автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка и исследование методов мягкой коммутации в трехфазных автономных инверторах напряжения

На правах рукописи 005004551

Воронин Игорь Павлович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ МЯГКОЙ КОММУТАЦИИ В ТРЕХФАЗНЫХ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРАХ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.09.12 - «Силовая электроника»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Москва 2011

005004551

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре промышленной электроники.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Щепкин Николай Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Розанов Юрий Константинович

кандидат технических наук Калугин Николай Георгиевич

Ведущая организация: ЗАО «Московский Прожекторный

Завод»

Защита состоится «23» декабря 2011 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, аудитория Е-603.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «-/У » 11 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.12, к.т.н., доцент

.Ремизевич Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Энергоэффективность и энергосбережение являются приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации на ближайшие годы.

Решение проблем энергосбережения основано на использовании высокоэффективных преобразователей электрической энергии, построенных на базе силовых интегральных модулей. При этом для достижения максималького уровня энергосбережения необходимо применение силиъыл схем с минимальным уровнем потерь.

Регулирование мощности в силовых преобразователях осуществляется двумя основными методами:

■ методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), когда при постоянном периоде коммутаций изменяется коэффициент заполнения;

■ резонансным методом, при котором процесс регулирования осуществляется изменением частоты коммутаций.

Импульсные преобразователи с ШИМ регулированием являются наиболее распространенными схемами силовой электроники. Однако процессы коммутаций в данных преобразователях носят жесткий характер и сопровождаются резким изменением токов и напряжений, что приводит к значительным динамическим потерям мощности. Жесткая коммутация существенно ограничивает частоту переключений и снижает эффективность импульсных преобразователей.

Форма токов и напряжений в резонансных преобразователях, наоборот, носит плавный (синусоидальный) характер. Силовые ключи в таких схемах коммутируются при нулевых токах и напряжениях, что значительно снижает их динамические потери. Однако, за счет повышенных амплитудных и действующих значений токов и напряжений, потери проводимости в резонансных схемах намного выше, чем в импульсных.

Компромиссным решением проблемы снижения суммарных потерь мощности являются преобразователи с квазирезонансной коммутацией. Данные преобразователи, как правило, строятся по топологии импульсных схем с ШИМ - регулированием путем замены в них обычных силовых ключей на резонансные. Коммутация в резонансном ключе протекает либо при нулевом токе, либо при нулевом напряжении с помощью относительно короткого по времени резонансного процесса, который носит вспомогательный характер и по этой причине называется квазирезонансным. Квазирезонансная коммутация эффективно снижает динамические потери и, в отличие от обычных резонансных преобразователей, не приводит к существенному росту статических потерь. Такие преобразователи способны работать в значительно более высоком диапазоне частот коммутаций, имеют лучшие энергетические характеристики и большую удельную мощность.

К числу наиболее распространенных классов устройств силовой электроники относятся автономные инверторы напряжения (АИН).

Разработка методов квазирезонансной коммутации для АИН является в настоящее время актуальной задачей.

В схемах АИН применяются мощные и высоковольтные полупроводниковые ключи, особенностью коммутации которых является наличие относительно медленных интервалов установления стационарных состояний. Применение в АИН квазирезонансной коммутации с запиранием силовых ключей при нулевом токе не позволяет эффективно снижать потери мощности в переходном процессе включения, которые дополнительно увеличиваются за Счел эффекта динамически и насыщения. С другой стороны, при квазирезонансной коммутации с отпиранием силовых ключей при нулевом напряжении сохраняются значительные потери мощности в йереходном процессе выключения, дополнительно возрастающие за счет эффекта остаточного тока. Очевидно, что наиболее рациональным решением было бы применение в АИН двусторонней квазирезонансной коммутации, обеспечивающей отпирание ключей инвертора при нулевом напряжении и их запирание при нулевом токе. Однако такого технического решения, применительно к трехфазным инверторам напряжения, на начало выполнения диссертационных исследований не существовало.

Отдельной проблемой применения мягкой коммутации в АИН является получение более высокого КПД по сравнению с режимом жесткой коммутации. Топология резонансного ключа, применяемого в инверторах напряжения с ШИМ - регулированием, кроме пассивных элементов резонансного контура включает в себя также вспомогательные транзисторы и диоды. Поэтому необходимо, чтобы доля энергии динамических потерь, отводимых от основных ключей инвертора, была как можно больше дополнительных потерь, вносимых в схему элементами резонансного звена.

В известных источниках информации отсутствует также оценка влияния процессов мягкой коммутации на качество формируемого выходного напряжения АИН.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании нового метода мягкой коммутации применительно к трехфазным инверторам напряжения, обеспечивающего более значительное в сравнении с известными решениями снижение динамических потерь в ключевых элементах схемы за счет их отпирания при нулевом напряжении и запирания при нулевом токе.

Задачи диссертации. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

■ Разработка нового метода мульти-резонансной коммутации, обеспечивающего переключение ключевых элементов инвертора при ; нулевом напряжении и токе.

* Аналитический вывод критерия реализации метода в полном диапазоне тока нагрузки инвертора.

■ Разработка базовых вариантов инверторов напряжения с мульти-резонансной коммутацией.

■ Математическая оценка влияния процессов мягкой коммутации на качество выходного напряжения АИН, получение регулировочных и энергетических характеристик инвертора.

