Високоефективні напівпровідникові перетворювачі електроенергії на основі високочастотних магнітних підсилювачів - Яськів, Володимир Іванович (Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020)
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.12 "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії" - Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2020. Дисертація присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми вдосконалення методів та засобів перетворення параметрів електроенергії в напівпровідникових перетворювачах на основі високочастотних магнітних підсилювачів. У першому розділі проведено аналіз стану проблеми побудови високочастотних напівпровідникових перетворювачів електроенергії (НПЕ), обґрунтовано вибір критеріїв при розробці НПЕ, запропоновано альтернативний підхід до реалізації НПЕ з використанням високочастотних магнітних підсилювачів (ВМП), описано принцип його роботи, проведено порівняльний аналіз ВМП з силовими ключами на основі напівпровідникових елементів, зроблено аналіз електромагнітних процесів в імпульсному стабілізаторі на ВМП, розглянуто режими намагнічення магнітного осердя з прямокутною петлею гістерезису (ППГ), приведено характеристики високочастотних магнітних сплавів з ППГ для ВМП. Виявлено потребу у вдосконаленні методів та засобів перетворення параметрів електроенергії в напівпровідникових перетворювачах на основі високочастотних магнітних підсилювачів. У другому розділі розглянуто особливості базової структури ІСПН на ВМП. Показано, що вартісні характеристики уніфікованого ряду ІСПН безпосередньо визначаються вартістю осердь ВМП, що вимагає оптимізації їх масо-габаритних характеристик при побудові уніфікованого ряду ІСПН. Запропоновано та обґрунтовано експериментальний підхід до аналізу масо-габаритних характеристик ВМП як функціональної одиниці ІСПН. Показано, що для реалізації зазначеного підходу з метою мінімізації вартості досліджень доцільно використати методи оптимального планування експерименту і запропоновано схему проведення експериментальних досліджень. На основі обґрунтованого експериментального підходу вперше створено інтервальну макромодель енергетичної характеристики ВМП у вигляді функції від вихідних параметрів перетворювачів електроенергії, яка дає можливість з гарантованою точністю обчислити числовий інтервал для вихідної потужності ВМП для заданих проектних параметрів номінальної вихідної напруги та максимального струму навантаження ІСПН. Розроблено узагальнений алгоритм оптимізації масо-габаритних характеристик осердь ВМП на основі отриманої інтервальної макромоделі енергетичної характеристики ВМП. Алгоритм реалізовано у вигляді покрокових формалізованих процедур, що забезпечує його використання в технології проектування уніфікованого ряду НПЕ з оптимальними масо-габаритними характеристиками осердь ВМП. У третьому розділі розглянуто запропоновані методи побудови ІСПН на ВМП для забезпечення високого рівня струму навантаження та високої ефективності перетворювачів. Вони базуються на наступних положеннях: - відсутність будь-яких додаткових зворотних зв’язків, схем керування, демпфуючих ланок чи інших елементів в схемотехніці; - максимальне використання уже наявних елементів в перетворювачі; - максимальне використання уже наявних сигналів в перетворювачі від елементів, які визначають принцип його роботи; - забезпечення максимально можливої ефективності перетворювача; - забезпечення функціонування в 100% діапазоні зміни струму навантаження; - мінімальні затрати на досягнення поставленої мети. Запропоновано новий метод організації паралельної роботи імпульсних стабілізаторів постійної напруги на високочастотних магнітних підсилювачах (ІСПН на ВМП), який забезпечує рівномірний розподіл струму навантаження між окремими стабілізаторами в усьому діапазоні його зміни при зміні всіх дестабілізуючих факторів за рахунок використання спільного осердя ВМП в ролі регулюючого елемента для всіх паралельно працюючих ІСПН на ВМП, що унеможливлює вплив технологічного розкиду параметрів