Високоефективні імпульсні нітрид-галієві енергоперетворювачі рухомих безпілотних радіосистем

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorЗіньковський, Юрій Францевич
dc.contributor.authorБурковський, Ярослав Юрійович
dc.date.accessioned2025-06-03T09:49:35Z
dc.date.available2025-06-03T09:49:35Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractБурковський 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.
dc.description.abstractotherBurkovskyi Ya. Yu. " High-efficiency switch-mode GaN energy converters for mobile unmanned radio systems." Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 172 Telecommunications and Radio Engineering. – National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kiev, 2025. This dissertation focuses on developing, refining, and comprehensively optimizing contemporary methods of analysis, modeling, design, and implementation of energy converters based on wide band gap (WBG) semiconductor structures, particularly gallium nitride (GaN) and silicon carbide (SiC). The study devotes special attention to practical applications of these semiconductors in onboard systems (including power subsystems) of radio-electronic equipment operating in unmanned aerial vehicles (UAVs) and ground-based unmanned autonomous platforms (UAPs). It addresses the growing demand for more efficient, compact, flexible, and reliable solutions, where energy efficiency, thermal stability, reliability, electromagnetic compatibility (EMC), interference mitigation, and the capacity to adapt system parameters under complex operating conditions are crucial for unmanned systems. The research demonstrates, both theoretically and experimentally, that WBG semiconductors like GaN and SiC offer several notable advantages over conventional silicon-based power electronics. These benefits include higher energy efficiency, stable function over wider temperature ranges, much higher switching frequency ceilings, and the ability to handle larger currents and voltages. A direct quadratic dependence of the minimal possible channel resistance on the maximum allowable reverse voltage was identified, along with an inverse cubic dependence on the critical electric field strength in the semiconductor. These relationships guided the analytical selection of semiconductor materials for UAV/UAP energy conversion, leading to the use of gallium nitride in particular. A major aspect of the work involves a comprehensive approach to analyzing and optimizing GaN-based energy converters. The dissertation describes theoretical and computer models developed in MATLAB/SIMULINK and SPICE, incorporating static and dynamic parasitic parameters, temperature effects, switching losses, and gate driver behavior. These models make it possible to select the converter’s structural elements, predict system characteristics in multiple operating modes, evaluate transient processes, and identify parasitic effects that influence power converters. They also help determine appropriate parameters to maximize energy efficiency. During the modeling process, the current-voltage characteristic of the selected GaN transistor and its temperature dependence were obtained. The proposed approach studies in detail the factors influencing pulse converters built on GaN and SiC. It covers parasitic phenomena, such as gate capacitances and switching losses, and provides an analytical rationale for refining power converter designs to reduce these effects. The absence of parasitic diodes in GaN transistors proves to significantly lower reverse recovery losses in synchronous step-down converter topologies, enabling stable high-frequency switching with minimal energy losses. Filter parameters were optimized and corresponding frequency response analysis were made for the converter’s output stage under different modes of operation of electric power systems, specifically continuous (CCM), discontinuous (DCM), and forced conduction (FCM) modes. This analysis considered parasitic losses, design constraints, and converter specifications, leading to both system stability and high efficiency despite practical limitations. By systematically reducing parasitic elements in the topology, switching frequencies of around 1.1 MHz were achieved in the power stage, which reduced the size and weight of the reactive components. This also increased the system’s power density and overall compactness. The work dedicates additional attention to digital control methods based on signal processing, particularly systems featuring digital feedback links compensators based on infinite impulse response filters. Such solutions enable precise adaptation of initial parameters and stable operation under varying load and external conditions. They also eliminate the need for analog compensation circuits. MATLAB/SIMULINK simulations confirm the accuracy of the digital control model and the correct choice of compensation coefficients. Minimal overshoot and ripple are observed during changes to the set voltage, indicating effective regulation and overall system stability. This approach is advantageous in high-load environments where the power system’s flexibility and adaptability must remain reliable. SPICE simulations further validate the theoretical findings and modeling data. Under maximum load conditions, the converter’s efficiency reached approximately 97.5%, closely matching analytical predictions. These simulations also confirm stable performance across a wide load range and verify that the output parameters align with stated technical requirements. Such correlation between theoretical analysis and simulations underscores the suitability of the selected design strategies and the accuracy of the element base and calculation methods. Laboratory tests and practical experiments with the proposed methods for calculation, modeling, and control of WBG-based energy converters support their practical viability. The study reveals minimized static and dynamic losses, higher switching frequencies, and improved reliability through reduced heat generation. In particular, the converter prototype demonstrated an output voltage of 11,97 V ±0.27%, with a ripple of 33 mV, which exceeded initial design goals. As a result of the implemented solutions, the converter’s efficiency rose by 5%, its mass decreased by a factor of 1,9, its volume was cut in half, its output ripple was reduced by a factor of 2,3, and its permissible output current increased by 1,5 times compared to a previously used off-the-shelf design. These advancements highlight the potential for more extensive implementation of WBG semiconductors in high-frequency converters that face stringent requirements for weight, volume, and energy efficiency. The developed power conversion systems were successfully tested on real ground and aerial drones, which are now widely used in various areas, including the defense sector. During practical trials, these designs remained functional under extreme temperatures, vibrations, and other demanding environments, sustaining their initial characteristics and high efficiency. The tests also showed that the lower weight and higher efficiency led to a 17% increase in the range of one UAV sample. Overall, this research expands the scientific and technical foundation for adopting WBG semiconductors in a wide range of energy conversion systems. The proposed theoretical, methodological, and engineering solutions may be applied to creating new high-performance, flexible, and reliable converters that meet everincreasing requirements for modern radio-electronic equipment, including powering UAV and UAP onboard systems. The integration of WBG semiconductors raises power density, improves economic indicators, reduces weight and size, and enhances operating parameter ranges, and improves power loss characterization, even in extreme conditions. These findings can guide further theoretical and experimental investigations aimed at deepening and refining WBG-based energy conversion technologies.
dc.format.extent162 с.
dc.identifier.citationБурковський, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74050
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectнітрид галію (GaN)
dc.subjectімпульс керування
dc.subjectфазочастотна характеристика
dc.subjectвольт-амперна характеристика
dc.subjectланки зворотного зв’язку
dc.subjectкоефіцієнт корисної дії
dc.subjectобробка сигналів
dc.subjectелектромагнітна сумісність (EMC)
dc.subjectзавади
dc.subjectпрограмоване посилення
dc.subjectвтрати електричної енергії
dc.subjectрежими роботи електроенергетичних систем
dc.subjectекономічні показники
dc.subjectMATLAB Simulink
dc.subjectмоделювання
dc.subjectGallium Nitride (GaN)
dc.subjectpulse control
dc.subjectfrequency response analysis
dc.subjectcurrent–voltage characteristic
dc.subjectfeedback links
dc.subjectefficiency
dc.subjectsignal processing
dc.subjectelectromagnetic compatibility (EMC)
dc.subjectinterference
dc.subjectprogrammable gain
dc.subjectpower loss characterization
dc.subjectmodes of operation of electric power systems
dc.subjecteconomic indicators
dc.subjectmodeling
dc.subject.udc621.314.1+004.94
dc.titleВисокоефективні імпульсні нітрид-галієві енергоперетворювачі рухомих безпілотних радіосистем
dc.title.alternativeHigh-efficiency switch-mode GaN energy converters for mobile unmanned radio systems
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Burkovskiy_dys.pdf
Розмір:
4.92 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (РЕ)
Дисертації (вільний доступ)