Двоступеневі DC/AC перетворювачі підвищеної ефективності

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково- прикладної задачі, пов’язаної з розробкою нових та удосконаленням існуючих схемотехнічних рішень і алгоритмів керування у DC-DC ступені перетворення та використання у DC-AC ступені спеціальних несинусоїдальних форм напруги. Мета роботи – поліпшення енергетичних та якісних характеристик двоступеневих перетворювачів напруги, а саме: – зменшення потужності статичних втрат в активних елементах DC-DC перетворювача; – компенсації пульсацій вхідного струму; – зменшення маси та габаритів перетворювача; – зменшення потужності динамічних втрат в активних елементах DC-АC перетворювача за рахунок використання несинусоїдальних форм напруг; – зменшення коефіцієнта гармонік вихідної квазісинусоїдальної напруги при використанні несинусоїдальних форм при одно і трифазному виконанні DC-AC ступені перетворення. Об’єктом дослідження є процес перетворення енергії у двоступеневих DC/AC перетворювачах напруги. Предметом дослідження є схемотехнічні рішення, алгоритми роботи, несинусоїдальні форми напруг у двоступеневих DC/AC перетворювачах. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі проведено порівняльний аналіз властивостей та особливостей використання Voltаge fed та Current fed топологій у ізольованих DC-DC перетворювачах. Показані переваги використання Current fed перетворювачів напруги, у тому числі багатофазні варіації, які дозволяють значно зменшити високочастотні пульсації вхідного струму та потужність втрат у ключових елементах, забезпечити сталу робочу напругу для ключових елементів та випрямних діодів в умовах діапазонної зміни вхідної напруги. Досліджені причини появи низькочастотної складової пульсацій вхідного струму у двоступеневих DC/AC перетворювачах напруги. Ці пульсації мають негативний вплив на джерела постійного струму, від яких здійснюється електроживлення, що вимагає використання спеціальних заходів для зменшення цих пульсацій. У DC-AC ступені перетворення проведено порівняльний аналіз алгоритмів комутації в напівмостових перетворювачів. Показані переваги використання несинусоїдальних форм при формуванні вихідної напруги інвертора, завдяки яким є можливість зменшення динамічних втрат потужності в ключових елементах, а також досягнення більших значень коефіцієнта використання постійної напруги живлення. При цьому можливо отримати значення коефіцієнта спотворення синусоїдальності вихідної напруги, що не перевищує рівня, допустимого стандартом. У другому розділі проведено аналіз найбільш розповсюджених ізольованих Current fed DC-DC топологій, у тому числі багатофазні варіації. Для порівняння їх енергоефективності запропоновано метод еквівалентного елемента, де група активних елементів у схемах з різною їх кількістю приводиться до одного узагальнюючого елементу. Це забезпечує рівнозначність схем при їх порівнянні, які побудовані з використанням різної схемотехніки і мають різне число фаз комутації. Отримані аналітичні вирази коефіцієнтів форми струмів, а також аналітичні та графічні залежності відносної потужності втрат у транзисторах і діодах при фіксованій і змінній напрузі живлення. Порівняльна оцінка потужності статичних втрат в елементах показала, що найкращу енергоефективність мають топології Push-Pull і Half- Bridge в трифазному виконанні в умовах двократної зміни вхідної напруги. Запропоновано нове схемотехнічне рішення 3-х фазного перетворювача, яке дозволяє зменшити кількість силових магнітних елементів за рахунок об'єднання в одному конструктивному елементі накопичувального дроселя та силового трансформатора. Показано, що нова схемотехніка зберігає переваги класичного багатофазного перетворювача, а саме: малі пульсації струму споживання, фіксована робоча напруга активних елементів та обмоток трансформатора відносно вихідної напруги, безперервна передача енергії через трансформатор. Теоретичним аналізом визначено, що порівняно з класичним перетворювачем трьохфазної топології Half-Bridge, запропонована топологія дозволяє знизити масогабаритний показник магнітних елементів на 43,5% в умовах двократної зміни вхідної напруги. Запропоновано модель DC-DC перетворювача, яка описує процес виникнення низькочастотних пульсацій струму, на основі якої отримано залежності впливу параметрів моделі на рівень пульсацій та додаткову потужність втрат в DC-DC ступені, обумовлену їх наявністю. На її основі розроблено компенсаційний метод зниження