоҳида аст?

Сигнали PWM, ки аз ҷониби микроконтроллер, DSP ё FPGA тавлид мешавад, наметавонад gate-и SiC-MOSFET-ро мустақиман ва бехатар идора кунад. Азбаски дар зинаи қудрат тағйироти босуръати шиддат ва гузаришҳои баланди умумӣ-режимӣ ба вуҷуд омада метавонанд, электроникаи идоракунӣ бояд аз занҷири қудрат аз ҷиҳати барқӣ ҷудо карда шавад.

Дар таҳқиқот ин вазифа ба драйвери gate-и дуканала ва изолятсияшудаи Texas Instruments UCC21521 дода шудааст.

Манбаъ инчунин нишон медиҳад, ки иммунитети гузарои умумӣ-режимии UCC21521 аз 100 V/ns зиёд аст. Ин қимат иқтидори техникии драйвер мебошад; дар таҳқиқот озмоиши ҷудогонаи таҷрибавии EMI то ҳади 100 V/ns CMTI анҷом дода нашудааст.

Унсурҳои ёрирасон дар баромади gate чӣ кор мекунанд?

Занҷири драйвер дар Шакли 3a танҳо аз UCC21521 иборат нест. Дар баромадҳои gate резисторҳо, диодҳо ва конденсаторҳои bypass/decoupling мавҷуданд. Муҳаққиқон шарҳ медиҳанд, ки ин унсурҳо барои шакл додани шиддати gate, маҳдуд кардани барзиёдшавии шиддат, хомӯш кардани ларзишҳои гузариш ва нигоҳ доштани якпорчагии сигнал истифода мешаванд.

Минтақаҳои замини тарафи идоракунӣ ва қудрат низ аз ҳам ҷудо шудаанд. Ҳамин тавр, ҳадаф кам кардани интиқоли гузаришҳои босуръати коммутатсионии зинаи қудрат ба тарафи идоракунӣ тавассути роҳҳои паразитӣ мебошад.

Оё манбаъ рафтори драйверро бо ду тарзи гуногун тавсиф мекунад?

Бале. Дар Бахши 3.2 муҳаққиқон мегӯянд, ки ду MOSFET бо баромадҳои драйвер мустақилона идора мешаванд ва фаъол будани танҳо як дастгоҳ дар ҳар нимдавр хатари shoot-through-ро пешгирӣ мекунад.

Дар муқобил, дар Бахши 5.1 барои санҷиши аввалияи драйвери gate чунин тартиби озмоиш шарҳ дода мешавад:

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

Яъне дар санҷиши пешакӣ ҳамон як сигнали PWM ба ҳар ду вуруди драйвер ҳамзамон татбиқ шудааст.

Манбаъ бо ҷадвали муфассали ҳолатҳои коммутатсионӣ шарҳ намедиҳад, ки ин ду тавсиф ба режимҳои гуногуни озмоиш/кор тааллуқ доранд ё не. Аз ин рӯ, Verianla онҳоро маҷбуран бо ҳам мувофиқ намекунад.

PCB чӣ гуна хурд карда шудааст?

PCB бо KiCad Version 9.0.0 тарҳрезӣ шудааст. Шакли 4-и таҳқиқот се марҳиларо якҷо нишон медиҳад: ҷойгиркунии PCB-и қабати боло, намуди сеченакаи PCB ва платаи ҷисман истеҳсолшуда.

Муҳаққиқон мегӯянд, ки барои осонии истеҳсол ва кам кардани хароҷот меъмории якқабата истифода шудааст. Роҳҳои муҳими коммутатсияи баландсуръат кӯтоҳ нигоҳ дошта шуда, минтақаҳои қудрати паст ва баланд ҷудо, минтақаҳои мустақили замин истифода ва дар атрофи MOSFET-ҳои қудрат сатҳҳои васеи мисӣ гузошта шудаанд.

