ДОСЛІДЖЕННЯ ТОЧНОСТІ МОДЕЛЮВАННЯ ВТРАТ ПОТУЖНОСТІ В СИЛОВИХ ДІОДАХ І ТРАНЗИСТОРАХ
DOI:
https://doi.org/10.18664/1994-7852.203.2023.277905Ключові слова:
Matlab, Multisim, IGBT, MOSFET, моделювання, транзистор, втрати потужності, вольт-амперна характеристикаАнотація
Наведено методологію моделювання статичних і динамічних втрат потужності в силових IGBT- та MOSFET-транзисторах у програмних середовищах Matlab і Multisim. Показано, що при моделюванні процесів комутації в силових транзисторах програмне середовище Matlab / Simulink не дає змогу визначати динамічні складові втрат потужності, а саме енергії ввімкнення транзистора, вимкнення транзистора, а також відновлення силових діодів. При цьому моделювання статичних втрат потужності силових діодів і транзисторів у Matlab/Simulink проводиться з суттєвою похибкою через некоректне подання вольт-амперних характеристик. Показано, що для більш коректного і точного моделювання роботи силових транзисторів, у тому числі втрат потужності в силових ключах, доцільніше проводити моделювання в програмному середовищі Multisim, що враховує більше 47 параметрів, включаючи температурні характеристики, паразитні вхідні та вихідні ємності і індуктивності, нелінійності вольт-амперних характеристик та інші. У програмному середовищі Multisim розроблено схему напівмостового інвертора з силовими MOSFET-транзисторами, керування якими виконує драйвер IR2104PBF. Показано, що на комутацію силових транзисторів суттєво впливають параметри мікросхеми драйвера, а саме величина накопичувального конденсатора драйвера, а також величина активного опору затворного резистора. Показано, що моделювання в Multisim коректно відображує перехідні процеси ввімкнення та вимкнення силових транзисторів і зворотного відновлення діодів, що дає змогу визначати динамічні втрати силових діодів і силових транзисторів.
Посилання
Plakhtii O., Nerubatskyi V., Hordiienko D. Efficiency analysis of DC-DC converter with pulse-width and pulse-frequency modulation. 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO). 2022. P. 571–575. DOI: 10.1109/ELNANO54667.2022.9926762.
Nerubatskyi V., Plakhtii O., Hordiienko D., Mykhalkiv S., Ravlyuk V. A method for calculating the parameters of the sine filter of the frequency converter, taking into account the criterion of starting current limitation and pulse-width modulation frequency. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2021. Vol. 1, No. 8 (109). P. 6–16. DOI: 10.15587/1729-
2021.225327.
Hardan S. S., Hairik H. A., THejeel R. Matlab/Simulink-Based Modeling of Typical Inductive Power Transfer (IPT) System. 2020 6th IEEE International Energy Conference (ENERGYCon). 2020. P. 86–92. DOI: 10.1109/ENERGYCon48941.2020. 9236534.
Srikanta K., Ray O. Development of MATLAB-based User-Interactive Tool for Inductor Design in Power Converters. 2021 National Power Electronics Conference (NPEC). 2021. P. 1–6. DOI: 10.1109/NPEC52100.2021.9672488.
Plakhtii O., Nerubatskyi V., Mykhalkiv S., Hordiienko D., Shelest D., Khomenko I. Research of energy characteristics of three-phase voltage source inverters with modified pulse width modulation. 2021 IEEE 2nd KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek). 2021. P. 422–427. DOI: 10.1109/KhPIWeek53812.2021. 9570071.
Nerubatskyi V. P., Plakhtii O. A., Tugay D. V., Hordiienko D. A. Method for optimization of switching frequency in frequency converters. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2021. No. 1 (181). P. 103–110. DOI: 10.33271/nvngu/2021-1/103.
Bouzida A., Abdelli R., Ouadah M. Calculation of IGBT power losses and junction temperature in inverter drive. 2016 8th International Conference on Modelling, Identification and Control (ICMIC). 2016. P. 768–773. DOI: 10.1109/icmic.2016.7804216.
Gervasio F., Mastromauro R., Liserre M. Power losses analysis of two-levels and threelevels PWM inverters handling reactive power. IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). 2015. Р. 1123–1128. DOI: 10.1109/icit. 2015.7125248.
Tran D., Lefebvre S., Avenas Y. Discrete Power Semiconductor Losses Versus Junction Temperature Estimation Based on Thermal Impedance Curves. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. 2020. Vol. 10, No. 1. P. 79–87.
DOI: 10.1109/TCPMT.2019.2939617.
Duan Y., Iannuzzo F., Blaabjerg F. A New Lumped-Charge Modeling Method for Power Semiconductor Devices. IEEE Transactions on Power Electronics. 2020. Vol. 35, No. 4. P. 3989–3996. DOI: 10.1109/TPEL.2019.2938104.
Plakhtii O., Nerubatskyi V., Hordiienko D., Sushko D., Syniavskyi A., Shelest D. Thermalpowerloss approximation method for determination of efficiency in semiconductor devices. 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO). 2022. P. 456–461. DOI: 10.1109/ELNANO54667. 2022.9926756.
Plakhtii O., Nerubatskyi V., Hordiienko D. Research of Operating Modes and Features of Integration of Renewable Energy Sources into the Electric Power System. 2022 IEEE 8th International Conference on Energy Smart Systems (ESS). 2022. P. 133–138.