низькочастотних пульсацій вхідного струму в одноконтурній системі стабілізації напруги на проміжному конденсаторі. Показаний механізм компенсації пульсацій, дія якого полягає у збільшенні вихідного опору DC-DC ступеня при введенні у створену модель компенсуючої напруги. У третьому розділі, для DC-AC ступеня перетворення, запропоновано спосіб формування квазисинусоїдальної вихідної напруги у мостовому інверторі з трапецеїдальною формою напруг з лінійними та синусоїдальними фронтами у напівмостових перетворювачах, які зсунуті між собою на кут 2π/3. Спосіб дозволяє формувати однофазну та трифазну напруги, і характеризується хорошим використанням напруги живлення, відповідністю вимог до якості електроенергії по спектральному складу. Проведено аналіз характеристик якості вихідної напруги, визначені робоча область та оптимальні значення відносної тривалості фронтів, значення зниження відносної потужності динамічних втрат в елементах комутації в однофазному (відносно однополярної модуляції) та трифазному (відносно двополярної модуляції) виконаннях в залежності від інтервалів комутації. Розрахунки показують можливість зниження відносної потужності динамічних втрат до 0,148 (в 6,76 разів) у трифазному виконанні при коефіцієнті гармонік вихідної напруги 3,61%. Досліджена можливість зниження рівня вищих гармонік у спектрі та покращення форми вихідної квазисинусоїдальної напруги в мостовому інверторі шляхом деформації кривої формування фронтів трапецеїдальної напруги напівмостових перетворювачів. Визначено оптимальне поєднання значень параметра деформації та тривалості фронтів трапецеїдальної напруги, що дозволяє досягти у вихідній напрузі інвертора повного придушення вищих гармонік. При цьому зниження відносної потужності динамічних втрат складає 0,412 (зменшення в 2,4 рази) у трифазному виконанні. Запропоновано спосіб формування синусоїдальної напруги в однофазному мостовому інверторі з комплементарними формами несинусоїдальної напівмостової напруги при комбінованому вигляді модуляції. Показано вплив співвідношення складових комбінованого виду модуляції на рівень синфазної завади та визначено умови досягнення найменшої її значення. Здійснено розрахунок відносної потужності динамічних втрат в елементах комутації та зниження габаритів дроселя у вихідному фільтрі від тривалості інтервалів комутації. У четвертому розділі наведені експериментальні результати теоретичних досліджень DC-DC та DC-АC перетворювачів. DC-DC ступень перетворення реалізована на запропонованій топології 3-х фазного Current Fed DC-DC перетворювача з суміщеними магнітними елементами з вихідною потужністю 5кВт та вхідною напругою у діапазоні 80…160В. Отримані наступні результати: – зменшення потужності втрат, які сягають різниці у 25Вт, порівняно з класичним Half-Bridge-3ph перетворювачем, у нижній частинні вхідного діапазону напруги; – зменшення маси використовуємих магнітних елементів у перетворювачі з 3,12кг до 2,45кг. При загальній вазі DC-DC ступеня перетворення виконаного за топологією Half-Bridge-3ph - 4,465кг, отримано зменшення маси до 3,79кг, або на 15%; – використання компенсаційного методу знижує розмах низькочастотних пульсацій вхідного струму з 76А до 12,5А (у 6 разів) при вхідній напрузі 100В. Це дозволило знизити потужність втрат у DC-DC перетворювачі з 305Вт до 250Вт (зменшення на 55Вт) у нижній частині вхідного діапазону напруги живлення. Експериментальна перевірка DC-AC ступеня перетворення проведена на макеті однофазного мостового перетворювача з вихідною потужністю 3кВт, яка дала наступні результати: – найменшу потужність втрат має спосіб формування вихідної напруги з трапецеїдальними формами напівмостових напруг зі зсувом 2π/3 та лінійними формами фронтів. При вихідній потужності 3кВт потужність втрат складає 67Вт (при оптимальній тривалості формування фронтів π/5), тоді як при синусоїдальній однополярній модуляції – 75Вт, тобто на 8Вт менше. Також при цьому способі формування вміст вищих гармонік у спектрі вихідної напруги має найбільше значення серед досліджених форм і має коефіцієнт гармонік вихідної напруги 4,5%; – запропонований спосіб формування вихідної напруги з використанням несинусоїдальних комплементарних форм у напівмостових перетворювачах має на 1-2Вт більшу потужність втрат, ніж при використанні синусоїдальної однополярної модуляції. Але цей спосіб має можливість зниження масо- габаритного показника DC-AC ступеня перетворення за рахунок зменшення розмірів фільтра у каналі формування трапецеїдальної напруги напівмостового перетворювача (згідно з дослідженням у розділі 3.3). У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. За результатами дослідження отримано такі наукові результати: 1. Вперше запропоновано метод еквівалентного елемента для порівняння потужності статичних втрат у активних елементах DC-DC перетворювачів (MOSFET ключі, випрямні діоди) із принципово різною їх кількістю та робочими напругами у топологіях, який дозволяє забезпечити рівнозначність елементів і наблизити до реальних результати порівняльних оцінок. 