Аксари ҷузъҳо навъи SMD мебошанд. Ин равиш андозаи модулро кам мекунад, аммо дар таҳқиқот андозаҳои дақиқи физикии PCB ё зичии қудрат бо W/cm³ ба таври рақамӣ дода нашудаанд. Аз ин рӯ, ҳарчанд манбаъ тарҳро “паймон” меномад, Verianla қимати нави зичии қудрат эҷод намекунад.

Талафоти коммутатсионӣ чӣ гуна ҳисоб мешавад?

Манбаъ талафоти энергияи ҳангоми кушодан ва бастанро бо равиши соддакардашудаи гузариши секунҷа муайян мекунад:

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

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

Дар ин ҷо \(t_{ON}\) ва \(t_{OFF}\) вақти гузаришҳои кушодан-бастан, \(V_{DS}\) шиддати drain-source дар MOSFET ва \(i_L\) ҷараёни максималии борро ифода мекунанд.

Ҳангоми ба назар гирифтани басомади коммутатсия:

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

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

ифодаҳо истифода мешаванд.

Таҳқиқот дар муқаддимаи таҳлили назариявӣ аз талафоти коммутатсионӣ ва гузаронӣ сухан мегӯяд; аммо формулаҳои муфассали гурӯҳи муодилаҳои нашршуда ба энергия ва қувваи талафоти коммутатсионӣ тааллуқ доранд. Муодилаи ҷудогонаи талафоти гузаронӣ ё фоизи умумии самаранокӣ пешниҳод нашудааст.

Чаро RCD snubber илова шудааст?

Тағйирёбии босуръати ҷараёни SiC-MOSFET дар якҷоягӣ бо индуктансҳои хурди паразитии занҷир метавонад ҳангоми turn-off ба барзиёдшавии шиддати drain-source ва ларзишҳои басомади баланд оварда расонад. Аз ин рӯ, муҳаққиқон барои ҳар MOSFET шабакаи RCD-и навъи snubber илова кардаанд.

Энергияи захирашуда дар индуктансҳои паразитӣ:

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

ҳисоб карда мешавад.

Бо фарз кардани он ки ин энергия ба конденсатори snubber мегузарад:

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

робита ба даст меояд.

Дар ҳисоби snubber кадом қиматҳо истифода шуданд?

Шиддати clamp дар манбаъ чунин ҳисоб шудааст:

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

ҳисоб шудааст.

Мушкилоти навишт дар ҳисоби резистори snubber чист?

Манбаъ аввал қоидаи:

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

ро медиҳад.

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

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

натиҷаи рақамӣ ба даст меояд.

Аммо ифодаи рамзии мобайнии матни манбаъ ҳамчун \(R_s\leq\tau/(2C_s)\) навишта шудааст. Агар \(\tau\) аллакай ба маънои \(T/2\) истифода шуда бошад, ин навишт бо ҳисоби рақамӣ яксон нест. Натиҷаи 1250 Ω-и додаи манбаъ нигоҳ дошта шудааст; навишти рамзӣ хомӯшона ислоҳ карда нашудааст.

Агар snubber барои 30 V ва 40 kHz андозабандӣ шуда бошад, чаро озмоишҳо васеътаранд?

Нуқтаи намунавии кори ҳисоби snubber шинаи 30 V, 40 kHz ва 10 A мебошад. Аммо озмоишҳои баъдӣ дар AC то 150 V ва, мувофиқи ифодаи манбаъ, дар басомади коммутатсионӣ то 100 kHz мерасанд.

Манбаъ барои ҳар яке аз ин шароити гуногуни озмоиш андозабандии ҷудогонаи \(C_s\) ва \(R_s\)-ро пешниҳод намекунад. Аз ин рӯ, ҳисоби 30 V/40 kHz набояд ҳамчун тарҳи мустақили оптималии snubber барои тамоми диапазони корӣ тафсир шавад.

Дар стенди лабораторӣ чӣ мавҷуд аст?