Методика исследований. Для решения поставленных задач применялись методы аналитического и численного решения интегральных и дифференциальных уравнений, методы схемотехнического моделирования с использованием пакета компьютерных программ OrCAD 9.2 и модуля аналого-цифрового моделирования PSpice Analog Digital, а также программ

MI!U'f41!'niH.TY м 1 J<1 III. ) V ТЛ>1 ^тцЧ-гг*Г5 Yf.ltVl ,1 у, rvna^-тлт..тт >v Л 1(V

I " * * J """'* """" >4 ^LWVipUlUJUiA ШЧ/ЛИЦ UJUlt

Excel. При проведении экспериментальных исследований использовалось программное обеспечение WSTRO WaveStar Software.

Достоверность научных результатов обеспечена корректным применением математических методов, использованием схемотехнического моделирования, а . также сравнением теоретических выводов с экспериментальными данными.

Научная новизна:

* Предложен новый метод мульти-резонансной коммутации, обеспечивающий переключение ключевых элементов инвертора при нулевом напряжении и токе.

■ Получен математический критерий реализации метода мульти-резонансной коммутации в полном диапазоне тока нагрузки.

■ Разработана методика расчета и выбора параметров мульти-резонансной схемы при заданном коэффициенте нагрузки.

■ Разработаны базовые варианты трехфазных инверторов напряжения с мульти-резонансной коммутацией, защищенные патентами на полезную модель.

Практическая полезность:

■ Применение метода мульти-резонансной коммутации позволяет значительно снизить энергию динамических потерь в ключевых элементах инвертора, повысить частоту преобразования и КПД схемы.

" Разработанный метод мягкой коммутации является универсальным и может быть применен ко всем типам силовых полупроводниковых ключей, что позволяет использовать его в инверторах напряжения с широкой элементной базой.

■ Предложенный способ управления ключами инвертора с фиксированным временем коммутации позволяет применять разработанный мульти-резонансный метод без внесения изменений в «классическую» ШИМ - последовательность логических сигналов управления.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы получили практическое внедрение в ОАО «НПО «ЭНЕРГОМОДУЛЬ» при создании опытной партии энергосберегающих силовых модулей и серии статических преобразователей частоты высокой удельной мощности, а также в ОАО «НПО «ТРАНСКОМ» при разработке источников бесперебойного питания аппаратуры связи.

Основные положения, выносимые на защиту:

■ Метод мульти-резонансной коммутации.

■ Математический критерий реализации мягкой коммутации в полном диапазоне тока нагрузки инвертора.

■ Методика расчета параметров мульти-резонансного звена.

т Алгоритм управления ключами инвертора с фиксированным временем коммутации.

■ Базовые варианты инверторов напряжения с мульти-резонансной коммутацией.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры промышленной электроники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», а также на XV, XVI и XVII Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».

Исследование видов мягкой коммутации для трехуровневых инверторов напряжения выполнено при поддержке «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».

Результаты диссертационного исследования отмечены: дипломом победителя VIE ежегодной выставки и конференции «Russia Power 2010» в номинации «Энергоэффективность и энергосбережение»; дипломом X Всероссийской выставки НТТМ - 2010; дипломом победителя конкурса «Молодые таланты Москвы - 2010» в номинации «Наука и инновации»; почетной грамотой победителя программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса - 2010».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 17 научных работах, из которых две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Содержит 195 страниц текста, 24 таблицы и 134 рисунка. Список литературы содержит 140 наименований на 13 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, дана краткая характеристика работы.

В главе 1 проведена систематизация известных методов мягкой коммутации доя трехфазных инверторов напряжения. Рассмотрены схемные решения как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока инвертора, в том числе и для трехуровневых схем. Показано, что в • трехфазных инверторах напряжения энергетически наиболее выгодно применение схем с мягкой коммутацией на стороне переменного тока.

Практическое применение находят варианты схем со следующими признаками:

' Включение_пщ_нулевом токе и выключение при нулевом

напряжении СПНТ-НШ.

Данный вариант реализуется, как правило, с помощью пассивных демпферных цепей, ограничивающих скорость нарастания тока при включении и напряжения при выключении. Очевидно, что реализация нулевых токов и напряжений при этом является достаточно условным и не позволяет эффективно снижать энергию коммутационных потерь, особенно на медленных интервалах установления стационарных состояний. При этом

дополнительных резисторах, что снижает КПД преобразователя.

" Включение и выключение при нулевом напряжении (ПНИ-НН).

В данном варианте (рис.1) используется схема с параллельной квазирезонансной коммутацией при нулевом напряжении, применяемая в переходном процессе включения. В рассматриваемой схеме резонансный дроссель располагается вне цепи силового ключа инвертора, при этом параллельно к основным ключевым компонентам присоединяются дополнительные конденсаторы относительно большой емкости.

Процесс запирания основных ключей инвертора в данной схеме протекает при условно нулевом напряжении. Демпферный характер мягкой коммутации способствует лишь частичному снижению энергии динамических потерь при выключении, особенно на интервале остаточного тока. Существует также дополнительная проблема значительных динамических потерь во вспомогательных ключах резонансного звена из-за их жесткого запирания.

" Включение и выключение при нулевом токе (ПНТ-НТ1.

В данном варианте (рис.2) используется схема с последовательной квазирезонансной коммутацией, применяемая в переходном процессе выключения. Разработано несколько разновидностей схемы, при которых резонансный дроссель дополнительно используется для формирования плавно нарастающего тока в силовом ключе при его отпирании.