2. Вперше проведено порівняльний аналіз потужності статичних втрат в активних елементах ізольованих DC-DC перетворювачів різних топологій, у тому числі з різним числом фаз комутації, в умовах діапазонної зміни вхідної напруги і з використанням метода еквівалентного елемента, що забезпечує адекватність порівняння топологій з різною кількістю активних елементів. 3. Вперше запропоновано та досліджено компенсаційний метод зниження низькочастотних пульсацій вхідного струму в одноконтурній системі стабілізації напруги у DC-DC перетворювачі у складі двоступеневої топології. Метод дозволяє простим алгоритмічним шляхом збільшити у перетворювачі вихідний опір на змінному струмі і цим зменшити низькочастотні пульсації вхідного струму та втрати потужності у DC-DC ступені перетворення. 4. Отримані залежності рівня вищих гармонік у спектрі вихідної напруги мостового інвертора від тривалості інтервалів комутації трапецеїдальної напруги у напівмостових перетворювачах з лінійною та синусоїдальною формою фронтів. Ці залежності дозволяють обрати оптимальну тривалість інтервалів комутації для отримання мінімального значення коефіцієнта гармонік вихідної напруги при одночасному зменшені потужності динамічних втрат у IGBT ключах при формуванні однофазної і трифазної квазісинусоїдальної напруги. Запропоновано нову аналітичну функцію спеціальної форми фронтів трапецеїдальної напруги, при застосуванні якої досягається повне придушення вищих гармонік і формується синусоїдальна напруга при одночасному зниженні потужності динамічних втрат. 5. Вперше запропоновано використання у однофазному мостовому DCAC перетворювачі комплементарних форм з не синусоїдальними напругами у напівмостових перетворювачах при комбінованій модуляції, що дозволяє зменшити масогабаритні показники дроселя у вихідному фільтрі. Досліджені умови досягнення мінімального рівня динамічних втрат в елементах комутації при допустимому рівні синфазної завади. Практичне значення отриманих результатів у галузі електроніки полягає в наступному: – сформульовані практичні рекомендації для вибору топології DC-DC перетворювача в умовах діапазонної зміни вхідної напруги; – розроблено нову топологію ізольованого 3-х фазного DC-DC ступеня перетворення із суміщеним у єдиному конструктивному магнітному елементі вхідного дроселя та силового трансформатора, що покращує масогабаритні показники перетворювача; – запропоновано схемотехнічне рішення енергоефективного активного обмежувача напруги зі зниженою потужністю статичних втрат у елементах комутації; – сформульовані рекомендації для вибору форми фронтів та їх тривалості при використанні трапецеїдальної напруги у напівмостових перетворювачах DC-АC ступеня перетворення, які дозволяють суттєво знизити потужності динамічних втрат в елементах комутації при допустимому рівні коефіцієнта гармонік, або отримати повне придушення вищих гармонік у вихідній напрузі і формування ідеальної синусоїдальної форми. Результати дисертаційної роботи використані на НВП «Імпульс» (м. Запоріжжя) при розробці та виробництві двоступеневих DC/AC перетворювачів напруги з потужністю 1-10 кВт (акт про використання матеріалів дисертаційної роботи при виробництві перетворювачів від 21.02.2024 р., представлений у додатку дисертаційної роботи). The dissertation is devoted to the solution of an actual scientific and applied problem related to the development of new and improvement of existing circuit solutions and control algorithms in the DC-DC conversion stage and the use of special non-sinusoidal voltage forms in the DC-AC stage. The purpose of the work is to improve the energy and quality characteristics of two-stage voltage converters, namely: – reducing the power of static losses in the active elements of the DC-DC converter; – compensation of input current pulsations; – reducing the mass and dimensions of the converter; – reducing the power