Шакли 6 схемаи занҷири таҷрибавӣ ва Шакли 7 стенди физикии озмоишро нишон медиҳад. Стенд ҷузъҳои асосии зеринро дар бар мегирад:

• манбаи қувваи AC/DC,
• модули таҳияшудаи Bi-Sw PCB,
• генератори PWM/сигнал,
• бор,
• проби дифференсиалӣ,
• осиллоскопи рақамӣ.

Бо ин стенд сигналҳои gate, шиддатҳои калид ва ҷараёнҳои бор дар вақти воқеӣ мушоҳида шудаанд.

Драйвери gate аввал чӣ гуна санҷида шуд?

Пеш аз гузаштан ба озмоишҳои пурқудрат, драйвери UCC21521 бо PWM-и 1 kHz санҷида шуд. Дар Шакли 8 осциллограммаҳои шиддати gate-source, шиддати диод, шиддати калид ва ҷараёни занҷири қудрат якҷо нишон дода шудаанд.

Муҳаққиқон ин санҷишро ҳамчун санҷиши пешакии он истифода бурданд, ки сигнали идоракунӣ ба сатҳи дурусти идоракунии gate, ки SiC-MOSFET талаб мекунад, табдил дода шудааст.

Оё snubber воқеан фарқият эҷод кард?

Шакли 9 ҳамон шароити коммутатсиониро бе snubber ва бо snubber муқоиса мекунад. Бе snubber ҳангоми гузариши turn-off барзиёдшавии шиддат ва ларзишҳои басомади баланд равшантар дида мешаванд.

Ҳангоми илова шудани snubber, манбаъ хабар медиҳад, ки ҳам амплитуда ва ҳам давомнокии ларзиш кам шуда, шакли мавҷ тозатар шудааст.

Бо вуҷуди ин, манбаъ беҳбудии Шакли 9-ро ҳамчун як қимати рақамии “фоизи коҳиши overshoot” дар ҷадвал пешниҳод намекунад. Аз ин рӯ, Verianla аз тасвир фоизи тахминӣ намесозад.

Озмоишҳои AC дар кадом шароит гузаронида шуданд?

Калиди дуҷониба дар вуруди AC дар се сатҳи шиддат озмоиш шуд:

• 50 V,
• 100 V,
• 150 V.

Манбаъ нишон медиҳад, ки басомади коммутатсионӣ аз 1 kHz то 100 kHz бо қадамҳои 20 kHz тағйир дода шудааст.

Шакли 10 ҳамчун намуна озмоишҳои 50 V ва 150 V-ро нишон медиҳад. Муҳаққиқон гузориш медиҳанд, ки дар диапазони санҷидашуда коммутатсияи тоза, набудани хатои trigger ва набудани таҳрифи муҳими сигнали баромад мушоҳида шудааст.

Чаро дар ифодаи 1–100 kHz бо қадами 20 kHz масъала вуҷуд дорад?

Дар ҳар се бахши озмоишии манбаъ ифодаи “аз 1 kHz то 100 kHz, бо қадамҳои 20 kHz” истифода шудааст. Аммо пайдарпаие, ки аз 1 kHz оғоз шуда бо қадамҳои дақиқи 20 kHz пеш меравад:

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

мешавад ва ба қимати дақиқи 100 kHz намерасад.

Азбаски манбаъ рӯйхати пурраи нуқтаҳои воқеии озмоишро дар ҷадвали ҷудогона намедиҳад, Verianla басомадҳои мобайниро бо тахмин ба 20, 40, 60, 80 ва 100 kHz бознависӣ накардааст. Танҳо диапазони умумии дар манбаъ равшан нишон додашуда нигоҳ дошта шудааст.

Дар бори муқовиматии DC чӣ санҷида шуд?

Дар қисми аввали озмоиши DC 300 Ω бори муқовиматӣ истифода шуд. Шиддатҳои вуруд:

• 50 V,
• 100 V

муайян шудаанд.

