Ushbu tadqiqot bevosita matritsali oʻzgartirgichlarda foydalanish uchun moʻljallangan ixcham ikki yoʻnalishli quvvat elektronikasi kalitining loyihalanishi, PCB amalga oshirilishi va laboratoriya sharoitida tasdiqlanishini oʻrganadi. Taklif etilgan modul ikkita IMBG120R053M2H SiC-MOSFET quvvat elementini va ikkita mustaqil galvanik izolyatsiyalangan chiqishni taʼminlovchi UCC21521 gate drayverini birlashtiradi. Maqsad tokni ikki yoʻnalishda oʻtkazish va kuchlanishni ikki qutblilikda boshqarish mumkin boʻlgan, yuqori kommutatsiya chastotalariga mos, ixcham kalit blokini ishlab chiqishdir.

Quvvat bosqichida qoʻllanilgan IMBG120R053M2H SiC-MOSFET uchun manbada 1200 V drain-source kuchlanishga chidamlilik, 25 °C da 52,6 mΩ ochiq holat qarshiligi, 15–18 V tavsiya etilgan gate ochish kuchlanishi, 4,2 V gate chegara kuchlanishi, 2 µs qisqa tutashuvga chidamlilik vaqti va ortiqcha yuk sharoitida 200 °C maksimal tutashuv harorati keltirilgan. Bu qiymatlar foydalanilgan yarimoʻtkazgichning maʼlumotlar varagʻi xususiyatlaridir; tadqiqotdagi tajribalar 1200 V darajasida oʻtkazilmagan.

Drayver bosqichida qoʻllanilgan UCC21521 ning boshqaruv tomoni taʼminoti 3–5,5 V, quvvat tomoni chiqish taʼminoti 13–20 V, izolyatsiyaga chidamliligi 5,7 kVrms va chiqish toki sigʻimi 4–6 A sifatida berilgan. Manba shuningdek drayverning 100 V/ns dan yuqori umumiy-rejim oʻtkinchi hodisalariga chidamlilikka va 2 MHz dan yuqori maksimal kommutatsiya chastotasi imkoniyatiga ega ekanini bildiradi. Tadqiqotning haqiqiy kalit tajribalari esa 1–100 kHz deb belgilangan ancha past chastota oraligʻida bajarilgan.

PCB KiCad 9.0.0 yordamida loyihalangan va bir qatlamli arxitektura tanlangan. Tadqiqotchilar SMD komponentlardan foydalanish, muhim kommutatsiya yoʻllarini qisqa tutish, past quvvat va yuqori quvvat sohalarini jismonan ajratish, mustaqil yer zonalari hamda keng mis yuzalaridan foydalanishni ixchamlik, parazit induktivlikni kamaytirish va issiqlikni tarqatish nuqtayi nazaridan asosiy dizayn xususiyatlari sifatida tushuntiradi.

Laboratoriya tasdiqlashida avval UCC21521 drayverining 1 kHz dagi gate chiqishlari tekshirilgan, soʻng RCD snubber zanjirining kommutatsiya oʻtishlaridagi kuchlanish oshib ketishi va tebranishlarni kamaytirish taʼsiri taqqoslangan. Ikki yoʻnalishli kalit keyinchalik AC sharoitida 50, 100 va 150 V; DC sharoitida esa 50 va 100 V darajalarida baholangan. DC tajribalarining bir qismida 300 Ω rezistorli yuk, boshqa qismida esa manba tomonidan induktiv-rezistiv xatti-harakat koʻrsatishi aytilgan elektr isitgich ishlatilgan.

Tajriba toʻlqin shakllari oʻrganilgan kuchlanish va chastota sharoitlarida kalitning takrorlanuvchan tarzda yoqilib-oʻchirilishini va snubber ishlatilganda kommutatsiya oʻtishlaridagi yuqori chastotali tebranishlarning kamayishini koʻrsatadi. Biroq tadqiqot laboratoriyada toʻliq uch fazali bevosita matritsali oʻzgartirgich tizimini qurib sinamagan. Bevosita tasdiqlangan uskuna bunday oʻzgartirgichda foydalanish uchun ishlab chiqilgan ikki yoʻnalishli SiC-MOSFET kalit modulidir.

Turkiya nuqtayi nazaridan: Tadqiqot Turkiyadagi muayyan elektromobil, sanoat motor drayveri yoki tarmoqqa ulangan quvvat oʻzgartirgichida bajarilmagan. Shunga qaramay, SiC asosidagi yuqori tezlikli kommutatsiya, galvanik izolyatsiyalangan gate drayveri, PCB parazitlarini kamaytirish va RCD snubber oʻlchamlarini belgilash nuqtayi nazaridan quvvat elektronikasi laboratoriyalarida qoʻllash mumkin boʻlgan aniq prototiplash yondashuvini taklif qiladi. Turkiyada haqiqiy yuqori quvvatli matritsali oʻzgartirgich amaliyotiga oʻtish uchun termik sikllanish, EMI/EMC, izolyatsiya koordinatsiyasi, yuqori kuchlanish sinovlari, qisqa tutashuv himoyasi va toʻliq oʻzgartirgich kommutatsiyasi alohida tasdiqlanishi kerak.