Однако демпферный характер коммутации с ограничением скорости нарастания тока в ключе при его отпирании способствует лишь частичному снижению энергии динамических потерь. Это обусловлено тем, что, во-первых, в рассматриваемом варианте не проводится предварительного

энергия, отведенная от силовых ^г™™*'

Рис. 1. Схема ПНН-НН с параллельным резонансным контуром

разряда собственных выходных емкостей силовых транзисторов инвертора перед их включением. Во-вторых, ток перезаряда конденсатора контура, максимум которого приходится на интервал динамического насыщения, приводит к дополнительным потерям мощности.

Для практического применения наиболее эффективным было бы применение двусторонней квазирезонансной коммутации, обеспечивающей отпирание ключей инвертора при нулевом напряжении и их запирание при нулевом токе (вариант ПНН-НТУ Однако данный вариант мягкой коммутации применительно к трехфазным инверторам напряжения на момент проведения диссертационных исследований отсутствовал.

Основные проблемы схемотехнической реализации метода двусторонней квазирезонансной коммутации связаны со следующими причинами. Во-первых, резонансное звено в такой схеме не должно содержать большого числа дополнительных элементов, перегружающих схему инвертора. Во-вторых, существующие элементы резонансного звена должны обладать свойством универсальности, т.е. они должны быть применимы как в процессе отпирания ключа, так и при его запирании. В-третьих, резонансный контур звена должен обеспечивать в общем случае отличные друг от друга резонансные частоты коммутаций в переходных процессах включения и выключения.

Проведенная систематизация известных методов мягкой коммутации применительно к трехфазным инверторам напряжения позволила установить их относительную неэффективность на медленных интервалах установления. И перед началом поиска новых решений потребовалось получить ответ на вопрос: какова доля динамических потерь на интервалах установления стационарных состояний силовых ключей инвертора?

В главе 2 проведены экспериментальные исследования процессов жесткой коммутации (рис.3) в ключевых элементах АИН. Исследовались отечественные силовые модули М2ТКИ на базе отечественных транзисторных кристаллов КРТ ЮВТ с прозрачным эмиттером 12-го класса напряжения и средним током 100А.

Установлено, что зависимость энергии динамических потерь при жесткой коммутации является линейной функцией тока нагрузки /н и

+Е

Рис. 2. Схема ПНТ-НТ с последовательным резонансным контуром

степенной функцией напряжения питания схемы Е (рис.4). Данная энергия в мДж может быть представлена эмпирической формулой:

г»<о

р(0

а) б)

Рис. 3. Осциллограммы «жесткой» коммутации: а - при включении [СВТ; б - при выключении 1СВТ

Исследованы процессы установления стационарных состояний ключевых элементов инвертора. Получены математические модели для напряжения динамического насыщения и остаточного тока ключа.

а) б)

Рис. 4. Зависимость энергии динамических потерь: а - от тока нагрузки; б - от напряжения питания

Установлено, что энергия потерь на интервалах установления вносит существенный вклад в суммарную энергию динамических потерь. Ее доля от полной энергии коммутационных потерь в рабочем диапазоне напряжений составляет от 27% до 39% . Относительная величина потерь на интервалах установления практически не зависит от тока нагрузки и увеличивается с ростом напряжения питания схемы.

Показано, что из-за влияния процессов установления реализуемое традиционными схемами мягкой коммутации относительное смещение фронтов тока и напряжения не является достаточным условием

эффективного снижения энергии динамических потерь в ключевых элементах.

В главе 3 разработан новый метод «мульти-резонансной» коммутации (МРК), обеспечивающий в каждом такте включение силовых ключей инвертора при нулевом напряжении и их выключение при нулевом токе.

Топология данной схемы (рис.5) представляет собой гибрид варианта ПНН-НН с параллельным резонансным контуром (рис.1) и варианта ПНТ-НТ с последовательным резонансным контуром (рис.2), количество реактивных которого оптимизировано пс признаку независимого накопителя энергии. Однако данное объединение не является механическим и обладает новыми качественными свойствами.

Показано, что частота резонансного процесса, при которой на основном ключе реализуется нулевое напряжение, отличается от частоты резонансного процесса, при которой в данном ключе реализуется нулевой ток.

и«э(Ц

вд)

исн-1) /

П.х(»)

4.00ДС ¡ц-^но.зообй?

б)

Рис. 5. Метод мульти-резонансной коммутации: а - подключение мульти-резонансного звена к отдельной фазе; б - осциллограммы полного цикла коммутаций

Получен математический критерий выполнения условий мягкой коммутации, отражающий связь коэффициента нагрузки схемы ^ с коэффициентом отношения резонансных частот л:

(2)

где % = - коэффициент нагрузки; Я = — - коэффициент

Е ш.

отношения

резонансных частот; рк = л11к/Ск - волновое сопротивление; юк =1ЦькСк -резонансная частота ПНТ; со0 = 1ЦькСх - резонансная частота ПНН; 1н -амплитуда тока нагрузки; Е - напряжение питания схемы.

Полученный критерий не зависит от инерционности применяемых в схеме ключей и определяется параметрами мульти-резонансного контура и электрическими характеристиками схемы.

Введено понятие и получено математическое выражение коммутационной характеристики схемы как способности к реализации условий нулевого напряжения или тока в полном диапазоне тока нагрузки. Математически коммутационная характеристика представляет собой зависимость длительности интервала протекания тока через встречно-параллельный диод ключа в процессе мягкой коммутации от тока нагрузки. При этом граничным условием мягкой коммутации называется нулевое значение данного временного интервала.

а у л шцпп иш^^п воюиД

соответствии граничного условия переключения при нулевом напряжении граничному условию переключения при нулевом токе.

Разработана методика расчета и выбора параметров мульти-резонансной схемы при заданном коэффициенте нагрузки.

