Високоефективні імпульсні нітрид-галієві енергоперетворювачі рухомих безпілотних радіосистем
Вантажиться...
Дата
2025
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Бурковський Я. Ю. «Високоефективні імпульсні нітрид – галієві енергоперетворювачі рухомих безпілотних радіосистем» – Кваліфікаційна
наукова праця на правах рукопису
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 «Телекомунікації та радіотехніка». – Національний
технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025.
Представлена дисертація присвячена розробці, удосконаленню та комплексній оптимізації сучасних методів аналізу, моделювання,
проектування та впровадження енергоперетворювачів, створених на основі напівпровідникових структур із широкою забороненою зоною (WBG), зокрема
нітриду галію (GaN) та карбіду кремнію (SiC). У цьому дослідженні значна увага приділена практичним аспектам застосування WBG-напівпровідників у
бортових системах (у тому числі системах живлення) для радіоелектронного обладнання, що функціонує у безпілотних літальних апаратах (БПЛА) та на
наземних безпілотних автономних платформах (БПА). Дане дослідження є відповіддю на зростаючу потребу у більш ефективних, компактних,
масштабованих і надійних рішеннях, де особливе значення мають енергетична ефективність, термічна стабільність, надійність, електромагнітна сумісність
(EMC), рівень завади, адаптивність параметрів системи до складних умов експлуатації, властивих безпілотним системам.
У роботі було теоретично та експериментально доведено, що напівпровідники з широкою забороненою зоною, такі як GaN та SiC, мають
низку визначних переваг порівняно з традиційними кремнієвими приладами силової електроніки. Ці переваги включають підвищену енергоефективність,
можливість стабільної роботи за ширшого діапазону температур, значно вищі граничні частоти комутації, а також здатність пропускати більші струми та
витримувати вищі напруги. Було виявлено пряму квадратичну залежність мінімально можливого опору каналу від максимально допустимої зворотньої
напруги та обернену кубічну залежність від критично допустимої напруженості електричного поля у напівпровіднику, що дозволило аналітично
обґрунтувати вибір напівпровідникової основи силового елементу для застосувань у системі енергоперетворення БПЛА / БПА, а саме нітриду галію.
Важливою складовою роботи стало створення комплексного підходу до аналізу та оптимізації енергоперетворювачів на основі нітриду галію. У межах
цього підходу було розроблено лінійку теоретичних та комп’ютерних моделей у середовищах MATLAB/SIMULINK та SPICE, що враховують статичні та
динамічні складові паразитних параметрів, температурних ефектів, динамічних та статичних втрат, а також особливості драйверів затворів.
Завдяки цим моделям стало можливим підбирати структурні компоненти та прогнозувати характеристики систем у різноманітних режимах роботи,
детально дослідити перехідні процеси, динаміку вмикання та вимикання напівпровідникових пристроїв, виявити та оцінити вплив паразитних явищ на
енергоперетворювачі, а також підібрати оптимальні параметри для забезпечення максимальної енергоефективності. У процесі моделювання була
отримана вольт-амперна характеристика обраного GaN транзистору та її температурна залежність.
Запропонований підхід включає детальне дослідження факторів, що впливають на роботу імпульсних перетворювачів, побудованих на GaN та SiC.
Зокрема, було проаналізовано вплив паразитних ефектів, таких як ємності затвора, динамічні та статичні втрати при високочастотному комутовані, а
також аналітично доведено переваги моделювання проектних параметрів енергоперетворювача, спрямованого на мінімізацію цих факторів. Доведено,
що відсутність паразитних діодів у GaN транзисторах суттєво знижує втрати зворотного відновлення у таких топологіях, як синхронний понижувальний
перетворювач і дає змогу стабільно працювати на високих частотах комутації з мінімальними втратами.
Проведена оптимізація параметрів та отримана фазочастотна характеристика вихідних фільтрів перетворювача (враховуючи різні режими
роботи електроенергетичних систем), а саме режимів безперервної (CCM) і переривчастої (DCM) провідності, а також сценаріїв примусової провідності
(FCM). Було досліджено вплив паразитних втрат, конструкційних обмежень та параметрів перетворювача, що у сукупності дозволило забезпечити
стабільність і ефективність системи при наявності реальних технічних обмежень. У результаті вдалося зберегти високі показники ККД та стабільність
вихідних параметрів за мінімальних пульсацій напруги й струму. Застосування методики зниження паразитних параметрів топології дало змогу досягнути
частоти перемикання силової частини перетворювача близько 1,1 МГц. Це позитивно вплинуло на мінімізацію розмірів та маси реактивних компонентів
вхідного і вихідного каскадів, підвищивши компактність конструкції та збільшивши питому потужність системи.