Манбаъ боз ҳам басомади коммутатсиониро дар диапазони 1–100 kHz тавсиф мекунад. Дар Шакли 11 шаклҳои мавҷии осиллоскоп барои ду сатҳи шиддат нишон дода шудаанд.

Муҳаққиқон мегӯянд, ки коммутатсия такроршаванда буд, дар шакли мавҷи шиддат барзиёдшавии назаррас ба вуҷуд наомад ва ҷараёни бори муқовиматӣ рафтори интизоршударо нишон дод.

Дар озмоиши бори RL чӣ истифода шуд?

Дар озмоиши дуюми бори DC манбаъ як гармкунаки барқӣ-ро ҳамчун боре тавсиф мекунад, ки рафтори индуктивӣ-резистивӣ, яъне RL, дорад.

Сатҳҳои вуруди 50 V ва 100 V истифода шуданд. Дар Шакли 12 гузориш мешавад, ки ҷараён зери бори RL нисбат ба ҳолати комилан муқовиматӣ шакли тадриҷитар ва пайвастар дорад.

Гарчанде ҳангоми turn-off дар ҷараёни snubber қуллаҳои равшантар дида мешаванд, муҳаққиқон мегӯянд, ки коммутатсия устувор мондааст ва барзиёдшавии назарраси шиддат ба вуҷуд наомадааст.

Ҳаҷми санҷишҳои таҷрибавӣ чӣ гуна аст?

Таҳлили талафот чӣ нишон медиҳад?

Шакли 13 нишон медиҳад, ки бо афзоиши басомади коммутатсионӣ бузургии талафот ҳам зиёд мешавад. Манбаъ ин натиҷаро бо афзоиши шумораи ҳодисаҳои коммутатсионӣ дар як сония алоқаманд мекунад.

Аммо қиматҳои хоми рақамии Шакли 13 дар шакли ҷадвал дода нашудаанд. Аз ин рӯ, Verianla бо хондани чашмии нуқтаҳои график ҷадвали нави рақамии талафот эҷод накардааст.

Номувофиқатии барчаспҳои дохилии манбаъ дар Шакли 13 чист?

Параграфе, ки таҳлили таҷрибавии талафотро шарҳ медиҳад, Шакли 13a-ро “switching loss as a function of operating frequency” ва Шакли 13b-ро “accumulated energy dissipated per second” меномад.

Дар муқобил, зернависи шакл чунин аст:

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

чунин аст.

Меҳварҳои намоён низ графики чапро ҳамчун энергия ва графики ростро ҳамчун талафоти қувваи коммутатсионӣ меноманд. Verianla ин баръаксии (a)/(b)-ро дар матни манбаъ хомӯшона ҳамчун як шарҳи ягонаи дуруст пешниҳод накардааст.

Истифодаи MOSFET-и 1200 V маънои онро дорад, ки озмоиш дар 1200 V гузаронида шуд?

Не. 1200 V синфи номиналии тобоварии drain-source-и SiC-MOSFET-и истифодашуда мебошад, ки дар манбаъ дода шудааст.

Дар озмоишҳои физикии ин мақола баландтарин шиддати вуруди AC-и гузоришшуда:

150 V

ва шиддати вуруди DC:

100 V

мебошад.

Аз ин рӯ, таҳқиқот рафтори изолятсия, creepage/clearance, гармӣ ва коммутатсияи PCB-и сохташударо дар 1200 V мустақиман таҷрибавӣ тасдиқ намекунад.

Иқтидори драйвери 2 MHz маънои онро дорад, ки калид дар 2 MHz кор кард?

Не. Қимати >2 MHz барои UCC21521 иқтидори техникии драйвери gate мебошад, ки дар манбаъ нишон дода шудааст.

Диапазони таҷрибавии кори калиди дуҷониба дар ин таҳқиқот аз ҷониби манбаъ ҳадди аксар 100 kHz муайян шудааст.