осердь ВМП на рівномірність розподілу струму навантаження. Сформульовано умови ввімкнення на паралельну роботу ІСПН на ВМП. Запропонований метод забезпечує рівномірний розподіл струму навантаження при єдиному зворотному зв’язку за вихідною напругою. При цьому схема керування всіма ІСПН на ВМП аналогічна схемі керування одного ІСПН на ВМП. В розділі проведено моделювання стабілізатора напруги на основі ВМП, з врахуванням специфіки схеми керування для малих приростів сигналів (Control Loop Small Signal Modeling). Вперше запропоновано метод побудови ІСПН на ВМП з синхронним випрямленням, в якому керування польовими транзисторами випрямляча здійснюється безпосередньо у функції напруг високочастотного силового трансформатора інвертора без введення будь-яких додаткових елементів чи схем керування ними за рахунок принципу роботи ВМП (на початку кожного півперіоду ВМП перебуває в ненасиченому стані), що забезпечує вищу ефективність, надійність та унеможливлює протікання наскрізних струмів у випрямлячі. Для підвищення ефективності, а також забезпечення комплексності системи реалізовано запропонований метод побудови вихідного LCD-фільтра, в якому керування польовим транзистором, що використовується замість діода, здійснюється у функції уже наявних напруг дроселів насичення ВМП без введення будь-яких додаткових елементів чи схем керування ним (рис. 8). На основі проведеного аналізу методів побудови керованих джерел електроживлення з виходом на змінному струмі встановлено наступні недоліки: низький рівень електромагнітної сумісності, складність процесу формування вихідної змінної напруги, не завжди задовільні динамічні характеристики. З метою їх усунення розроблено метод побудови високодинамічних керованих перетворювачів на основі ВМП з виходом на змінному струмі з високою якістю вихідних напруг та із широким діапазоном регулювання частоти вихідної напруги (рис. 9). Причому для формування як додатної, так і від’ємної півхвиль вихідної змінної напруги в кожному плечі випрямляча використовується спільне осердя ВМП. Формування змінної напруги забезпечується на високій робочій частоті вхідного транзисторного інвертора, що в поєднанні з властивостями ВМП забезпечує можливість формування прецизійної вихідної напруги, забезпечує високий рівень динамічних характеристик та електромагнітної сумісності. У четвертому розділі проаналізовано способи симетрування режимів перемагнічування високочастотного силового трансформатора в двотактному перетворювачі, обґрунтовано вибір базового високочастотного транзисторного інвертора для сумісної роботи з регуляторами на ВМП, вдосконалено метод організації паралельної роботи таких інверторів, вдосконалено метод керування силовими ключами за рахунок організації режимів роботи в колах керування з меншими втратами. Вдосконалено метод організації паралельної роботи високочастотних нерегульованих транзисторних інверторів з високою стабільністю синхронної та синфазної їх комутації в 100% діапазоні зміни всіх збурюючих факторів, Висока стабільність частоти комутації досягнута за рахунок введення єдиного незалежного рівня (для всіх паралельно працюючих інверторів) обмеження швидкості перемагнічування дроселя насичення з прямокутною петлею гістерезису в додатних зворотних зв’язках за вихідними напругами інверторів при перемагнічуванні його в режимі джерела струму. У п’ятому розділі приведено результати експериментальних досліджень електромагнітної сумісності НПЕ на ВМП. Проаналізовано основні міжнародні стандарти, що регламентують рівні електромагнітних завад. Приведено результати досліджень НПЕ на ВМП без та з коректором коефіцієнта потужності (ККП). Запропоновано в НПЕ на ВМП використовувати ККП, в яких реалізована методика, що відома як керування всередині одного тактового циклу або OСC (One Cycle Control). Зроблено порівняльний аналіз топологій перетворювачів з врахуванням їх електромагнітної сумісності. Експериментальне дослідження рівня випромінюваних електромагнітних завад НПЕ на ВМП проводилось для створеного в рамках виконання спільного наукового проекту “High-Reliability Switching Power Converters for Security of Information Technology” (IC S.NUKR.CLG 982639) (грант НАТО в рамках програми “Nato Programme Security Through Science”) дослідного зразка перетворювача без коректора коефіцієнта потужності на вихідні параметри 24 В, 8 А в лабораторії силової електроніки Каліфорнійського університету, м.