Ikki yoʻnalishli kalit nega kerak?

Bevosita matritsali oʻzgartirgichlar AC kirish bilan AC chiqish oʻrtasida klassik DC shina energiya saqlash bosqichisiz bevosita energiya oʻzgartirishni amalga oshira oladigan quvvat elektronikasi tuzilmalaridir. Bunday topologiyalarda ishlatiladigan kalitlarning tokni faqat bir yoʻnalishda oʻtkazishi yetarli emas; yuk va tarmoq sharoitlariga qarab tok yoʻnalishi oʻzgarishi va turli kuchlanish qutbliliklari boshqarilishi kerak.

Shuning uchun manba ikki yoʻnalishli kalitni tokni ikki yoʻnalishda boshqara oladigan va musbat-manfiy kuchlanish sharoitlarida ishlatiladigan quvvat elektronikasi elementi sifatida koʻrib chiqadi.

Tadqiqotning maqsadi yangi SiC-MOSFET yarimoʻtkazgichini ishlab chiqarish emas. Ishning hissasi tijoriy SiC-MOSFET va galvanik izolyatsiyalangan gate drayverini ixcham PCB moduli ichida birlashtirib, bevosita matritsali oʻzgartirgichlar uchun ishlatiladigan ikki yoʻnalishli kalit yacheykasini yaratishdir.

Nega SiC-MOSFET tanlangan?

Manba SiC-MOSFET texnologiyasini anʼanaviy kremniy MOSFET va IGBT yechimlariga nisbatan yuqori kommutatsiya chastotasi, past kommutatsiya yoʻqotishi va yuqori haroratga chidamlilik kabi xususiyatlari sababli tanlagan.

Quvvat bosqichida ishlatilgan element Infineon IMBG120R053M2H CoolSiC™ 1200 V MOSFET dir.

Bu yerdagi 1200 V kuchlanish yoki 200 °C harorat qiymatlari tajriba sinovi sharoitlari emas. Ular tadqiqotda tanlangan SiC-MOSFET ning texnik xususiyatlari sifatida berilgan. Ishning fizik AC tasdiqlashi eng koʻpi bilan 150 V kirishda, DC tasdiqlashi esa 100 V kirishda oʻtkazilgan.

Ikki yoʻnalishli quvvat bosqichi qanday qurilgan?

Manbada ikkita SiC-MOSFET bir-biriga teskari yoʻnalishda ulangan quvvat bosqichi ishlatilgan. Bu tartib bir MOSFET ning body diodi orqali yuzaga kelishi mumkin boʻlgan nazoratsiz teskari yoʻnalish tok yoʻlini cheklaydi va kalitning ikki yoʻnalishli xatti-harakatini faol gate boshqaruvi bilan belgilash imkonini beradi.

Biroq manba terminologiyasida nomuvofiqlik mavjud. 2-boʻlimda ikki quvvat tranzistori “antiparallel configuration” tarzida ulangan deb yozilgan boʻlsa, 3.2-boʻlimda ayni quvvat bosqichi “anti-series configuration” sifatida taʼriflangan. 1-rasm va 3b-rasm bir xil ikki elementli ikki yoʻnalishli tuzilmani koʻrsatadi; Verianla manba nomidan bu ikki turli atamani jimlik bilan bitta ifodaga almashtirmagan.

Nega gate drayver alohida qatlam?

Mikrokontroller, DSP yoki FPGA tomonidan ishlab chiqarilgan PWM signali SiC-MOSFET gate ini bevosita xavfsiz boshqara olmaydi. Quvvat bosqichida tez kuchlanish oʻzgarishlari va yuqori umumiy-rejim oʻtkinchi hodisalari yuz berishi mumkinligi sababli boshqaruv elektronikasi quvvat zanjiridan elektr jihatdan ajratilishi kerak.

Tadqiqotda bu vazifa Texas Instruments UCC21521 ikki kanalli izolyatsiyalangan gate drayveriga yuklangan.

Manba UCC21521 uchun umumiy-rejim oʻtkinchi hodisalariga chidamlilik 100 V/ns dan yuqori ekanini ham bildiradi. Bu qiymat drayverning texnik imkoniyatidir; tadqiqotda 100 V/ns CMTI chegarasigacha alohida tajribaviy EMI sinovi oʻtkazilmagan.

Gate chiqishidagi yordamchi elementlar nima qiladi?