Оё таҳқиқот табдилдиҳандаи пурраи матритсавиро озмоиш мекунад?

Не. Таҳқиқот ҳуҷайраи калиди дуҷонибаро барои истифода дар топологияҳои табдилдиҳандаи мустақими матритсавӣ тарҳрезӣ мекунад. Аммо стенди лабораторӣ бо як модули Bi-Sw, манбаи қувва ва бор сохта шудааст.

Табдилдиҳандаи пурраи мустақими матритсавии сефаза ё бисёркалидӣ дар санҷиши таҷрибавии ин мақола насохта шудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Бо истифода аз UCC21521 ва ду SiC-MOSFET PCB-и физикии калиди дуҷониба таҳия шудааст.
• PCB-и истеҳсолшуда дар стенди лабораторӣ кор карда шудааст.
• Баромадҳои драйвери gate дар санҷиши пешакии 1 kHz таҷрибавӣ мушоҳида шудаанд.
• Коҳиши ларзишҳои гузариши коммутатсионӣ бо истифодаи RCD snubber тавассути шаклҳои мавҷии осиллоскоп нишон дода шудааст.
• Калиди дуҷониба дар AC дар шароити 50, 100 ва 150 V озмоиш шудааст.
• Озмоишҳои муқовиматии DC дар 50 ва 100 V бо бори 300 Ω анҷом дода шудаанд.
• Озмоишҳои боре, ки манбаъ онро RL номидааст, дар 50 ва 100 V анҷом дода шудаанд.
• Манбаъ диапазони басомади таҷрибавиро 1–100 kHz гузориш медиҳад.
• Тамоюли таҷрибавии афзоиши талафот бо афзоиши басомади коммутатсионӣ нишон дода шудааст.
• Татбиқи физикии меъмории якқабатаи SMD PCB нишон дода шудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад ё озмоиш накардааст

• Табдилдиҳандаи пурраи мустақими матритсавии сефаза таҷрибавӣ сохта нашудааст.
• PCB дар 1200 V озмоиш нашудааст.
• Калиди дуҷониба дар 2 MHz таҷрибавӣ кор карда нашудааст.
• Кори дастгоҳ дар ҳарорати пайвандии 200 °C таҷрибавӣ чен нашудааст.
• Тобоварии кӯтоҳпайвастшавии 2 µs дар ин таҳқиқот бо озмоиши физикии кӯтоҳпайвастшавӣ тасдиқ нашудааст.
• Ченкунии партов ё иммунитети EMI/EMC гузориш нашудааст.
• Барои самаранокии умумии табдил як қимати ягонаи фоизӣ дода нашудааст.
• Озмоиши умри даврзании дарозмуддати қудрат ё гармӣ гузаронида нашудааст.
• Зичии қудрати PCB бо W/cm³ гузориш нашудааст.
• Кори коммутатсионии табдилдиҳандаи воқеии матритсавии ба шабака пайвастшуда озмоиш нашудааст.
• Тормозкунии регенеративӣ дар нақлиёти барқӣ бо ин прототип мустақиман таҷрибавӣ нишон дода нашудааст.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Меъмории сахтафзор

Ҳудудҳои тарҳи драйвери gate

UCC21521 барои таъмин кардани изолятсияи галваникӣ байни тарафи идоракунӣ ва қудрат истифода шудааст. Манбаъ кам кардани интиқоли dv/dt-и баланд ва гузаришҳои умумӣ-режимӣ ба электроникаи идоракунӣ ҳангоми коммутатсияи босуръати SiC-ро яке аз талаботи асосӣ муайян мекунад.

Диапазони 13–20 V-и таъминоти баромади драйвер бо шиддати тавсияшудаи 15–18 V-и кушодани gate-и SiC-MOSFET-и интихобшуда мувофиқ аст.

Зинаи қудрат

Ду IMBG120R053M2H MOSFET дар сохтори калиди дуҷониба якҷо карда шудаанд. Gate-и ҳар MOSFET ба баромади ҷудогонаи изолятсияшудаи драйвер пайваст шудааст.

