Васечко Є. В. Двоступеневі DC/AC перетворювачі підвищеної ефективності

1. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії (PhD) за спеціальністю 171 – Електроніка (17 – Електроніка та телекомунікації). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2024. 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. 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 DC-AC 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. 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).