В главе 4 проведено экспериментальное исследование влияния параметров мульти-резонансной схемы на характеристики мягкой коммутации (рис.6).

и*э(1)

гт

1х(0

кз! Уоо в ] вз ГШ е"~1

мат. | ТооШ'

а) б)

Рис. 6. Осциллограммы «мягкой» коммутации: а - при включении 1СВТ; б - при выключении ГСВТ

Рис. 7. Зависимость энергии динамических потерь от тока нагрузки при «жесткой» и «мягкой» коммутации

Установлено, что метод МРК обеспечивает снижение энергии динамических потерь на 80-90%, в том числе и на интервалах установления стационарных состояний (рис.7).

Экспериментально получены коммутационные характеристики мульти-резонансной схемы для переходных процессов ПНН и ПНТ (рис.8). Исследовано влияние емкости конденсатора Сх на параметры коммутационных характеристик. Установлено, что максимальная коммутационная способность схемы реализуется при величине емкости Сх равной половине от граничного значения.

Показано, что накопленный в противофазном диоде заряд увеличивает коммутационную способность схемы в переходном процессе включения, и. наоборот, снижает сс б переходном процессе выключения.

Рис. 8. Экспериментальные коммутационные характеристики МРК: а - в переходном процессе ПНН; б - в переходном процессе ПНТ

Проведено экспериментальное исследование мягкой коммутации в граничных режимах ПНН и ПНТ. Показано, что граничное условие переключения при нулевом напряжении соответствует граничному условию переключения при нулевом токе только при использовании высокочастотных противофазных диодов с относительно малым зарядом восстановления.

В главе 5 рассмотрены базовые варианты инверторов напряжения с мульти-резонансной коммутацией.

н

Рис. 9. АИН с МРК на стороне переменного тока

Для схемы МРК в цепи переменного тока инвертора (рис.9) разработан алгоритм переключения основных и вспомогательных ключей.

Теоретически рассчитаны и экспериментально определены (рис.10) области допустимых значений задержек импульсов управления основными транзисторами инвертора относительно фронтов логического ШИМ- сигнала.

Показано, что для реализации способа управления с фиксированным временем коммутации применяемая схема МРК должна обладать соответствующей коммутационной характеристикой.

Рис. 10. Области допустимых значений задержек импульсов управления основными транзисторами инвертора: а - для основного транзистора; б - для противофазного транзистора

Рассмотрено применение мульти-резонансной схемы в цепи постоянного тока АИН (рис.11) и в цепи постоянного тока активного выпрямителя напряжения - АВН (рис.12).

Проведен анализ, моделирование и экспериментальное исследование процессов мягкой коммутации. Показано, что АВН можно рассматривать как обращенный инвертор напряжения относительно основных интервалов мягкой коммутации.

Рис. 11. АИН с МРК на стороне постоянною тока

1вых

Т1

ТЗ

Г5Д

Ьа Л

ЬЬ В

Ьс

Т2/ 1 Т47 1 Т6/

Рис. 12. АВН с МРК на стороне постоянного тока

коммутации в

Рассмотрено применение мульти-резонансной многоуровневых инверторах напряжения.

Проведен анализ, моделирование и экспериментальное исследование процессов мягкой коммутации для трехуровневой схемы инвертора (рис.13).

Показано, что процессы коммутации в трехуровневом инверторе могут быть сведены к последовательной по времени работе двух эквивалентных полумостовых схем, в первой из которых ток нагрузки коммутируется между ключами 77 и ТЗ, а во второй между ключами Т4 к Т2.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы

« Процессы МРК ключей 77 и Т4, входящих в так называемый «короткий» контур коммутации трехуровневого инвертора, качественно аналогичны процессам МРК основных ключей двухуровневого инвертора напряжения.

■ Ключи Т2 и ТЗ, входящие в так называемый «длинный» контур коммутации трехуровневого инвертора, отделены от соответствующих мульти-резонансных контуров последовательными фиксирующими диодами #5 и Об. Поэтому условие ПНН для данных ключей зависит от величины емкости конденсаторов Сх1 и Сх2, подключенных параллельно фиксирующим диодам схемы. При относительно малом значении емкости Сх разряд собственных выходных емкостей ключей Т2 и ТЗ будет не полным.

■ В процессе МРК ключей Т2 и ТЗ обратные токи коммутации, минуя встречно-параллельные диоды данных ключей, замыкаются ' через фиксирующие диоды £5 и М, что частично снижает потери проводимости в обратных диодах ключей Т2 и ТЗ.

Показано применение мульти-резонансной коммутации в схеме .V-уровневого инвертора напряжения. Полный цикл коммутаций в ТУ-уровневой схеме сводится к последовательной по времени работе (N-1) эквивалентных полумостовых схем. При этом мягкая коммутация в Л-уровневой схеме может быть обеспечена с помощью (N-1) мульти-резонансных звеньев, подключаемых к цепи переменного тока многоуровневого инвертора.

Рис. 13. Трехуровневый АИИс МРК на стороне переменного тока

В главе 6 при помощи метода спектрального моделирования проведено исследование влияния мягкой коммутации на качество выходного напряжения АИН. Была дана математическая оценка ошибки, вносимой мульти-резонансной схемой в значение коэффициента заполнения импульсов, которая затем учитывалась в кривой управляющего ШИМ -сигнала инвертора. С учетом влияния МРК были рассчитаны осциллограммы токов и напряжений инвертора (рис.14), а также их спектральные характеристики (табл.1).