3a-rasmdagi drayver zanjiri faqat UCC21521 dan iborat emas. Gate chiqishlarida rezistorlar, diodlar va bypass/decoupling kondensatorlari mavjud. Tadqiqotchilar bu elementlar gate kuchlanishini shakllantirish, ortiqcha kuchlanishlarni cheklash, oʻtish tebranishlarini soʻndirish va signal yaxlitligini saqlash maqsadida ishlatilishini tushuntiradi.

Boshqaruv va quvvat tomonidagi yer zonalari ham bir-biridan ajratilgan. Shu tariqa quvvat bosqichidagi tez kommutatsiya oʻtkinchi hodisalarining parazit yoʻllar orqali boshqaruv tomoniga oʻtishini kamaytirish maqsad qilingan.

Manba drayver xatti-harakatini ikki xil tarzda tasvirlaydimi?

Ha. 3.2-boʻlimda tadqiqotchilar ikki MOSFET drayver chiqishlari bilan mustaqil boshqarilishini va har bir yarim davrda faqat bitta qurilma faol boʻlishi shoot-through xavfini oldini olishini taʼkidlaydi.

Bunga qarshi ravishda 5.1-boʻlimda dastlabki gate drayver tasdiqlashi uchun:

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

degan sinov tartibi bayon qilingan. Yaʼni dastlabki tasdiqlashda bir xil PWM signali ikki drayver kirishiga bir vaqtning oʻzida berilgan.

Bu ikki tushuntirish turli tajriba/ish rejimlariga tegishlimi yoki yoʻqmi, manbada batafsil kommutatsiya holatlari jadvali bilan izohlanmagan. Shu sababli Verianla ularni majburan bir-biriga moslashtirmaydi.

PCB qanday kichraytirilgan?

PCB KiCad Version 9.0.0 yordamida loyihalangan. Tadqiqotning 4-rasmi uch bosqichni birga koʻrsatadi: yuqori qatlam PCB joylashuvi, uch oʻlchamli PCB koʻrinishi va jismonan ishlab chiqarilgan elektron plata.

Tadqiqotchilar ishlab chiqarish qulayligi va xarajat maqsadida bir qatlamli arxitektura ishlatganini bildiradi. Muhim yuqori tezlikli kommutatsiya yoʻllari qisqa saqlangan, past va yuqori quvvat sohalari ajratilgan, mustaqil yer maydonlari ishlatilgan va quvvat MOSFET lari joylashgan hududlarda keng mis maydonlari qoldirilgan.

Komponentlarning katta qismi SMD turidadir. Bu yondashuv modul hajmini kichraytiradi, biroq tadqiqotda PCB ning aniq fizik oʻlchamlari yoki quvvat zichligi W/cm³ birlikda sonli ravishda berilmagan. Shuning uchun dizayn manba tomonidan “ixcham” deb atalgan boʻlsa-da, Verianla yangi quvvat zichligi qiymatini ishlab chiqarmaydi.

Kommutatsiya yoʻqotishi qanday hisoblanadi?

Manba kommutatsiya vaqtida yuzaga keladigan yoqish va oʻchirish energiya yoʻqotishlarini soddalashtirilgan uchburchak oʻtish yondashuvi bilan taʼriflaydi:

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

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

Bu yerda \(t_{ON}\) va \(t_{OFF}\) yoqish-oʻchirish oʻtish vaqtlarini, \(V_{DS}\) MOSFET dagi drain-source kuchlanishini va \(i_L\) kommutatsiya qilinayotgan maksimal yuk tokini ifodalaydi.

Kommutatsiya chastotasi hisobga olinganda:

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

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

ifodalari ishlatiladi.

Tadqiqot nazariy tahlil kirishida kommutatsiya va oʻtkazish yoʻqotishlari haqida soʻz yuritadi; biroq chop etilgan tenglamalar guruhida batafsil berilgan formulalar kommutatsiya energiyasi va quvvat yoʻqotishlaridir. Alohida oʻtkazish yoʻqotishi tenglamasi yoki umumiy samaradorlik foizi keltirilmagan.

Nega RCD snubber qoʻshilgan?

SiC-MOSFET ning tez tok oʻzgarishi zanjirdagi kichik parazit induktivliklar bilan birga turn-off paytida drain-source kuchlanishining oshib ketishi va yuqori chastotali tebranishlarga olib kelishi mumkin. Shu sababli tadqiqotchilar har bir MOSFET uchun RCD turidagi snubber tarmogʻini qoʻshgan.

Parazit induktivlikda saqlangan energiya:

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

sifatida hisoblanadi.

Bu energiya snubber kondensatoriga oʻtadi deb qabul qilinib:

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

munosabati olinadi.

Snubber hisobida qaysi qiymatlar ishlatilgan?

Clamp kuchlanishi manbada:

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

sifatida hisoblangan.

Snubber rezistor hisobidagi yozuv muammosi nima?