of dynamic losses in the active elements of the DC-AC converter due to the use of non-sinusoidal voltage forms; – reduction of the coefficient of harmonics of the output quasi-sinusoidal voltage when using non-sinusoidal forms in single-phase and three-phase execution of the DC-AC conversion stage. The object of the study is the process of energy conversion in two-stage DC/AC voltage converters. The subject of the study is circuit engineering solutions, work algorithms, nonsinusoidal forms of voltages in two-stage DC/AC converters. The introduction substantiates the relevance of the topic of the dissertation, defines the tasks of the research, shows the connection of the work with scientific programs, plans, topics, provides data on scientific novelty, practical significance, approbation of results and publications. In the first chapter, a comparative analysis of the properties and features of using Voltage fed and Current fed topologies in isolated DC-DC converters is carried out. The advantages of using Current fed voltage converters are shown, including multi-phase variations, which allow to significantly reduce high-frequency pulsations of the input current and power losses in key elements, to ensure a constant operating voltage for key elements and rectifier diodes in the conditions of a range of input voltage changes. The reasons for the appearance of the LF component of input current pulsations in two-stage DC/AC voltage converters are investigated. These ripples have a negative effect on the sources of direct current from which power is supplied, which requires the use of special measures to reduce these ripples. In the DC-AC conversion stage, a comparative analysis of switching algorithms in half-bridge converters was carried out. The advantages of using nonsinusoidal forms when forming the output voltage of the inverter are shown, thanks to which it is possible to reduce dynamic power losses in key elements, as well as to achieve higher values of the coefficient of use of constant supply voltage. At the same time, it is possible to obtain a value of the distortion coefficient of the sinusoidality of the output voltage, which does not exceed the level allowed by the standard. The second chapter analyzes the most common isolated Current fed DC-DC topologies, including multiphase variations. To compare their energy efficiency, the equivalent element method is proposed, where a group of active elements in circuits with different numbers is reduced to one generalizing element. This ensures the equivalence of circuits when comparing them, which are built using different circuitry and have a different number of switching phases. Analytical expressions of current shape coefficients, as well as analytical and graphical dependences of the relative power losses in transistors and diodes at fixed and variable supply voltage are obtained. A comparative assessment of the power of static losses in the elements showed that the Push-Pull and Half-Bridge topologies in the three-phase version have the best energy efficiency under the conditions of a two-fold change in the input voltage. A new schematic solution of the 3-phase converter is proposed, which allows to reduce the number of power magnetic elements due to the combination of the storage inductor and the power transformer in one structural element. It is shown that the new circuitry preserves the advantages of the classic multiphase converter, namely: small pulsations of the consumption current, fixed operating voltage of the active elements and the transformer winding relative to the output voltage, continuous energy transfer through the transformer. The theoretical analysis determined that compared to the classical converter of the three-phase Half-Bridge topology, the proposed topology allows reducing the mass-size index of the magnetic elements by 43.5% under the conditions of a two-fold change in the input voltage. A model of the DC-DC converter is proposed, which describes the process of low-frequency current pulsations, based on which the dependences of the model parameters on the level of pulsations and additional power losses in the DC-DC stage due to their presence are obtained. On its basis, a compensatory method of reducing low-frequency pulsations of the input current in a single-circuit voltage stabilization system on an intermediate capacitor was developed. The pulsation compensation