Рис. 14. Расчетные осциллограммы по методу спектрального моделирования: а - фазного напряжения; б - фазного тока

В спектре выходного напряжения можно выделить область низких частот, в которой присутствует только основная гармоника с частотой равной выходной частоте инвертора, и область комбинационных частот, расположенных вблизи частоты коммутации.

Совокупность комбинационных гармоник вблизи частоты коммутации была представлена эквивалентной комбинационной гармоникой Сже.

Качество выходного напряжения оценивалось величиной коэффициента комбинационных гармоник, равного отношению амплитуды

эквивалентной комбинационной гармоники к амплитуде основной гармонической составляющей:

(3)

где С, - амплитуда первой гармоники выходного напряжения инвертора.

Таблица 1. Результаты спектрального моделирования

: т ^ Жесткая коммутация ] 1 .М,.._ о-4 ............ 0.8 ... 6\9 1 127,9 [ 191,6 Т 255.5"""*!

1 а, в

Г кг.К. -1'364 Л. 1'219 П 1.004 0,755 |

Мягкая коммутация

т ________0,2 ___ 0,4 Т~ 0,6 0,8* !

Г........С/, В _________1 126,2 | 188,2 11 248,2 *]

1 кг.к. .....1,366 1,226 ! 1,022 Т 0.778 "1

Влияние мягкой коммутации на коэффициент заполнения импульсов приводит к дополнительному росту гармонических составляющих в области комбинационных частот в спектре выходного напряжения инвертора. Однако относительное увеличение коэффициента комбинационных гармоник при этом составляет не более 4,0%.

По результатам спектрального моделирования получена регулировочная характеристика инвертора напряжения с мягкой коммутацией (рис.15).

Рис. 15. Регулировочная характеристика АИН с МРК

Проведен расчет энергетических характеристик инвертора в режимах жесткой и мягкой коммутации (рис.16). Представлена методика расчета дополнительных потерь в основных и вспомогательных элементах инвертора, вносимых в схему мульти-резонансным процессом.

В силу специфики применяемой мягкой коммутации, мощность дополнительных потерь проводимости, вносимых в схему АИН элементами

резонансного звена, растет при снижении тока нагрузки и наоборот. При этом на энергетических характеристиках инвертора (рис.16а) можно выделить две области, в одной из которых применение метода МРК повышает эффективность процесса преобразования в сравнении с режимом жесткой коммутации, а в другой, наоборот, снижает.

Был рассмотрен способ оптимизации потерь в ключевых элементах инвертора в диапазоне регулирования выходной мощности инвертора. Для этого в каждом такте переключения были рассчитаны отдельные

Г.ПС.ТЯТ?Т75Ггт№а*Р ГТПТТЛ ггаыт*» то истл' ттлтот кополпл^. ш' - .... ----- :-------

------------------------------------ ««.у^и оп, Х,ЦС ИПДЬЛС I

номером коммутации, который на полупериоде выходной частоты инвертора изменяется от 1 до N/2. Затем составляющие мощности Р'т были преобразованы в «кванты» энергии дополнительных потерь

(4)

ы ы

где Д - частота коммутации ключевых элементов инвертора.

Сравнение энергии дополнительных потерь с энергией

динамических потерь при жесткой коммутации на периоде изменения тока нагрузки позволяет определить величину порогового тока нагрузки, начиная с которого целесообразно применение мягкой коммутации.

а) б)

Рис. 16. Зависимость потерь мощности в ключевых элементах инвертора от мощности нагрузки при «жесткой» и «мягкой» коммутации: а - без учета порогового тока; б - с учетом порогового тока

Проведен анализ современных решений по уменьшению потерь энергии в ключевых элементах инвертора напряжения. Рассмотрены способы, обеспечивающие снижение количества коммутаций на периоде выходной частоты инвертора, амплитуды коммутируемых токов и напряжений, мощности проводимости. Проведено сравнение полученных результатов с предложенным методом МРК. Показано, что применение мульти-резонансной коммутации является наиболее рациональным

способом снижения потерь в ключевых элементах инвертора, как при «синусоидальной», так и при «векторной» ШИМ.

Установлено, что с повышением частоты коммутации в АИН для исключения роста дополнительных потерь мощности в элементах мульти-резонансной схемы необходимо пропорционально увеличивать резонансную частоту ПНТ, поддерживая при этом неизменным коэффициент нагрузки %.

Показано, что при переходе к более высокому диапазону частот преобразования это является необходимым, но не достаточным условием. Для решения проблемы предложена планарная конструкция мульти-резонансного контура, которая может быть интегрирована в силовой модуль с ключевыми элементами инвертора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследованы процессы жесткой коммутации IGBT в АИН. Установлено, что энергия потерь на интервалах установления вносит значительный вклад (от 27% до 39%) в суммарную энергию динамических потерь, а применение известных методов мягкой коммутации не обеспечивает ее эффективного снижения.

2. Разработан новый метод мульти-резонансной коммутации (МРК), обеспечивающий в каждом такте коммутации переключение силовых транзисторов инвертора при нулевом напряжении и токе. Определен критерий реализации метода МРК в полном диапазоне тока нагрузки.

3. Проведено экспериментальное исследование коммутационных характеристик инвертора напряжения с МРК. Разработанный метод обеспечивает значительное (на 80-90%) снижение энергии динамических потерь в силовых ключах инвертора, в том числе на интервалах установления, что позволяет повысить частоту коммутации.

4. Разработана методика расчета и выбора параметров мульти-резонансной схемы при заданном коэффициенте нагрузки.

5. Разработан алгоритм переключения основных и вспомогательных ключей инвертора напряжения с МРК с фиксированным временем коммутации.