Manba avval:

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

qoidasini beradi.

40 kHz uchun \(T=25\,\mu s\) boʻlgani sababli \(T/2=12,5\,\mu s\) dir. \(C_s=10\,nF\) uchun:

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

sonli natija olinadi.

Bunga qarshi ravishda manba matnidagi oraliq ramziy ifoda \(R_s\leq\tau/(2C_s)\) tarzida yozilgan. Agar \(\tau\) allaqachon \(T/2\) maʼnosida ishlatilgan boʻlsa, bu yozuv bilan sonli hisob bir xil emas. Manba bergan 1250 Ω natijasi saqlangan; ramziy yozuv jimlik bilan oʻzgartirilmagan.

Snubber 30 V va 40 kHz uchun oʻlchamlangan boʻlsa, nega tajribalar kengroq?

Snubber hisobining namunaviy ish nuqtasi 30 V shina, 40 kHz va 10 A dir. Biroq keyingi tajribalar AC da 150 V gacha, kommutatsiya chastotasida esa manba ifodasiga koʻra 100 kHz gacha chiqadi.

Manba ushbu turli tajriba sharoitlarining har biri uchun alohida \(C_s\) va \(R_s\) qayta oʻlchamlashini bermaydi. Shuning uchun 30 V/40 kHz hisobi butun ish oraligʻi uchun mustaqil optimal snubber dizayni sifatida talqin qilinmasligi kerak.

Laboratoriya qurilmasida nimalar bor?

6-rasm tajriba zanjiri sxemasini, 7-rasm esa fizik sinov stendini koʻrsatadi. Qurilma quyidagi asosiy komponentlarni oʻz ichiga oladi:

• AC/DC quvvat manbai,
• ishlab chiqilgan Bi-Sw PCB moduli,
• PWM/signal generatori,
• yuk,
• differensial prob,
• raqamli osiloskop.

Ushbu qurilma yordamida gate signallari, kalit kuchlanishlari va yuk toklarini real vaqt rejimida kuzatish mumkin boʻlgan.

Gate drayver avval qanday tasdiqlandi?

Toʻliq quvvat tajribalariga oʻtishdan oldin UCC21521 drayveri 1 kHz PWM bilan sinovdan oʻtkazilgan. 8-rasmda gate-source kuchlanishi, diod kuchlanishi, kalit kuchlanishi va quvvat zanjiri tokining osiloskop izlari birgalikda koʻrsatilgan.

Tadqiqotchilar ushbu sinovni boshqaruv signali SiC-MOSFET talab qiladigan gate haydash darajasiga toʻgʻri aylantirilganining dastlabki tasdigʻi sifatida qoʻllagan.

Snubber haqiqatan farq hosil qilganmi?

9-rasm bir xil kommutatsiya sharoitini snubbersiz va snubber bilan taqqoslaydi. Snubber boʻlmaganda turn-off oʻtishida ancha sezilarli kuchlanish oshib ketishi va yuqori chastotali tebranishlar kuzatiladi.

Snubber qoʻshilganda manba tebranishning ham amplitudasi, ham davomiyligi kamaygani va toʻlqin shakli tozaroq boʻlgani haqida xabar beradi.

Biroq manba 9-rasmdagi yaxshilanishni bitta sonli “overshoot foiz kamayishi” koʻrinishida jadvalda bermaydi. Shu sababli Verianla tasvirdan koʻz bilan taxminiy foiz yaratmaydi.

AC tajribalari qaysi sharoitlarda oʻtkazilgan?

Ikki yoʻnalishli kalit AC kirish ostida uchta kuchlanish darajasida sinovdan oʻtkazilgan:

• 50 V,
• 100 V,
• 150 V.

Manba kommutatsiya chastotasini 1 kHz dan 100 kHz gacha, 20 kHz qadamlar bilan oʻzgartirganini bildiradi.

10-rasm namuna sifatida 50 V va 150 V tajribalarini koʻrsatadi. Tadqiqotchilar oʻrganilgan oraligʻda toza kommutatsiya, trigger xatosi yoʻqligi va chiqish signalida sezilarli buzilish kuzatilmagani haqida xulosa qiladi.

1–100 kHz, 20 kHz qadam ifodasida nega muammo bor?

Manbaning uchala tajriba boʻlimida ham “1 kHz dan 100 kHz gacha, 20 kHz qadamlar bilan” ifodasi ishlatiladi. Biroq 1 kHz dan boshlab aniq 20 kHz qadamlar bilan ketadigan qator:

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

koʻrinishida boʻladi va aniq 100 kHz qiymatiga yetmaydi.

Manba haqiqiy sinov nuqtalarining toʻliq roʻyxatini alohida jadvalda bermagani uchun Verianla ishlatilgan oraliq chastotalarni taxminan 20, 40, 60, 80 va 100 kHz tarzida qayta yozmagan. Faqat manbada ochiq koʻrsatilgan umumiy oraliq saqlangan.