Ірвін, США. Експериментальне дослідження електромагнітної сумісності НПЕ на ВМП засвідчило низький рівень електромагнітних завад випромінювання. В діапазоні частот від 42 МГц до 400 МГц рівень електромагнітних завад випромінювання розробленого дослідного зразка нижчий, ніж в американського аналога (зокрема, в діапазоні частот 130-200 МГц - в 4-5 разів). Для дослідження НПЕ на ВМП з ККП було реалізовано перетворювач на вихідні параметри 24 В, 10 А. Для керування ККП використано спеціалізовану мікросхему IR1150, в якій реалізована методика OСC. Перевагою її є забезпечення високого рівня динаміки в коректорі та можливість побудови ККП в діапазоні вихідних потужностей від кількох сотень Вт до кількох кВт. Нижчий рівень ЕМЗ досліджуваного перетворювача забезпечується використанням в ролі силових регулюючих елементів ВМП, робота яких в ключовому режимі не супроводжується появою високочастотної завади високого рівня та їх властивістю слугувати фільтром кондуктивних ЕМЗ як в насиченому, так і в ненасиченому станах. А високий рівень ефективності та PFC досягається за рахунок оптимального поєднання методів реалізації ККП із запропонованим методами побудови НПЕ на ВМП. У шостому розділі проведено експериментальне дослідження динамічних характеристик НПЕ на ВМП, експериментальне дослідження НПЕ на ВМП з синхронним випрямленням при розірваному зворотному зв’язку за вихідною напругою, експериментальне дослідження стабілізованого НПЕ на ВМП з синхронним випрямленням. Наведені приклади практичної реалізації перетворювачів за даними замовників. Для експериментального дослідження динамічних характеристик було розроблено дослідний зразок НПЕ на ВМП на вихідні параметра 5 В, 50 А. В цьому перетворювачі реалізовано описаний в розділі 3 метод побудови ІСПН на ВМП з високим рівнем струму навантаження. Експериментальні дослідження засвідчили високий рівень динамічних характеристик та відсутність будь-яких перегулювань в перехідних процесах. Перехідний процес завершується в момент досягнення регульованою величиною (вихідною напругою) її усталеного рівня, що майже на порядок зменшує його тривалість. При циклічній 100% зміні навантаження з частотою 5 кГц час перехідного процесу рівний 1,8 мс. Експериментальне дослідження НПЕ на ВМП з синхронним випрямленням проводилось в два етапи: дослідження при розірваному зворотному зв’язку за вихідною напругою та дослідження стабілізованого НПЕ на ВМП. В обох випадках нерегульований високочастотний транзисторний інвертор реалізований по півмостовій схемі. Дослідження проводились при вхідній напрузі постійного струму U = 310 В (еквівалент напруги мережі промислової частоти). Саме принцип роботи ВМП (затримка появи струму навантаження в силовому колі, обумовлена часом перемагнічування досягнення насичення в робочому півперіоді) унеможливлює появу наскрізних струмів при двотактному випрямленні, що дозволило безпосереднє використання синхронних випрямлячів у перетворювачах на основі ВМП. Проведене дослідження показує, що сучасні MOSFET з невеликим опором відкритого каналу забезпечують високу ефективність перетворювача. В нашому випадку ефективність перетворювача в діапазоні зміни струму від 3A до 11A (в межах понад 50%) перевищує 94%. Наведені приклади практичної реалізації керованого трьохканального імпульсного джерело живлення електричних гальм системи електроприводу антени великого діаметра (ДНТП "ТЕХАС-К", м. Тернопіль), імпульсного джерела живлення автомобільного радіосканера (ТОВ НВФ "Інтеграл", м. Тернопіль), джерела живлення радіопередавальних та приймальних пристроїв систем дистанційного керування енергооб’єктами та обліку електроенергії (ТОВ ТКБР "Стріла", м. Тернопіль).