mechanism is shown, the effect of which is to increase the output resistance of the DC-DC stage when a compensating voltage is introduced into the created model. In the third chapter, for the DC-AC stage of conversion, a method of forming a quasi-sinusoidal output voltage in a bridge inverter with a trapezoidal form of voltages with linear and sinusoidal fronts in half-bridge converters, which are offset by an angle of 2π/3, is proposed. The method allows for the formation of single-phase and three-phase voltages, and is characterized by a good use of the supply voltage, compliance with the requirements for the quality of electricity in terms of spectral composition. An analysis of the characteristics of the quality of the output voltage was performed, the working area and optimal values of the relative duration of the fronts, the value of the reduction of the relative power of dynamic losses in the switching elements in single-phase (relative to unipolar modulation) and three-phase (relative to bipolar modulation) versions depending on the switching intervals were determined. Calculations show the possibility of reducing the relative power of dynamic losses to 0.148 (by 6.76 times) in three-phase execution with a coefficient of harmonics of the output voltage of 3.61%. The possibility of reducing the level of higher harmonics in the spectrum and improving the shape of the output quasisinusoidal voltage in the bridge inverter by deforming the curve of the formation of the fronts of the trapezoidal voltage of half-bridge converters was investigated. The optimal combination of the values of the deformation parameter and the duration of the trapezoidal voltage fronts was determined, which allows to achieve complete suppression of higher harmonics in the output voltage of the inverter. At the same time, the decrease in the relative power of dynamic losses is 0.412 (a 2.4-fold decrease) in the three-phase version. A method of generating sinusoidal voltage in a single-phase bridge inverter with complementary forms of non-sinusoidal half-bridge voltage with a combined form of modulation is proposed. The influence of the ratio of the components of the combined type of modulation on the level of in-phase interference is shown, and the conditions for achieving its smallest value are determined. The calculation of the relative power of dynamic losses in the switching elements and the reduction of the dimensions of the inductor in the output filter from the duration of the switching intervals was carried out. The fourth chapter presents the experimental results of theoretical studies of DC-DC and DC-AC converters. The DC-DC conversion stage is implemented on the proposed topology of a 3-phase Current Fed DC-DC converter with combined magnetic elements with an output power of 5kW and an input voltage in the range of 80...160V. The following results were obtained: – reduction of power losses, which reach a difference of 25W, compared to the classic Half-Bridge-3ph converter, in the lower part of the input voltage range; – reduction of the mass of the used magnetic elements in the converter from 3.12 kg to 2.45 kg. With the total weight of the DC-DC conversion stage performed according to the Half-Bridge-3ph topology - 4.465 kg, a weight reduction of 3.79 kg or 15% was obtained; – the use of the compensation method reduces the range of LF pulsations of the input current from 76A to 12.5A (by 6 times) at an input voltage of 100V. This made it possible to reduce the power losses in the DC-DC converter from 305W to 250W (a reduction of 55W) in the lower part of the input voltage range. An experimental test of the DC-AC conversion rate was carried out on a model of a single-phase bridge converter with an output power of 3kW, which gave the following results: – the method of forming the output voltage with trapezoidal forms of halfbridge voltages with a shift of 2π/3 and linear forms of fronts has the lowest power losses. With an output power of 3 kW, the power loss is 67 W (at the optimal duration of the formation of fronts π/5), while with sinusoidal unipolar modulation it is 75 W, i.e. 8 W less. Also, with this method of formation, the content of higher harmonics in the spectrum of the output voltage has the greatest value among the studied forms and has a coefficient of harmonics of the output voltage of 4.5%; – the proposed method of forming the output voltage using