Дар PCB ҳадаф кӯтоҳ нигоҳ доштани роҳҳои ҷараёни баланд ва кам кардани индуктансҳои паразитӣ байни терминалҳои қудрат мебошад.

Ҳисоби назариявии snubber

Бо қиматҳои асосии истифодашуда дар манбаъ:

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

ҳисоб шудааст.

Барои конденсатори snubber-и 10 nF ва шинаи 30 V:

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

натиҷа гирифта шудааст.

Азбаски дар коммутатсияи 40 kHz \(T=25\,\mu s\), барои он ки конденсатор пеш аз даври навбатӣ то андозаи зиёд холӣ шавад, манбаъ:

\[ R_s\leq1250\;\Omega \]

натиҷаро медиҳад.

Санҷиши пешакии драйвери gate

Дар санҷиши UCC21521 ҳамон як сигнали PWM ба ҳар ду вуруди драйвер дода шуда ва басомад 1 kHz таъин шудааст. Дар осиллоскоп \(V_{GS}\), шиддати диод, шиддати калид ва ҷараёни занҷири қудрат мушоҳида шудаанд.

Манбаъ хабар медиҳад, ки ин санҷиш баланд шудани сигнали gate ба сатҳи зарурӣ ва ба амал омадани рафтори кушодан-бастани калиди қудратро тасдиқ кардааст.

Муқоисаи snubber

Дар ҳамон шароити коммутатсионӣ ду сабти таҷрибавӣ муқоиса шудаанд:

• бе занҷири snubber,
• бо занҷири RCD snubber.

Манбаъ хабар медиҳад, ки бе snubber дар минтақаи falling-edge overshoot ва ларзиши равшан вуҷуд дорад ва бо истифодаи snubber ин рафтор кам мешавад.

Протоколи озмоиши AC

• Шиддатҳои вуруд: 50 V, 100 V, 150 V.
• Басомади коммутатсионӣ: бо ифодаи манбаъ 1–100 kHz.
• Қадами басомади нишон додаи манбаъ: 20 kHz.
• Ченкунӣ: осиллоскопи рақамӣ ва проби дифференсиалӣ.

Дар Шакли 10 намунаҳои 50 V ва 150 V нишон дода шудаанд. Манбаъ мегӯяд, ки дар диапазони санҷидашуда шаклҳои мавҷии баромади устувор ва муайян гирифта шудаанд.

Озмоиши муқовиматии DC

• Бор: 300 Ω.
• Шиддат: 50 ва 100 V.
• Басомад: бо ифодаи манбаъ 1–100 kHz.

Манбаъ мегӯяд, ки ҷараёни ченшуда ба шароити бори муқовиматӣ мувофиқ буд ва snubber қуллаи гузарои ҷараёнро ҳангоми turn-off маҳдуд кардааст.

Озмоиши бори DC RL

• Бор: аз ҷониби манбаъ ҳамчун гармкунаки барқии дорои рафтори индуктивӣ-резистивӣ тавсиф шудааст.
• Шиддат: 50 ва 100 V.
• Басомад: бо ифодаи манбаъ 1–100 kHz.

Гузориш шудааст, ки дар шароити RL ҷараён нисбат ба бори муқовиматӣ сусттар тағйир мекунад ва ҳангоми turn-off қуллаи ҷараёни snubber равшантар аст.

Таҳлили таҷрибавии талафот

Муҳаққиқон аз шаклҳои мавҷии шиддат ва ҷараёни калид энергияи гузаришҳои turn-on ва turn-off-ро ҳисоб карда, талафоти коммутатсионии вобаста ба басомадро арзёбӣ карданд.

Шакли 13 нишон медиҳад, ки бо афзоиши басомад энергияи талафот ва талафоти қувваи коммутатсионӣ меафзояд. Аммо таҳқиқот ҳамаи нуқтаҳои хоми ин каҷҳоро дар ҷадвали рақамӣ намедиҳад.