DC rezistorli yukda nima sinovdan oʻtkazildi?

DC sinovining birinchi qismida 300 Ω rezistorli yuk ishlatilgan. Kirish kuchlanishlari:

• 50 V,
• 100 V

sifatida belgilangan.

Manba yana kommutatsiya chastotasini 1–100 kHz oraligʻida taʼriflaydi. 11-rasmda ikki kuchlanish darajasiga oid osiloskop toʻlqin shakllari koʻrsatilgan.

Tadqiqotchilar kommutatsiyaning takrorlanuvchanligini, kuchlanish toʻlqin shaklida sezilarli ortiqcha kuchlanish yuz bermaganini va rezistorli yukdagi tok kutilgan xatti-harakatni koʻrsatganini bildiradi.

RL yuk tajribasida nima ishlatilgan?

Ikkinchi DC yuk tajribasida manba elektr isitgichni induktiv-rezistiv, yaʼni RL xatti-harakatini koʻrsatadigan yuk sifatida taʼriflaydi.

50 V va 100 V kirish darajalari ishlatilgan. 12-rasmda RL yuk ostida tokning sof rezistorli holatga qaraganda asta-sekinroq va uzluksizroq shaklga ega ekani xabar qilingan.

Turn-off paytida snubber tokida ancha sezilarli choʻqqilar koʻrinsa-da, tadqiqotchilar kommutatsiya barqaror qolganini va muhim ortiqcha kuchlanish yuz bermaganini bildiradi.

Tajriba sinovlarining qamrovi qanday?

Yoʻqotish tahlili nimani koʻrsatadi?

13-rasm kommutatsiya chastotasi oshgani sari yoʻqotish kattaliklari ham oshishini koʻrsatadi. Manba bu natijani soniyada yuz beradigan kommutatsiya hodisalari sonining koʻpayishi bilan bogʻlaydi.

Biroq 13-rasmning xom sonli qiymatlari jadval koʻrinishida berilmagan. Shu sababli Verianla grafikdagi markerlarni koʻz bilan oʻqib yangi sonli yoʻqotish jadvalini yaratmagan.

13-rasmdagi manba ichki yorliq nomuvofiqligi nima?

Tajriba yoʻqotish tahlilini tushuntiruvchi paragraf 13a-rasmni “switching loss as a function of operating frequency”, 13b-rasmni esa “accumulated energy dissipated per second” deb taʼriflaydi.

Bunga qarshi ravishda rasm osti yozuvi:

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

tarzidadir.

Koʻrinadigan oʻqlar ham chapdagi grafikni energiya, oʻngdagi grafikni esa kommutatsiya quvvat yoʻqotishi sifatida nomlaydi. Verianla manba matnidagi ushbu (a)/(b) teskariligini jimlik bilan bitta toʻgʻri tushuntirish sifatida taqdim etmagan.

1200 V MOSFET ishlatilishi 1200 V da sinov oʻtkazilganini anglatadimi?

Yoʻq. 1200 V, foydalanilgan SiC-MOSFET ning manbada berilgan nominal drain-source chidamlilik sinfidir.

Ushbu maqoladagi fizik sinovlarda eng yuqori bildirilgan AC kirish kuchlanishi:

150 V

va DC kirish kuchlanishi:

100 V

darajasidadir.

Shuning uchun tadqiqot tayyorlangan PCB ning 1200 V dagi izolyatsiya, creepage/clearance, termik va kommutatsiya xatti-harakatini toʻgʻridan-toʻgʻri tajribaviy tasdiqlamaydi.

2 MHz drayver sigʻimi kalit 2 MHz da ishlatilganini anglatadimi?

Yoʻq. UCC21521 uchun >2 MHz qiymati gate drayverining manbada berilgan texnik sigʻimidir.

Ikki yoʻnalishli kalitning ushbu tadqiqotdagi tajribaviy ish oraligʻi manba tomonidan eng koʻpi bilan 100 kHz deb taʼriflangan.

Tadqiqot toʻliq matritsali oʻzgartirgichni sinaydimi?

Yoʻq. Tadqiqot bevosita matritsali oʻzgartirgich topologiyalarida foydalanish uchun ikki yoʻnalishli kalit yacheykasini loyihalaydi. Biroq laboratoriya sinov stendi bitta Bi-Sw moduli, quvvat manbai va yuk asosida qurilgan.

Uch fazali yoki koʻp kalitli toʻliq bevosita matritsali oʻzgartirgich ushbu maqolaning tajriba tasdiqlashida qurilmagan.

