В.А. Филин1, А.Н. Головин2, В.С. Смирнов3, В.А. Юрова4

1–4 ФГБОУ ВО СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (Санкт-Петербург, Россия)

4 ФГБОУ ВО СЗГМУ им. И.И. Мечникова Министерства здравоохранения РФ (Санкт-Петербург, Россия)

1 filin_vladimir@mail.ru, 2 ece-ffp@sut.ru, 3 cathseugut@yandex.ru, 4 v.a.yurova@sut.ru

Постановка проблемы. В настоящее время в развитых странах происходит устойчивый переход к распределенным системам генерации и передачи энергии с двунаправленным обменом ею, что обуславливает массовое строительство зарядных станций. Для решения этих задач разрабатываются и внедряются новые устройства генерации, преобразования и хранения электроэнергии. Силовые SiC-транзисторы, по сравнению с IGBT-транзисторами, позволяют в 5-10 раз увеличить частоту коммутации и, как следствие, в несколько раз улучшить массогабаритные показатели устройства. За счет уменьшения габаритных размеров встроенного фильтра увеличивается КПД преобразования, снижаются требования к системе охлаждения, но при этом сохраняются соизмеримые характеристики по удельной стоимости всего устройства в пересчете на один ватт мощности. Однако, внедрение полупроводниковых SiC-приборов имеет определенные особенности, которые необходимо учитывать при разработке новых устройств. В связи с этим актуальна задача создания универсального двунаправленного силового модуля (УДСМ) на SiC-транзисторах с возможностью параллельной работы их значительного числа.

Цель. Обосновать оптимальный вариант мощного ключевого каскада, предложить базовый алгоритм цифрового управления процессами на основе двухконтурной системы с отрицательными обратными связями (ООС), способный реализовать УДСМ с функциями DC-DC-преобразователя, DC-AC-инвертора и AC-DC-активного выпрямителя, а также проверить работоспособность исследуемого модуля в различных режимах преобразования на его компьютерной модели.

Результаты. Обосновано и выбрано схемотехническое решение для силового каскада УДСМ на SiC-транзисторах, обеспечивающего двунаправленную передачу мощности. Представлен базовый алгоритм цифрового управления процессами в УДСМ с применением принципа ООС, который позволяет полностью контролировать динамические процессы в силовой части устройства при различных режимах преобразования и резком изменении нагрузки. Проведено компьютерное моделирование электрических процессов в AC-DC- и DC-AC-режимах, подтвердившее работоспособность разработанной схемы. Выполнен сравнительный анализ двух способов реализации параллельной работы с целью наращивания общей мощности путем сложения мощностей однотипных маломощных модулей.

Практическая значимость. Построение мощной системы на основе однотипных модулей на SiC-транзисторах решает задачу повышения надежности и отказоустойчивости системы в целом, а также обеспечивает высокий уровень технологичности такого решения.

Филин В.А., Головин А.Н., Смирнов В.С., Юрова В.А. Схемотехническое решение и алгоритм цифрового управления процессами для универсального двунаправленного транзисторного модуля ключевого преобразователя напряжения // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 6. С. 100−109. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202406-13

1. Wei J., et al. Review on the Reliability Mechanisms of SiC Power MOSFETs: A Comparison Between Planar-Gate and Trench-Gate Structures // IEEE Transactions on Power Electronics. 2023. V. 38. № 7. Р. 8990-9005. DOI: 10.1109/TPEL.2023.3265864.
2. Kozak J.P., Zhang R., Yang H., Ngo K.D.T., Zhang Y. Robustness evaluation and degradation mechanisms of SiC MOSFETs overstressed by switched stimuli // Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo. 2020. Р. 1135-1140. DOI:10.1109/TPEL.2021.3122740.
3. Мооккен Д., Карташев Е., Валерия С. Преимущества замены IGBT на SiC-модули // Силовая электроника. 2016. № 5. С. 20–23.
4. Страница основных характеристик трехфазного инвертора CRD25DA12N-FMC на сайте фирмы-производителя Wolfspeed: сайт. США. 2024. URL: https://www.wolfspeed.com/crd25da12n-fmc/ (дата обращения: 05.02.2024).
5. Страница основных характеристик повышающего преобразователя с чередованием 60 кВт на сайте фирмы-производителя Wolfspeed: сайт. США. 2024. URL: https://www.wolfspeed.com/crd-60dd12n/ (дата обращения: 05.02.2024).
6. Смирнов В.С. Эквивалентные частотные характеристики транзисторных ключевых устройств с отрицательной обратной связью (математическое моделирование, методика измерения и оптимизации): Автореф. дисс. … канд. техн. наук: 05.12.04. СПб. 2007. 266 с.       
7. Дмитриков В.Ф., Шушпанов Д.В. Устойчивость и электромагнитная совместимость устройств и систем электропитания. М.: Горячая линия - Телеком. 2018. 540 с.
8. Holmes D.G., Lipo T.A. Pulse Width Modulation for Power Converters. Principles and Practice // IEEE Press. Wiley-Interscience. New York, USA. 2003. Р. 226–230.
9. Артым А.Д., Есполов К.Ж., Филин В.А. Матричные модели радиотехнических цепей / Под ред. д.т.н., проф. В.А. Филина. СПб: Элмор. 2015. 280 с.
10. Дмитриков В.Ф., Шушпанов Д.В. К вопросу использования емкостно-связанных элементов для объяснения взаимного влияния электрических проводов // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 1. С. 15-30. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202401-03.
11. Официальный сайт программы компьютерного моделирования электрических цепей FASTMEAN: сайт. Россия. 2024. URL: http://www.fastmean.ru/rus/index.php (дата обращения: 05.02.2024).
12. Filin V.A., Yurova V.A. Symbolic analysis of linear amplifiers with multi-loop feedbacks in interacting programs maple and FASTMEAN // Proceedings of the Maple Conference 2021. 2022. V. 2. № 1. Article 14418. https://doi.org/10.5206/mt.v2i1.14418.
13. De Brabandere K., Bolsens B., Van den Keybus J., Woyte A., Driesen J., Belmans R. A voltage and frequency droop control method for parallel inverters // IEEE Transactions on Power Electronics. 2007. V. 22. № 4. Р. 1107-1115. DOI:10.1109/PESC.2004.1355222.
14. Yang L., et al. Improved control for transient angle stability between synchronous generators and voltage-frequency controlled converters // 2023. International Conference on Power System Technology (PowerCon). DOI: 10.1109/PowerCon58120.2023.10331358.