6. Разработаны и исследованы варианты применения МРК на стороне переменного и постоянного тока инвертора напряжения, в схеме активного выпрямителя напряжения (обращенного инвертора), а также в трехуровневых и многоуровневых инверторах напряжения.

7. Исследовано влияние процессов мягкой коммутации на качество выходного напряжения инвертора. Рассчитаны энергетические и регулировочные характеристики АИН с МРК. Дана оценка изменения коэффициента комбинационных гармоник при мягкой коммутации.

8. Разработана планарная конструкция мульти-резонансного контура, которая может быть интегрирована в силовой модуль с ключевыми элементами инвертора.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Воронин И.П. Схема мягкой коммутации ключевых элементов трехфазного инвертора напряжения // Вестник МЭИ. - 2010 - JV°4 -С. 97-101.

2. Воронин П.А., Воронин И.П. Устройство для снижения динамических потерь в ключевых элементах трехфазного инвертора напряжения // Вестник МЭИ. - 2010. - №4, - С. 20 - 25.

Воплпин И TT Ппттпшючття чпмт,,««».,, _

---г-- • —«muu^nu^n iiuicpb и моченых элементах

трехфазного инвертора напряжения // Современная электроника -

2011.-№б.-С. 44-45.

4. Воронин И.П., Воронин П.А. Снижение энергии потерь в ключевых элементах преобразователей // Современная электроника -2010 -№9.-С. 46-49.

5. Воронин И.П. Влияние способов переключения IGBT на параметры процессов установления // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Пятнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов. - М •

Издательский дом МЭИ, 2009. - Т.1 - С. 191 - 192.

6. Воронин И.П. Виды мягкой коммутации в трехуровневых автономных инверторах напряжения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Шестнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов. - М • Издательский дом МЭИ, 2010. - Т.1 - С. 242.

7. Воронин И.П., Сидоренкова A.C. Исследование энергетических характеристик инвертора напряжения с мягкой коммутацией // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Семнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов. - М.: Издательский дом МЭИ 2011 - Т 1 -С. 247-248.

8. Воронин И.П., Ковалева М.А. Исследование спектральных характеристик инвертора напряжения с мягкой коммутацией // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Семнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов. - М.: Издательский дом МЭИ 2011 - Т 1 -С. 248-249. ' '

9. Патент RU 101597 U1. Инвертор с мягкой коммутацией / Воронин И.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №2, 20» 01 «2011 *

Ю.Патент RU 96708 U1. Трехуровневый инвертор с мягкой коммутацией / Воронин И.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №22 10.08.2010. " '

11.Патент RU 94780 U1. Трехфазный активный выпрямитель с мягким переключением / Воронин П.А., Воронин И.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №15, 27.05.2010.

12. Патент RU 92581 U1. Трехуровневый инвертор с мягким переключением / Воронин П.А., Воронин И.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №8,20.03.2010.

13. Патент RU 84171 U1. Полупроводниковое устройство с мягким переключением / Воронин ПЛ., Воронин И.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №18, 27.06.2009.

14. Патент RU 84170 U1. Полупроводниковое устройство с мягким переключением / Воронин П.А., Воронин И,П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №18, 27.06.2009.

15. Патент RU 74534 U1. Полупроводниковое устройство ключевого типа / Воронин П.А., Воронин И.П., Щепкин Н.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №18,27.06.2008.

16. Патент RU 74533 U1. Полупроводниковое устройство ключевого типа / Воронин ПЛ., Воронин И.П., Щепкин Н.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №18, 27.06.2008.

17. Патент RU 74253 U1. Полупроводниковое устройство ключевого типа / Воронин П.А., Воронин И.П., Щепкин Н.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №17, 20.06.2008.

Подписано в печать М' ^ Тир. J00 П.л. ¿Jlf

Полиграфический центр ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д.13

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Систематизация методов мягкой коммутации в АИН.

§1.1 Схемы мягкой коммутации в цепи постоянного тока АИН.

§1.2 Схемы мягкой коммутации в цепи переменного тока АИН.

§1.3 АИН с общей схемой мягкой коммутации в цепи переменного тока.

§1.4 Схемы мягкой коммутации в многоуровневых АИН.

§1.4.1 Схема мягкой коммутации в цепи постоянного тока трехуровневого инвертора.

§1.4.2 Схемы мягкой коммутации в цепи переменного тока трехуровневого инвертора.

Глава 2. Исследование коммутационных процессов в АИН.

§2.1 Процессы жесткой коммутации в АИН, базовая переключающая схема для инвертора напряжения.

§2.2 Исследование динамических потерь в силовых ключах АИН при жесткой коммутации.

§2.2.1 Конструктивные особенности измерительного макета.

§2.2.2 Состав измерительного оборудования.

§2.2.3 Методика измерения динамических характеристик ЮВТ.

§2.3 Зависимость энергии динамических потерь от напряжения питания схемы и тока нагрузки.

§2.4 Процессы установления стационарных состояний в ЮВТ и их вклад в энергию динамических потерь.

§2.4.1 Установление стационарного состояния проводимости, эффект динамического насыщения.

§2.4.2. Установление стационарного состояния закрытого ключа, интервал остаточного тока.

Глава 3. Разработка метода мульти-резонансной коммутации для трехфазного АИН.

§3.1 Топология мульти-резонансной схемы.

§3.2 Анализ электромагнитных процессов в мульти-резонансной схеме и определение критериев мягкой коммутации.

§3.3 Переход инвертора в режим мягкой коммутации.