Tadqiqot qoʻllab-quvvatlaydigan natijalar

• UCC21521 va ikkita SiC-MOSFET yordamida fizik ikki yoʻnalishli kalit PCB si ishlab chiqilgan.
• Ishlab chiqarilgan PCB laboratoriya sinov qurilmasida ishlatilgan.
• Gate drayver chiqishlari 1 kHz dastlabki sinovda tajribaviy kuzatilgan.
• RCD snubber ishlatilishi kommutatsiya oʻtishlaridagi tebranishlarni kamaytirishi osiloskop toʻlqin shakllari bilan koʻrsatilgan.
• Ikki yoʻnalishli kalit AC da 50, 100 va 150 V sharoitlarida sinovdan oʻtkazilgan.
• DC rezistor tajribalari 50 va 100 V da 300 Ω yuk bilan bajarilgan.
• Manba tomonidan RL deb taʼriflangan yuk tajribalari 50 va 100 V da bajarilgan.
• Manba tajriba chastota oraligʻini 1–100 kHz deb bildiradi.
• Kommutatsiya chastotasi oshishi bilan yoʻqotishlar ortadigan tajriba tendensiyasi koʻrsatilgan.
• Bir qatlamli SMD PCB arxitekturasining fizik amalga oshirilishi namoyish etilgan.

Tadqiqot qoʻllab-quvvatlamaydigan yoki sinamagan natijalar

• Toʻliq uch fazali bevosita matritsali oʻzgartirgich tajribaviy qurilmagan.
• PCB 1200 V da sinovdan oʻtkazilmagan.
• Ikki yoʻnalishli kalit 2 MHz da tajribaviy ishlatilmagan.
• 200 °C tutashuv haroratida qurilma ishlashi tajribaviy oʻlchanmagan.
• 2 µs qisqa tutashuvga chidamlilik ushbu tadqiqotda fizik qisqa tutashuv sinovi bilan tasdiqlanmagan.
• EMI/EMC emissiya yoki immunitet oʻlchovi hisobot qilinmagan.
• Umumiy oʻzgartirish samaradorligi uchun bitta foiz qiymati berilmagan.
• Uzoq muddatli quvvat sikli yoki termik sikl umr sinovi oʻtkazilmagan.
• PCB quvvat zichligi W/cm³ birlikda hisobot qilinmagan.
• Tarmoqqa ulangan haqiqiy matritsali oʻzgartirgich kommutatsiya ishlashi sinovdan oʻtkazilmagan.
• Elektromobilda regenerativ tormozlash ushbu prototip bilan toʻgʻridan-toʻgʻri tajribaviy koʻrsatilmagan.

Tadqiqot usuli va natijalari

Uskuna arxitekturasi

Gate drayver dizayn chegaralari

UCC21521 boshqaruv tomoni bilan quvvat tomoni oʻrtasida galvanik izolyatsiyani taʼminlash uchun ishlatilgan. Manba tez SiC kommutatsiyasida yuqori dv/dt va umumiy-rejim oʻtkinchi hodisalarning boshqaruv elektronikasiga oʻtishini kamaytirishni asosiy talablaridan biri sifatida taʼriflaydi.

Drayver chiqish taʼminotining 13–20 V oraligʻi tanlangan SiC-MOSFET ning 15–18 V tavsiya etilgan gate ochish kuchlanishiga mos keladi.

Quvvat bosqichi

Ikki IMBG120R053M2H MOSFET ikki yoʻnalishli kalit tuzilmasida birlashtirilgan. Har bir MOSFET ning gate i drayverning alohida izolyatsiyalangan chiqishiga ulangan.

PCB da yuqori tok yoʻllarini qisqa saqlash va quvvat terminallari orasidagi parazit induktivlikni kamaytirish maqsad qilingan.

Snubber nazariy hisobi

Manbada ishlatilgan asosiy qiymatlar bilan:

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

hisoblangan.

10 nF snubber kondensatori va 30 V shina uchun:

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

natijasiga erishilgan.

40 kHz kommutatsiyada \(T=25\,\mu s\) boʻlgani uchun kondensator keyingi sikldan oldin katta darajada boʻshashi maqsadida manba:

\[ R_s\leq1250\;\Omega \]

natijasini beradi.

Gate drayver dastlabki tasdiqlashi

UCC21521 sinovida bir xil PWM signali ikki drayver kirishiga berilgan va chastota 1 kHz deb belgilangan. Osiloskopda \(V_{GS}\), diod kuchlanishi, kalit kuchlanishi va quvvat zanjiri toki kuzatilgan.

Manba ushbu sinov gate signalining kerakli darajaga koʻtarilgani va quvvat kalitining yoqish-oʻchirish xatti-harakati yuz berganini tasdiqlaganini bildiradi.

Snubber taqqoslash

Bir xil kommutatsiya sharoitida ikkita tajriba yozuvi taqqoslangan:

• snubber zanjirisiz,
• RCD snubber zanjiri bilan.