Аз ин рӯ, барои Verianla Live аз Шакли 13 қиматҳои тахминӣ бароварда нашудаанд.

Хулосаи номувофиқатиҳои техникии дохилии манбаъ

• Пайвасти ду унсури қудрат дар Бахши 2 “antiparallel” ва дар Бахши 3.2 “anti-series” номида мешавад.
• Дар шарҳи зинаи қудрат гуфта мешавад, ки дар ҳар нимдавр танҳо як MOSFET фаъол аст, аммо дар санҷиши пешакии драйвери gate навишта шудааст, ки як сигнали PWM ба ҳар ду вуруди драйвер ҳамзамон дода шудааст.
• Ифодаи қадамҳои 20 kHz аз 1 kHz то 100 kHz аз ҷиҳати математикӣ пайдарпаии дақиқеро, ки дар 100 kHz анҷом ёбад, намедиҳад.
• Гарчанде дар Муодилаи 7 \(\tau=R_sC_s\leq T/2\) муайян шудааст, навишти рамзии сатри баъдии резистор ҳисоби рақамии 1250 Ω-ро айнан ифода намекунад.
• Параграфи шарҳи Шакли 13 ва зернавис/меҳварҳои намоёни шакл графикҳои талафоти (a) ва (b)-ро баръакс ном мебаранд.
• Гарчанде бахши назариявӣ аз талафоти коммутатсионӣ ва гузаронӣ сухан мегӯяд, формулаҳои муфассал ва графики натиҷаи таҷрибавӣ асосан ба талафоти коммутатсионӣ тамаркуз доранд.

Ҳудудҳои асосии методологӣ

• Табдилдиҳандаи пурраи мустақими матритсавӣ сохта нашудааст.
• Озмоиши физикӣ дар синфи номиналии 1200 V-и MOSFET гузаронида нашудааст.
• Иқтидори >2 MHz-и драйвери gate дар сатҳи система озмоиш нашудааст.
• Ченкунии камераи гармӣ ё ҳарорати пайвандӣ гузориш нашудааст.
• Озмоиши спектри EMI ё стандарти EMC гузаронида нашудааст.
• Озмоиши дарозмуддати эътимоднокӣ ва даврзании қудрат вуҷуд надорад.
• Озмоиши тобоварӣ ба кӯтоҳпайвастшавӣ гузаронида нашудааст.
• Самаранокии умумии энергетикии система бо фоиз гузориш нашудааст.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: A SiC-MOSFET Bidirectional Switch Solution for Direct Matrix Converter Topologies

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

Тартиби муаллифон: Тартиби манбаъ айнан нигоҳ дошта шудааст.

Муаллифи ҳамаввал / саҳми баробар: Дар манбаъ изҳороти муаллифи ҳамаввал ё саҳми баробар зикр нашудааст.

Муаллифи масъул: Marco Rivera.

Муассисаҳо:

• 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.

Навъи манбаъ: Мақолаи таҳқиқотии таҷрибавии тақризшуда; сахтафзори электроникаи қудрат, тарҳи калиди дуҷонибаи SiC-MOSFET ва санҷиши лабораторӣ.

Маҷалла: Actuators.

Ношир: MDPI.

Маълумоти библиографӣ: Actuators 2026, 15(1), 40.

Рақами мақола: 40.

DOI: 10.3390/act15010040.

Пайванди расмии нашр:https://doi.org/10.3390/act15010040

Санаи пешниҳод: 4 Ноябр 2025.

Санаи бозбинӣ: 30 Декабр 2025.

Санаи қабул: 3 Январ 2026.

Санаи нашр: 6 Январ 2026.

Иҷозатнома: Creative Commons Attribution (CC BY).

Маблағгузорӣ: Дар изҳороти маблағгузории кори манбаъ нишон дода шудааст, ки таҳқиқот аз ҷониби Paraguay Consejo Nacional de Ciencias y Tecnología (CONACYT) дар доираи лоиҳаи PINV01-743 дастгирӣ шудааст.