Окрему увагу приділено впровадженню цифрових методів керування на основі методів обробки сигналів, зокрема системам керування з цифровими
компенсаторами ланки зворотного зв’язку на базі фільтрів з нескінченною імпульсною характеристикою. Такий підхід забезпечив високий ступінь
адаптивності, точність встановлення вихідних параметрів та стабільність роботи перетворювача при зміні навантаження або зовнішніх умов. Цифрова
система керування дала змогу досягти поєднання гнучкості, масштабованості та програмованості, підвищуючи нечутливість контурів керування і
компенсаторів до зовнішніх впливів та змін у вибраній елементній базі, усуваючи необхідність розробки аналогових кіл компенсації. Моделювання у
MATLAB/SIMULINK підтвердило правильність розробленої керуючої моделі та оптимальне налаштування коефіцієнтів компенсації. Результати показали,
що при зміні заданої напруги відсутні суттєві перерегулювання й пульсації, що свідчить про загальну стабільність та коректну роботу регулятора системи. Це
відкриває можливості застосування таких підходів у високонавантажених середовищах, де гнучкість та адаптивність системи живлення є критично
важливими. SPICE-симуляції підкріпили отримані теоретичні висновки та модельні результати. При максимальному навантаженні було зафіксовано коефіцієнт корисної дії на рівні 97,5%, що майже дорівнює розрахунковому значенню, отриманому за допомогою запропонованої методики теоретичного аналізу. Крім того, SPICE-симуляції підтвердили стабільну роботу перетворювача у широкому діапазоні навантажень та відповідність вихідних характеристик
встановленим технічним вимогам. Це засвідчує вірність обраних проектних рішень, коректність застосованих методів моделювання та розрахунків, а
також правильність підбору елементів системи. Під час експериментальних практичних досліджень та апробацій
комплексної методики розрахунків, моделювання і керування енергоперетворювачем на основі широкозонних напівпровідників, отримані
результати показали практичну застосовність та ефективність цих підходів.
Зокрема, було продемонстровано зменшення статичних та динамічних втрат, можливість функціонування на високих частотах комутації, зростання
надійності завдяки зменшенню тепловиділення. Практичні випробування підтвердили похибку встановлення вихідної напруги на рівні 11,97 В±0,27% та
рівнем пульсацій 33мВ, що суттєво перевершує початкові технічні вимоги. Завдяки впровадженим рішенням, у ході тестування було продемонстровано
підвищення ККД перетворювача на 5%, зниження показників маси у 1,9 рази, зменшення об’єму у 2 рази, зниження пульсацій вихідної напруги у 2,3 рази та
підвищення допустимого вихідного струму у 1,5 рази порівняно із раніше використаним серійно доступним рішенням. Отримані експериментальні
результати фактично формують підґрунтя для подальшого можливого впровадження напівпровідників із широкою забороненою зоною у
високочастотні імпульсні перетворювачі, що мають критичні вимоги до масогабаритних та енергоефективних параметрів.
Розроблені енергоперетворювальні системи пройшли успішні випробування на реальних наземних та повітряних дронах, які зараз активно
застосовуються у різноманітних сферах, у тому числі у оборонній сфері. На практиці підтверджено, що модульність і масштабованість конструкцій систем
живлення на основі GaN-технологій дає змогу адаптувати такі енергоперетворювачі до різних вимог, узгоджуючи їх із характеристиками
бортового радіоелектронного обладнання конкретних безпілотних платформ. В ході експлуатаційних випробувань розроблені конструкції підтвердили
стійкість до екстремальних температур, вібрацій та інших складних умов, зберігаючи при цьому високу надійність, стабільність вихідних характеристик
та ефективність. Також експериментально підтверджено, що за рахунок підвищення ККД, зниження показників маси та зменшення об’єму, дальність
дії тестового зразка БПЛА зросла на 17%.
Загалом, результати цього дослідження доповнюють науково-технічне підґрунтя для більш широкого впровадження напівпровідників із широкою
забороненою зоною в енергоперетворювальні системи різного призначення. Запропоновані теоретичні, методичні та інженерні рішення можуть бути
використані для розробки нових високоефективних, масштабованих та надійних систем енергоперетворення, що відповідатимуть зростаючим
вимогам сучасної радіоелектронної апаратури та забезпечуватимуть нижчі втрати електричної енергії, включно із вимогами до живлення бортових систем
БПЛА та БПА. Інтеграція WBG-напівпровідників дозволяє підвищити питому потужність, зменшити масогабаритні та економічні показники, дозволяє покращити та розширити діапазони робочих параметрів та забезпечити стабільну роботу за екстремальних умов. Отримані результати можуть стати
основою для подальших комплексних теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на глибше розуміння і вдосконалення технології
енергоперетворення на основі WBG-напівпровідників.
Опис
Ключові слова
нітрид галію (GaN), імпульс керування, фазочастотна характеристика, вольт-амперна характеристика, ланки зворотного зв’язку, коефіцієнт корисної дії, обробка сигналів, електромагнітна сумісність (EMC), завади, програмоване посилення, втрати електричної енергії, режими роботи електроенергетичних систем, економічні показники, MATLAB Simulink, моделювання, Gallium Nitride (GaN), pulse control, frequency response analysis, current–voltage characteristic, feedback links, efficiency, signal processing, electromagnetic compatibility (EMC), interference, programmable gain, power loss characterization, modes of operation of electric power systems, economic indicators, modeling
Бібліографічний опис
Бурковський, Я. Ю. Високоефективні імпульсні нітрид-галієві енергоперетворювачі рухомих безпілотних радіосистем : дис. … д-ра філософії : 172 Телекомунікації та радіотехніка / Бурковський Ярослав Юрійович. – Київ, 2025. – 162 с.