Dissertation on achieving the scientific degree Doctor of Technical Science in specialty 05.09.12 – Semiconductor Power Converters – Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil, 2020. The dissertation is devoted to a solution of an actual scientific and applied problem of improvement of methods and means of electric power conversion parameters in semiconductor converters on the basis of high-frequency magnetic amplifiers. In the first chapter the state of the problem of high-frequency semiconductor power converters design is analyzed. The criteria choice for such power converters design is reasoned. An alternative approach to semiconductor power converters design with the use of high-frequency magnetic amplifiers (MagAmps) is proposed, and the principle of their operation is described. Comparative analysis of MagAmp switch and power switch based on semiconductor components is carried out. Electromagnetic processes in a MagAmp pulse power supply are analyzed. Magnetization modes of a magnetic core with a rectangular hysteresis loop are considered. The characteristics of MagAmp high-frequency magnetic alloys with a rectangular hysteresis loop are given. There is discovered a need for improvement of the methods and means of electric power conversion in high-frequency MagAmp power converters. The peculiarities of a basic dc pulse magamp power converter topology are considered in the second chapter. It is shown that price characteristics of a unified series of dc pulse magamp power converters are determined directly by MagAmp core price. Thus, optimization of MagAmp core weight and dimensions characteristics is required for design of the unified series of power converters. An experimental approach to weight and dimensions characteristics analysis of MagAmp as of a functional unit of the power converter is proposed and reasoned. It is shown that to implement this approach in order to minimize the price of the research, it is reasonable to use the methods of optimal experiment planning. A scheme of carrying out the experimental research is proposed. Based on the reasoned experimental approach, for the first time there was developed an interval macromodel of energy characteristic of high-frequency magnetic amplifier as a function of power converters’ output parameters. It allows computation of the numerical interval for MagAmp output power for given power converter’s design parameters such as nominal output voltage and maximum load current. Based on the obtained interval macromodel of MagAmp energy characteristic, a generalized MagAmp core weight and dimensions characteristics optimization algorithm is developed. The algorithm is realized as step-by-step formalized procedures, allowing its use within the design technology of the unified series of power converters with optimal MagAmp core weight and dimensions characteristics. In the third chapter the suggested methods of MagAmp power converters design are considered for ensuring high level of load current and high efficiency of power converters. They are based on the following statements: - absence of any auxiliary feedback loops, control circuits, snubber circuits, or other electric components; - maximum utilization of already present components in the power converter; - maximum utilization of already present signals from the components that determine the power converter’s operation; - providing maximum possible converter’s efficiency; - providing functioning within 100% range of load current change; - minimal expenses to reach the set goal. A new method of organizing parallel operation of pulsed DC voltage stabilizers on high-frequency magnetic amplifiers is proposed, which provides uniform load current distribution between individual stabilizers in the whole range of its change when all destabilizing factors change due to the use of a common Magamp core as a regulating element. This makes it impossible to influence the technological variance of the parameters of the saturable cores on the uniformity of the load current distribution. The conditions of switching on parallel operation of pulsed DC voltage stabilizers are formulated. The proposed method provides a uniform distribution of load current with a single feedback on the output voltage. Thus the control scheme of all pulsed DC voltage stabilizers is similar to the control scheme of one unit. MagAmp voltage stabilizer is modeled in this chapter, including its control loop small signal modeling. A method for design of power converters based on high-frequency MagAmps with synchronous rectification is proposed for the first time and investigated. It allows control of field-effect transistors of the rectifier directly as a function of the voltages of the inverter’s high-frequency power transformer, and excludes the flow of short circuit currents in the rectifier without introducing any additional elements or control circuits for them. To achieve a higher efficiency of the power converters, the suggested LCD-filter design method is used. It consists in controlling the MOSFET, which is used instead of the diode in the output filter of the power converter, in the function of the already existing MagAmp voltages. Moreover, this method of output filter realization does not require any additional elements or control circuits. Based on the carried out analysis of controlled ac power supplies design methods, the following drawbacks were spotted: low level of electromagnetic compatibility, ac output voltage forming complexity, not always satisfactory dynamic characteristics. To eliminate these, a new design method of controlled MagAmp power converters with AC output, high quality of output voltage, and wide range of output voltage frequency regulation is proposed. It provides a low level of electromagnetic interference and a high level of dynamic characteristics. Moreover, to form both positive and negative voltage halfperiods, in every line of a push-pull rectifier a common MagAmp core is used. The ac voltage is formed on high frequency of input transistor inverter, that together with MagAmp properties allows forming of high-precision output voltage, provides high level of dynamic characteristics and electromagnetic