Дастгирӣ ва ташаккури иловагӣ: Муаллифон ҳамчунин дар бахши ташаккур барномаи доктории Universidad Nacional de Asunción, лоиҳаҳои CONACYT POSG01-14 ва ESTR01-3, ANID FONDECYT Regular 1220556, SERC Chile FONDAP 1523A0006, UK-FRANCE Science Innovation and Technology Researcher Mobility Scheme UUK Award #1102 ва дастгирии PRAPG-ро зикр кардаанд.

Дастрасии маълумот: Гуфта шудааст, ки саҳмҳои аслии таҳқиқот дар дохили мақола мавҷуданд ва саволҳои иловагӣ метавонанд ба муаллифи масъул равона шаванд.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Саҳми муаллифон: Консептуализатсия H.L. ва J.P.; методология R.R.; таҳлили формалӣ H.L., E.M., J.P. ва S.T.; захираҳо S.N. ва B.S.; навиштан D.C., F.P.-P. ва B.S.; бозбинӣ ва таҳрир R.G.; идоракунии лоиҳа M.R. гузориш шудааст.

Ҳудуди мазмуни илмӣ: Топологияи занҷир, хусусиятҳои дастгоҳ, драйвери gate, тарҳи PCB, муодилаҳои snubber, шиддатҳои озмоишӣ, шароити бор, басомадҳои коммутатсионӣ ва тафсирҳои таҷрибавии ин матни Verianla ба таҳқиқоти асосии баррасишуда такя мекунанд. Ба ғайр аз санҷиши ҳувияти библиографӣ, аз манбаъҳои беруна натиҷаи нави таҷрибавӣ илова нашудааст.

Ҳудуди татбиқ: Таҳқиқот даъво мекунад, ки калиди дуҷонибаи таҳияшуда барои топологияҳои табдилдиҳандаи мустақими матритсавӣ мувофиқ аст; аммо системаи таҷрибавӣ тасдиқшуда танҳо як модули Bi-Sw мебошад. Табдилдиҳандаи пурраи бисёркалидии матритсавӣ, коммутатсияи шабака ё сенарияи кори регенеративии нақлиёти барқӣ дар ин мақола физикӣ санҷида нашудаанд.

Номувофиқатиҳои муҳими дохили манбаъ

• Тартиби пайвасти ду MOSFET дар манбаъ ҳам “antiparallel” ва ҳам “anti-series” номида мешавад.
• Байни шарҳи фаъол будани танҳо як MOSFET дар ҳар нимдавр ва шарҳи санҷиши пешакӣ, ки ҳамон PWM ба ҳар ду вуруди драйвер ҳамзамон татбиқ шудааст, мутобиқсозии муфассали ҳолатҳои коммутатсионӣ дода нашудааст.
• Ифодаи скан кардани диапазони 1–100 kHz бо қадамҳои 20 kHz аз ҷиҳати нуқтаҳои охирӣ математикӣ пурра муайян нест.
• Дар ҳисоби резистори snubber ифодаи рамзии \(R_s\) ва амалиёти рақамие, ки ба натиҷаи 1250 Ω меорад, ба як шакл навишта нашудаанд.
• Параграфи шарҳи Шакли 13 ва зернавису меҳварҳои намоёни шакл маънои графикҳои талафоти (a)/(b)-ро бо тартиби баръакс медиҳанд.

Ҳудуди графики рақамӣ: Гарчанде нуқтаҳои каҷҳои талафот дар Шакли 13 намоёнанд, таҳқиқот ҳамаи қиматҳои онҳоро дар ҷадвал намедиҳад. Мувофиқи қоидаи тавлиди графики илмии Verianla, ин нуқтаҳо бо чашм рақамӣ карда нашудаанд ва графики нави Live-и талафот сохта нашудааст.