Manba snubbersiz falling-edge sohasida sezilarli overshoot va tebranish boʻlganini, snubber ishlatilganda esa bu xatti-harakat kamayganini bildiradi.

AC sinov protokoli

• Kirish kuchlanishlari: 50 V, 100 V, 150 V.
• Kommutatsiya chastotasi: manba ifodasiga koʻra 1–100 kHz.
• Manba koʻrsatgan chastota qadam: 20 kHz.
• Oʻlchov: raqamli osiloskop va differensial prob.

10-rasmda 50 V va 150 V namunalari koʻrsatilgan. Manba sinovdan oʻtkazilgan oraligʻda barqaror va belgilangan chiqish toʻlqin shakllari olinganini bildiradi.

DC rezistor sinovi

• Yuk: 300 Ω.
• Kuchlanish: 50 va 100 V.
• Chastota: manba ifodasiga koʻra 1–100 kHz.

Manba oʻlchangan tok rezistorli yuk sharoitiga mos boʻlganini va snubber turn-off oʻtishidagi vaqtinchalik tok choʻqqisini cheklaganini bildiradi.

DC RL yuk sinovi

• Yuk: manba tomonidan induktiv-rezistiv xatti-harakatli elektr isitgich sifatida taʼriflangan.
• Kuchlanish: 50 va 100 V.
• Chastota: manba ifodasiga koʻra 1–100 kHz.

RL sharoitida tok rezistorli yukka nisbatan sekinroq oʻzgargani va turn-off paytida snubber tok choʻqqisi ancha sezilarli ekani hisobot qilingan.

Tajriba yoʻqotish tahlili

Tadqiqotchilar kalitdagi kuchlanish va tok toʻlqin shakllaridan turn-on va turn-off oʻtish energiyalarini hisoblab, chastotaga bogʻliq kommutatsiya yoʻqotishini baholagan.

13-rasm chastota oshgani sari yoʻqotish energiyasi va kommutatsiya quvvat yoʻqotishi ortishini koʻrsatadi. Biroq tadqiqot bu egri chiziqlarning barcha xom nuqtalarini sonli jadval tarzida bermaydi.

Shu sababli Verianla Live uchun 13-rasmdan taxminiy qiymatlar chiqarilmagan.

Manba ichidagi texnik nomuvofiqliklar xulosasi

• Ikki quvvat elementining ulanishi 2-boʻlimda “antiparallel”, 3.2-boʻlimda “anti-series” deb ataladi.
• Quvvat bosqichi tushuntirishida har yarim davrda faqat bitta MOSFET faol boʻlishi aytilgan boʻlsa, gate drayver dastlabki sinovida bitta PWM signalining ikki drayver kirishiga bir vaqtda berilgani yozilgan.
• 1 kHz dan 100 kHz gacha 20 kHz qadam ifodasi matematik jihatdan 100 kHz oxirgi nuqtaga aniq mos keladigan qator bermaydi.
• 7-tenglamada \(\tau=R_sC_s\leq T/2\) deb belgilangan boʻlsa-da, keyingi rezistor satridagi ramziy yozuv 1250 Ω sonli hisobini aynan ifodalamaydi.
• 13-rasmni tushuntirgan paragraf bilan rasm osti yozuvi/koʻrinadigan oʻqlar (a) va (b) yoʻqotish grafiklarini teskari nomlaydi.
• Nazariy boʻlim kommutatsiya va oʻtkazish yoʻqotishlari haqida gapirsa-da, batafsil formulalar va tajriba natijasi grafigi asosan kommutatsiya yoʻqotishiga qaratilgan.

Asosiy uslubiy chegaralar

• Toʻliq bevosita matritsali oʻzgartirgich qurilmagan.
• MOSFET ning 1200 V nominal sinfida fizik sinov oʻtkazilmagan.
• Gate drayverning >2 MHz sigʻimi tizim darajasida sinovdan oʻtkazilmagan.
• Termik kamera yoki tutashuv harorati oʻlchovi hisobot qilinmagan.
• EMI spektr oʻlchovi yoki EMC standarti sinovi oʻtkazilmagan.
• Uzoq muddatli ishonchlilik va quvvat sikli sinovi mavjud emas.
• Qisqa tutashuvga chidamlilik sinovi oʻtkazilmagan.
• Umumiy tizim energiya samaradorligi foizda hisobot qilinmagan.

Manba va usul haqida izoh

Tadqiqotning toʻliq asl nomi: A SiC-MOSFET Bidirectional Switch Solution for Direct Matrix Converter Topologies

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

Mualliflar tartibi: Manbadagi tartib aynan saqlangan.

Teng birinchi / teng hissa: Manbada teng birinchi yoki teng hissa bayonoti koʻrsatilmagan.

Masʼul muallif: Marco Rivera.

Muassasalar:

• 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.