§3.4 Обобщенный критерий мягкой коммутации.

§3.5 Расчет коммутационных характеристик мульти-резонансной схемы, влияние тока нагрузки.

§3.6 Методика расчета мульти-резонансной схемы.

Глава 4. Экспериментальное исследование мульти-резонансной схемы.

§4.1 Исследование влияния параметров схемы на эффективность мягкой коммутации.

§4.2 Исследование коммутационной способности схемы в переходном процессе включения.

§4.3 Исследование коммутационной способности схемы в переходном процессе выключения.

§4.4 Исследование мягкой коммутации в граничных режимах.

Глава 5. Базовые варианты инверторов напряжения с мульти-резонансной коммутацией, анализ и исследование процессов мягкой коммутации в АИН.

§5.1 Инвертор напряжения с мульти-резонансной коммутацией в цепи переменного тока, алгоритм управления ключами инвертора.

§5.2 Инвертор напряжения с мульти-резонансной коммутацией в цепи постоянного тока.

§5.3 Обращенный инвертор напряжения (активный выпрямитель) с мультирезонансной коммутацией в цепи постоянного тока.

§5.4 Многоуровневые АИН с мульти-резонансной коммутацией.

Глава 6. Влияние процессов мягкой коммутации на основные характеристики АИН.

§6.1 Влияние мягкой коммутации на качество выходного напряжения АИН, применение метода спектрального моделирования.

§6.2 Регулировочная характеристика инвертора с мягкой коммутацией.

§6.3 Составляющие потерь в ключевых элементах инвертора.

§6.3.1 Динамические потери при синусоидальной ШИМ и жесткой коммутации.

§6.3.2 Потери проводимости при синусоидальной ШИМ и жесткой коммутации.

§6.3.3 Влияние мощности потерь на эффективность работы АИН.

§6.4 Схемотехнические методы снижения энергии потерь в силовых ключах АИН.

§6.4.1 Методы снижения статических потерь.

§6.4.2 Методы снижения динамических потерь.

§6.4.3 Методы снижения амплитуды коммутируемого тока и количества коммутаций.

§6.4.4 Методы снижения напряжения на коммутируемом ключе.

§6.4.5 Применение мульти-резонансной схемы для снижения динамических потерь.

§6.4.6 Оптимизация потерь в инверторе в диапазоне тока нагрузки.

§6.4.7 Энергетические характеристики АИН с мульти-резонансной коммутацией.

§6.5 Способы повышения частоты коммутации в АИН.

Актуальность проблемы. Энергоэффективность и энергосбережение являются приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации на ближайшие годы.

Решение проблем энергосбережения основано на использовании высокоэффективных преобразователей электрической энергии, построенных на базе силовых интегральных модулей /25,61,63,65/. При этом для достижения максимального уровня энергосбережения необходимо применение силовых схем с минимальным уровнем потерь.

Наиболее актуальными задачами при разработке энергетически эффективных преобразователей являются: повышение коэффициента полезного действия схемы; увеличение частоты преобразования; уменьшение массы и габаритных размеров преобразователя; снижение уровня импульсных помех; обеспечение электроэнергетической и электромагнитной совместимости преобразователей с питающей сетью и нагрузкой.

Рассмотрим основные проблемы при решении данных задач.

Регулирование мощности в силовых преобразователях осуществляется двумя основными методами /1,2,4,6/: методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), когда при постоянном периоде коммутации изменяется длительность замкнутого или разомкнутого состояния силовых ключей; резонансным методом, при котором процесс регулирования осуществляется изменением частоты коммутации силовых ключей.

Простота схемных решений, эффективные методы управления и высокие энергетические показатели сделали преобразователи с ШИМ регулированием основными схемами силовой электроники. Однако токи и напряжения в данных преобразователях носят пульсирующий характер. При этом на ключевых элементах преобразователя присутствуют значительные динамические потери мощности, что существенно ограничивает диапазон частот коммутации. Существенным недостатком преобразователей с ШИМ регулированием является также высокий уровень импульсных помех.

Способность к переключению при нулевом напряжении, при частоте коммутации выше частоты собственного резонанса, и при нулевом токе, при частоте коммутации ниже частоты собственного резонанса, является основным достоинством резонансных преобразователей. При этом значительно снижаются коммутационные потери. Однако статические потери мощности, наоборот, возрастают из-за роста амплитудных и действующих значений токов и напряжений на ключевых элементах преобразователя.

Компромиссным решением проблемы является построение преобразователей на основе квазирезонансных схем, которые по существу представляет собой гибрид преобразователя с ШИМ регулированием и резонансного преобразователя. Квазирезонансная схема строится на основе схемы преобразователя с ШИМ регулированием, в которой проводится замена силовых ключей преобразователя на так называемые резонансные ключи. Переключение данных ключей осуществляется либо при нулевом токе, либо при нулевом напряжении с помощью относительно короткого по времени резонансного процесса, который носит вспомогательный характер и по этой причине называется квазирезонансным. Такой способ мягкой коммутации эффективно снижает динамические потери мощности и в отличие от обычных резонансных преобразователей не приводит к существенному росту статических потерь. Поэтому квазирезонансные преобразователи способны работать в значительно более высоком диапазоне частот коммутации, имеют лучшие энергетические характеристики и большую удельную мощность.