DOI: 10.1109/ESS57819.2022.9969337.
Yang H.-C., Simanjorang R., See K. Y. A Method of Junction Temperature Estimation for SiC Power MOSFETs via Turn-on Saturation Current Measurement. IEEJ Journal of Industry Applications. 2019. Vol. 8. P. 306–313. DOI: 10.1541/ieejjia.8.306.
Tuluhong A., Wang W., Li Y., Wang H., Xu L. Research on Modelling and Stability Characteristics of Electric Traffic Energy System Based on ZVS-DAB Converter. Journal of Electrical and Computer Engineering. 2020. P. 1–10. DOI: 10.1155/2020/5450628.
Donuk H., Gumus B. A New Soft-Switching Control Technique and Loss Analysis for Parallel Resonant DC-Link Inverter Connected to the Grid. Tehnicki Vjesnik-technical Gazette. 2022. DOI: 10.17559/tv-20220105203656.
Pillay Т., Saha А. Analysis and simulation of flying capacitor multilevel inverter using PDPWM strategy. International Conference on Innovative Mechanisms for Industry Applications (ICIMIA). 2017. Р. 1061–1070.
Ahmadzadeh Т., Sabahi М., Babaei М. Modified PWM control method for neutral point clamped multilevel inverters. 14th International Conference on Electrical Engineering / Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON). 2017. Р. 765–768.
Saito W., Nishizawa S. Alternated Trench-Gate IGBT for Low Loss and Suppressing Negative Gate Capacitance. IEEE Transactions on Electron Devices. 2020. Vol. 67, No. 8. P. 3285–3290. DOI: 10.1109/TED.2020.3002510.
Amirpour S., Thiringer T., Hagstedt D. Power Loss Analysis in a SiC/IGBT Propulsion Inverter Including Blanking Time, MOSFET’s Reverse Conduction and the Effect of Thermal Feedback Using a PMSM Model. IECON Proceedings (Industrial Electronics Conference). 2020. P. 1424–1430. DOI: 10.1109/IECON43393.2020. 9254297.
Josias W., Tavares G., Soares G., Almeida P., Braga H. Switching losses prediction methods orientedto power MOSFETs – a review. IET Power Electron. 2020. Vol. 13, Is. 14. P. 2960–2970. DOI: 10.1049/iet-pel.2019.1003.
Kumar A., Vechalapu K., Bhattacharya S., Veliadis V., Brunt E., Grider D., Sabri S., Hull B. Effect of capacitive current on reverse recovery of body diode of 10kV SiC MOSFETs and external 10kV SiC JBS diodes. 2017 IEEE 5th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and
Applications (WiPDA). 2017. P. 208–212. DOI: 10.1109/WiPDA.2017.8170548.
Za’im R., Jamaludin J., Yusof Y., Abd Rahim N. High Step-Up Flyback with LowOvershoot Voltage Stress on Secondary GaN Rectifier. Energies. 2022. Vol. 15. P. 5092. DOI: 10.3390/en15145092.
Xu Y., Ho C., Ghosh A., Muthumuni D. An Electrical Transient Model of IGBT-Diode Switching Cell for Power Semiconductor Loss Estimation in Electromagnetic Transient Simulation. IEEE Transactions on Power Electronics. 2020. Vol. 35, No. 3. P. 2979–2989.
DOI: 10.1109/TPEL.2019.2929113.
Turzynski M., Bachman S., Jasinski M., Piasecki S., Rylko M., Chiu H.-J., Kuo S.-H., Chang Y.-C. Analytical Estimation of Power Losses in a Dual Active Bridge Converter Controlled with a Single-Phase Shift Switching Scheme. Energies. 2022. Vol. 15. P. 8262.
DOI: 10.3390/en15218262.
Luo C., Li Z., Lu T.-T., Xu J., Guo G.-P. MOSFET characterization and modeling at cryogenic temperatures. Cryogenics. 2019. Vol. 98. P. 12–17.
Pourghaderi M. A. Universality of short-channel effects on ultrascaled MOSFET performance. IEEE Electron Device Lett. 2018. Vol. 39, No. 2. P. 168–171.
Mohammadi M. R. A Lossless Turn-on Snubber for Reducing Diode Reverse RecoveryLosses in Bidirectional Buck/Boost Converter. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2020. Vol. 67, No. 2. P. 1396–1399. DOI: 10.1109/TIE. 2019.2901642.
Pulvirenti M., Sciacca A. G., Salvo L., Nania M., Scelba G., Scarcella G. Body Diode Reverse Recovery Effects on SiC MOSFET Half-Bridge Converters. 2020 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). P. 2871–2877. DOI: 10.1109/ECCE44975.2020.9236330.
Yongmao C., Jiayu W., Tianyu L. Control operation circuit system design and simulation based on Multisim 13.0. 2020 7th International Conference on Information Science and Control Engineering (ICISCE). 2020. P. 2331–2335. DOI: 10.1109/ICISCE50968.2020.00457.
Fan Y., Zhang M., Li J. Improvement of Power Factor and its Multisim Simulation. 2020 IEEE International Conference on Power, Intelligent Computing and Systems (ICPICS). 2020. P. 766–769. DOI: 10.1109/ICPICS50287.2020.9202231.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