Manba turi: Taqrizdan oʻtgan tajribaviy tadqiqot maqolasi; quvvat elektronikasi uskunasi, SiC-MOSFET ikki yoʻnalishli kalit dizayni va laboratoriya tasdiqlashi.

Jurnal: Actuators.

Nashriyot: MDPI.

Bibliografik maʼlumot: Actuators 2026, 15(1), 40.

Maqola raqami: 40.

DOI: 10.3390/act15010040.

Rasmiy nashr havolasi:https://doi.org/10.3390/act15010040

Yuborilgan sana: 4 Noyabr 2025.

Qayta koʻrib chiqilgan sana: 30 Dekabr 2025.

Qabul qilingan sana: 3 Yanvar 2026.

Nashr sanasi: 6 Yanvar 2026.

Litsenziya: Creative Commons Attribution (CC BY).

Moliyalashtirish: Manba tadqiqotning moliyalashtirish bayonotida ish Paraguay Consejo Nacional de Ciencias y Tecnología (CONACYT) tomonidan PINV01-743 loyihasi doirasida qoʻllab-quvvatlangani koʻrsatilgan.

Qoʻshimcha yordam va minnatdorchiliklar: Mualliflar shuningdek Universidad Nacional de Asunción doktorantura dasturi, CONACYT POSG01-14 va ESTR01-3 loyihalari, ANID FONDECYT Regular 1220556, SERC Chile FONDAP 1523A0006, UK-FRANCE Science Innovation and Technology Researcher Mobility Scheme UUK Award #1102 va PRAPG yordamini minnatdorchilik boʻlimida qayd etgan.

Maʼlumotlarga kirish: Tadqiqotning asl hissalari maqola ichida mavjudligi va qoʻshimcha savollar masʼul muallifga yoʻnaltirilishi mumkinligi koʻrsatilgan.

Manfaatlar toʻqnashuvi: Mualliflar manfaatlar toʻqnashuvi yoʻqligini bildirgan.

Muallif hissalari: Konseptuallashtirish H.L. va J.P.; metodologiya R.R.; formal tahlil H.L., E.M., J.P. va S.T.; resurslar S.N. va B.S.; yozish D.C., F.P.-P. va B.S.; koʻrib chiqish va tahrirlash R.G.; loyiha boshqaruvi M.R. sifatida bildirilgan.

Ilmiy mazmun chegarasi: Ushbu Verianla maqolasidagi zanjir topologiyasi, qurilma xususiyatlari, gate drayveri, PCB dizayni, snubber tenglamalari, tajriba kuchlanishlari, yuk sharoitlari, kommutatsiya chastotalari va tajriba talqinlari koʻrib chiqilgan asosiy tadqiqotga asoslangan. Bibliografik identifikatsiya tasdigʻidan tashqari tashqi manbalardan yangi tajriba natijasi qoʻshilmagan.

Amaliyot chegarasi: Tadqiqot ishlab chiqilgan ikki yoʻnalishli kalit bevosita matritsali oʻzgartirgich topologiyalari uchun mos ekanini taʼkidlaydi; biroq tajribaviy tasdiqlangan tizim bitta Bi-Sw modulidir. Toʻliq koʻp kalitli matritsali oʻzgartirgich, tarmoq kommutatsiyasi yoki elektromobilning regenerativ ishlash ssenariysi ushbu maqolada fizik sinovdan oʻtkazilmagan.

Manbadagi muhim nomuvofiqliklar

• Ikki MOSFET ulanish tartibi manba ichida ham “antiparallel”, ham “anti-series” deb ataladi.
• Har bir yarim davrda faqat bitta MOSFET faol boʻlishi haqidagi tushuntirish bilan ikki drayver kirishiga bir xil PWM bir vaqtda berilgani haqidagi dastlabki sinov tushuntirishi orasida batafsil kommutatsiya holati mosligi berilmagan.
• 1–100 kHz oraligʻi 20 kHz qadamlar bilan skanerlangani haqidagi ifoda oxirgi nuqtalar nuqtayi nazaridan matematik jihatdan toʻliq aniqlanmagan.
• Snubber rezistor hisobida ramziy \(R_s\) ifodasi bilan 1250 Ω natijasiga olib boradigan sonli hisob bir xil koʻrinishda yozilmagan.
• 13-rasmning tushuntirish paragrafi bilan rasm osti yozuvi va koʻrinadigan oʻqlar (a)/(b) yoʻqotish grafiklarining maʼnosini teskari tartibda beradi.

Sonli grafik chegarasi: 13-rasmdagi yoʻqotish egri chiziqlarining markerlari koʻrinib turgan boʻlsa-da, tadqiqot ularning barcha qiymatlarini jadvalda bermaydi. Verianla ilmiy grafik ishlab chiqish qoidasi sababli bu nuqtalar koʻz bilan raqamlashtirilmagan va yangi Live yoʻqotish grafigi yaratilmagan.