Аннотация
Динамические потери и коэффициент полезного действия импульсного полупроводникового преобразователя зависят от схемы используемого преобразователя. Цель исследования заключается в том, чтобы показать, что при использовании схемы частотно-импульсного преобразователя можно уменьшить динамические потери и увеличить коэффициент полезного действия преобразователя относительно схемы широтно-импульсного преобразователя. Для анализа и сравнения полупроводниковых схем широтно-импульсного и частотно-импульсного преобразователей в статье применены методы имитационного моделирования. Описан принцип работы и основные отличия широтно-импульсного и частотно-импульсного преобразователей. Разработаны и смоделированы схемы широтно-импульсного и частотно-импульсного преобразователей в среде Matlab с использованием блоков из библиотеки Simulink / SimPowerSystem / Simscape. Смоделирован блок модели, рассчитывающий статические и динамические потери мощности IGBT-транзистора. Для расчета потерь мощности, а именно статических и динамических потерь, использован метод аппроксимации графиков потерь. Полученные математические зависимости достаточно точно описывают графики потерь мощностей IGBT-транзистора. В качестве IGBT-транзистора выбран силовой транзистор фирмы MITSUBISHI типа CM800HC-66H. Показано, что при использовании схемы частотно-импульсного преобразователя можно уменьшить динамические потери и увеличить коэффициент полезного действия преобразователя относительно схемы широтно-импульсного преобразователя. Проведя анализ полученных характеристик импульсных полупроводниковых преобразователей, было отмечено, что при изменении значений скважности от 0,1 до 0,5 коэффициент полезного действия частотно-импульсного преобразователя значительно превысил коэффициент полезного действия широтно-импульсного преобразователя. Это превышение сильнее проявилось при большей частоте коммутации импульсного полупроводникового преобразователя и большей мощности силовых ключей преобразователей.
Ключевые слова
Импульсный полупроводниковый преобразователь, широтно-импульсная модуляция, частотно-импульсная модуляция, аппроксимация, динамические потери, коэффициент полезного действия, частота.
1. Кругликов О.В., Макаров Л.Н., Пискунов С.В. Разработка, производство и применение энергоэффективных электрических машин и приводов // Электротехника. 2015. № 3. С. 4-8.
2. Дунаев М.П., Довудов С.У. Моделирование схемы широтно-импульсного преобразователя // Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири: труды Всероссийской научно-практической конференции. Иркутск: ИРНИТУ, 2019. С. 3-6.
3. Герман-Галкин С.Г. Широтно-импульсные преобразователи. Л.: Энергия, 1979. 96 с.
4. Ivakhno V., Zamaruiev V.V., Ilina O. Estimation of semiconductor switching losses under hard switching using Matlab/Simulink subsystem // Electrical, Control and Communication Engineering. 2013. Vol. 2. Iss. 1. Рp. 20-26. doi: 10.2478/ecce-2013-0003.
5. Modeling of conduction and switching losses for IGBT and FWD based on SVPWM in automobile electric drives / Y. Zhu, M. Xiao, X. Su, G. Yang, K. Lu, Z. Wu // Applied Sciences. 2020. No. 10(13). 4539. doi: 10.3390/app10134539.
6. Calculation of static and dynamic losses in power IGBT transistors by polynomial approximation of basic energy characteristics / Plakhtii O.A., Nerubatskyi V.P., Hordiienko D.A., Khoruzhevskyi H.A. // Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2020. No. 2. Pp. 82-88. doi: 10.33271/nvngu/2020-82.
7. The IGBT losses analysis and calculation of inverter for two-seat electric aircraft application / K. Wei, C. Zhang, X. Gong, T. Kang // Energy Procedia. 2017. Vol. 105. Pp. 2623-2628. doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.756.
8. Дунаев М.П., Довудов С.У. Моделирование однофазного двухуровневого автономного инвертора напряжения с частотно-импульсной модуляцией // Информационные и математические технологии в науке и управлении. 2020. № 2 (18). С. 134-143. doi: 10.38028/ESI.2020.18.2.011.
9. Baodong B., Dezhi C. Inverter IGBT loss analysis and calculation // International Conference on Industrial Technology (ICIT). IEEE, Cape Town, 2013. Pp. 563-569. doi: 10.1109/ICIT.2013.6505733.
10. Approximate novel loss formulae estimation for optimization of power controller of DC/DC converter / A. Shahin, A. Payman, J. Martin, S. Pierfederici, F. Meibody-Tabar // IECON 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, Glendale, AZ, 2010. Pp. 373-378. doi: 10.1109/IECON.2010.5674999.
11. Дунаев М.П. Резонансные инверторы для управления электроприводами. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. 103 с.
12. Blinov A., Vinnikov D., Jalakas T. Loss calculation methods of half-bridge square-wave inverters // Elektronika Ir Elektrotechnika. 2011. No. 7(113). Pp. 9-14. doi: 10.5755/j01.eee.113.7.604.
13. Alemi P., Lee D. Power loss comparison in two- and three-level PWM converters // 8th International Conference on Power Electronics (ECCE Asia), IEEE, 2011. Pp. 1452-1457. doi: 10.1109/ICPE.2011.5944455.
14. Довудов С.У., Дунаев М.П. Анализ энергетических показателей импульсных преобразователей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. С. 345-355. doi: 10.21285/1814-3520-2020-2-345-355.
15. Shirahama H., Muto T. A novel power loss calculation method for power converters by transforming switching-loss into impulse-waveforms // 21st International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), IEEE, 2018. Pp. 2226-2229. doi: 10.23919/ICEMS.2018.8549134.
16. Дунаев М.П., Довудов С.У. Моделирование схемы частотно-импульсного преобразователя // Информационные и математические технологии в науке и управлении. 2019. № 3(15). С. 144-152. doi: 10.25729/2413-0133-2019-3-13.
17. Жемеров Г.Г., Ивахно В.В., Ковальчук О.И. Расчет мощности потерь и температуры структуры транзисторно-диодных модулей при компьютерном моделировании преобразователей // Электротехника и электромеханика. 2011. №4. С. 21-28.
18. Bouzida A., Abdelli R., M'hamed O. Calculation of IGBT power losses and junction temperature in inverter drive // 8th International Conference on Modelling, Identification and Control (ICMIC-2016), IEEE, 2016. Pp. 768-773. doi: 10.1109/ICMIC.2016.7804216.
19. Simple methods to calculate IGBT and diode conduction and switching losses / G. Feix, S. Dieckerhoff, J. Allmeling, J. Schonberger // 13th European Conference on Power Electronics and Applications, IEEE, 2009. Pp. 1-8. https://ieeexplore.ieee.org/document/5278746.