compatibility. In the fourth chapter ways of remagnetization modes symmetrization of power transformer in push-pull power converter are analyzed. The choice of basic high-frequency transistor inverter for joint operation with Magamp power converters is reasoned. The method of organization of parallel operation of such inverters is improved. The method of power switches control is improved due to control circuits operation modes organization with lower losses. The method of organization of parallel operation of high-frequency uncontrolled transistor inverters with high stability of synchronous and synphase commutation in 100% range of change of all distortion factors is improved. High stability of commutation frequency is obtained due to setting one independent level (for all inverters, working in parallel) of limiting the remagnetization speed of MagAmp with rectangular hysteresis loop in positive feedback loops for inverters’ output voltages while operating in current supply mode. The results of experimental investigation of MagAmp power converters’ magnetic compatibility are given in the fifth chapter. The main international standards that regulate electromagnetic interferences levels are analyzed. The results of the research of MagAmp power converters with and without power factor correction (PFC) are given. For MagAmp power converters it is suggested to use PFC, based on one cycle control (OCC) methodology, where control is performed within one switching cycle. Comparative analysis of power converters’ topologies is done, regarding their electromagnetic compatibility. Experimental research of the level of MagAmp power converters electromagnetic interferences was carried out for an experimental 24V, 8A power supply without PFC in Power Electronics Laboratory at University of California (UCI), Irvine, USA within the framework of joint scientific project “High-Reliability Switching Power Converters for Security of Information Technology” (IC S.NUKR.CLG 982639) (a grant from NATO in a framework of the programme “Nato Programme Security Through Science”). Experimental research of MagAmp power converters electromagnetic compatibility proved the low level of radiative electromagnetic interferences. In the frequency range of 42 MHz to 400 MHz level of radiative electromagnetic interferences of the designed sample is lower than the one of an American analog (particularly, it is 4-5 times lower in the frequency range of 130-200 MHz). For the investigation of MagAmp power converters with PFC, a 24V, 10A power converter was built. A specialized integrated circuit IR1150, where the OCC method is realized, was used for PFC control. Its advantages are ensuring a high dynamics level in the corrector, and a possibility of PFC realization in the range of output powers of a few hundred watts to a few kilowatts. Lower level of electromagnetic interferences (EMI) of the investigated power converter is ensured by using MagAmps as power switches, whose operation in switching mode is not followed by the large high-frequency interference, and since they are conductive EMI filters both when saturated and not saturated. High levels of efficiency and PFC are ensured by optimal combination of PFC realization methods with the proposed methods of MagAmp power converters design. In the sixth chapter there are carried out the experimental research of MagAmp power converter’s dynamic characteristics, experimental research of MagAmp power converter with synchronous rectifier with open loop, experimental research of stabilized MagAmp power converter with synchronous rectifier. There are given examples of practical realization of power converters according to clients’ requirements. For experimental research of dynamic characteristics, a 5V, 50A MagAmp power converter was developed. In this power converter, the design method of MagAmp power converters with high level of load current, described in chapter 3, was realized. The experimental research proved high level of dynamic characteristics and absence of any overvoltage transient. Transient process finishes at the moment when the regulated value (output voltage) reaches its stable level, thus it significantly decreases its length. With cyclic 100% load change at 5 kHz frequency, transient time equals to 1.8 ms. The experimental research of MagAmp power converter with synchronous rectifier was split into two stages: open loop research, and research of stabilized MagAmp power converter. In both cases the unregulated high-frequency transistor inverter is realized using half-bridge topology. The research was carried out at input dc voltage V=310V (equivalent of the voltage of industrial frequency). It is MagAmp operation principle (load current delay in the power circuit is determined with the remagnetization time necessary for reaching the saturation level within the working half-period) that eliminates the occurrence of short-circuit currents during push-pull rectification, which allowed using synchronous rectifiers directly in MagAmp power converters. The research carried out shows that modern MOSFETs with little open channel resistance provide high efficiency of MagAmp power converter. In our case, efficiency of the power converter with the load current change range between 3-11A (within over 50% range) exceeds 94%. The results were used in the design of a controlled three-channel switching power supply for electric brakes of the electric drive system of large diameter antenna (State Scientific Production Firm TEHAS-K, Ternopil,) switching power supply of car radio scanner (Scientific Production Firm Integral, Ternopil,) power supply radio transmitting and receiving devices of systems for remote control of power objects and the accounting of electric power (Ternopil Design Office Strila, Ternopil).
High-efficiency semiconductor power converters based on high-frequency magnetic amplifiers
Keywords: дисертація; високочастотний магнітний підсилювач; прямокутна петля гістерезису; паралельна робота; синхронний випрямляч; інтервальна модель енергетичної характеристики; high-frequency magnetic amplifier; rectangular hysteresis loop; parallel operation; synchronous rectifier; interval model of energy characteristic; 621.314