non-sinusoidal complementary forms in half-bridge converters has 1-2W more power losses than when using sinusoidal unipolar modulation. But this method has the possibility of reducing the mass-size index of the DC-AC stage of conversion due to the reduction of the size of the filter in the trapezoidal voltage generation channel of the half-bridge converter (according to the research in section 3.3). In the conclusions, the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are given. Scientific novelty of the results: 1. For the first time, the method of an equivalent element is proposed for comparing the power of static losses in active elements of DC-DC converters (MOSFET keys, rectifier diodes) with fundamentally different numbers and operating voltages in topologies, which allows to ensure the equivalence of elements and bring the results of comparative evaluations closer to real ones. 2. For the first time, a comparative analysis of the power of static losses in the active elements of isolated DC-DC converters of different topologies, including with different number of switching phases, under the conditions of a range of input voltage changes and using the equivalent element method, which ensures the adequacy of the comparison of topologies with different numbers of active elements, was carried out. 3. For the first time, a compensatory method for reducing low-frequency pulsations of the input current in a single-circuit voltage stabilization system in a DCDC converter in a two-stage topology was proposed and investigated. The method makes it possible to increase the output resistance of the alternating current in the converter in a simple algorithmic way and thereby reduce the low-frequency pulsation of the input current and power losses in the DC-DC conversion stage. 4. The obtained dependences of the level of higher harmonics in the output voltage spectrum of the bridge inverter on the duration of the trapezoidal voltage switching intervals in half-bridge converters with linear and sinusoidal fronts. These dependencies make it possible to choose the optimal duration of the switching intervals to obtain the minimum value of the output voltage harmonics coefficient while simultaneously reducing the power of dynamic losses in IGBT switches during the formation of single-phase and three-phase quasi-sinusoidal voltage. A new analytical function of a special form of trapezoidal voltage fronts is proposed, when using which complete suppression of higher harmonics is achieved and a sinusoidal voltage is formed while simultaneously reducing the power of dynamic losses. 5. For the first time, the use of complementary forms with non-sinusoidal voltages in half-bridge converters with combined modulation was proposed in a single-phase bridge DC-AC converter, which allows reducing the mass and dimensions of the inductor in the output filter. The studied conditions for achieving the minimum level of dynamic losses in switching elements at an acceptable level of common-phase interference. The practical significance of the results obtained in the field of electronics is as follows: – formulated practical recommendations for choosing the topology of a DC-DC converter in the conditions of a range of input voltage changes; – a new topology of the isolated 3-phase DC-DC conversion stage was developed with an input inductor and a power transformer combined in a single constructive magnetic element, which improves the converter's weight and size index; – a circuit-technical solution of an energy-efficient active voltage limiter with reduced power of static losses in switching elements is proposed; – formulated recommendations for choosing the shape of the fronts and their duration when using a trapezoidal voltage in half-bridge DC-AC converters of the degree of conversion, which allow to significantly reduce the power of dynamic losses in the switching elements at an acceptable level of the harmonic coefficient, or to obtain complete suppression of higher harmonics in the output voltage and formation perfect sinusoidal shape. The results of the dissertation work were used at the scientific production enterprise «Impuls» (Zaporizhia) in the development and production of two-stage DC/AC voltage converters with a capacity of 1-10 kW (the act on the use of the materials of the dissertation work in the production of converters dated February 21, 2024, presented in the appendix).