Принцип переключения при нулевом напряжении (ПНН) и нулевом токе (ПНТ), был впервые применен на практике в резонансных генераторах радиотехнических схем примерно в начале тридцатых годов двадцатого столетия. Однако первое упоминание о данном способе переключения в литературе приходится на 1947 год /105,106/. Способ повышения эффективности переключения транзисторов, известный как «мягкая» или «квазирезонансная коммутация», впервые был представлен в 1958 году в работе /107/. Сам же термин «мягкая коммутация» появляется в литературе несколько позже - в 1966 году /108/.

В середине восьмидесятых годов для импульсных источников питания был разработан мульти-резонансный метод мягкой коммутации /139,140/. При данном методе изменение напряжения и тока в ключевых компонентах схемы происходит во времени с изменяющейся резонансной частотой.

И по сей день совершенствованию методов энергоэффективной коммутации, а также разработке новых научных идей, уделяется большое внимание - как в нашей стране, так и за рубежом. Значительный вклад в развитие методов мягкой коммутации для устройств силовой электроники внесли российские ученые: Мелешин В.И. /2,14/, Поликарпов А.Г. /6/, Розанов Ю.К. /1,117/, Силкин Е.М. /17,18,22/, Чванов В.А. /112,113/ и их зарубежные коллеги: Lee F. /15,123,125/, Barbi I. /84,101,102/, Boroyevich D. /87,138/.

Резонансный ключ, как главный элемент мягкой коммутации, состоит из силового полупроводникового ключа и присоединенных к нему элементов резонансного контура. Резонансная LC цепь не только обеспечивает «мягкую» траекторию изменения напряжения и тока на ключе в процессе коммутации, но и служит для накопления и передачи энергии от входа преобразователя к нагрузке, а также обеспечивает ее частичный возврат в источник питания схемы.

Если резонансная LC цепь присоединяется к полупроводниковому ключу в качестве пассивной цепи, то для управления квазирезонансным преобразователем может быть использован только частотный метод регулирования. Такие квазирезонансные схемы применяются в основном в маломощных преобразователях постоянного напряжения, в которых резонансный дроссель, как правило, расположен непосредственно в цепи силового ключа /15/.

Схема с последовательным резонансным дросселем имеет существенные недостатки: на основных ключах преобразователя возникают значительные перенапряжения; условие включения основных ключей при нулевом напряжении зависит от величины тока нагрузки и может не выполняться при малых нагрузках.

Основная причина перенапряжений в таких схемах состоит в том, что резонансный дроссель, включенный последовательно с основным транзистором, отделяет его от элемента фиксации уровня напряжения, роль которого выполняет противофазный диод.

Поэтому для мощных схем более предпочтительным является вариант с параллельным резонансным дросселем /123,125/. Однако в такой схеме после каждого такта мягкой коммутации необходимо отводить от резонансного дросселя накопленную в нем энергию. Отметим также, что при регулировании выходной мощности по методу ШИМ для всех типов квазирезонансных преобразователей необходимо применение вспомогательных транзисторов и диодов.

Большинство известных разработок по квазирезонансным преобразователям относится к классу импульсных регуляторов постоянного напряжения, в которых чаще всего применяются силовые МДП-транзисторы /6,15,18/. В данных ключах в процессе проводимости отсутствует какое-либо накопление зарядов, поскольку перенос тока в них осуществляется только за счет потока основных носителей. Поэтому эффективное снижение динамических потерь в ключах импульсных регуляторов обеспечивается за счет применения квазирезонансной коммутации в переходном процессе их включения, т.е. при нулевом напряжении. При этом в процессе запирания резонансный способ коммутации тока чаще всего не применяется, а для снижения потерь используется конденсатор резонансной цепи, подключенный параллельно транзистору, который обеспечивает плавное нарастание напряжения на ключе.

К числу наиболее распространенных классов устройств силовой электроники в настоящее время относятся автономные инверторы напряжения (АИН). В схемах АИН применяются более мощные полупроводниковые ключи с биполярным механизмом переноса тока, в структуре которых в процессе проводимости происходит накопление значительных зарядов. При запирании данных ключей существенно снизить энергию динамических только за счет плавного нарастания напряжения на них не представляется возможным. Поэтому для схем инверторов более предпочтительным является способ квазирезонансной коммутации, обеспечивающий запирание ключей при нулевом токе /85,125,130/. Однако при этом сохраняются потери мощности в переходном процессе включения, которые дополнительно увеличиваются за счет эффекта динамического насыщения, свойственного силовым ключам высоковольтного применения. Поэтому решение проблемы мягкой коммутации для АИН остается актуальной задачей.

Применительно к автономным инверторам напряжения схемы с мягкой коммутацией зачастую пытаются строить на тех же принципах, что и для импульсных преобразователей постоянного напряжения. Но, поскольку количество ключевых элементов в инверторах значительно больше, топология их связи с элементами схемы мягкой коммутации может быть существенно расширена.

Для получения выходного напряжения с требуемым гармоническим составом в АИН используются различные виды ШИМ, при которых на периоде выходной частоты инвертора (50, 60 Гц или 400 Гц) происходит несколько десятков и даже сотен коммутаций тока нагрузки. При этом индуктивный характер нагрузки АИН является причиной многократной коммутация тока между одним и тем же противофазным диодом и основным ключом инвертора на протяжении целого полупериода относительно низкой выходной частоты инвертора. Поэтому в магнитных элементах резонансного ключа возможен существенный рост токов намагничивания, что может приводить к искажению формы выходного тока и срыву процессов мягкой коммутации /87,91,101/.

Отдельной проблемой применения мягкой коммутации в АИН является сохранение высокого КПД. Поскольку топология резонансного ключа, применяемого в инверторе, кроме элементов резонансного контура включает в себя также вспомогательные транзисторы и диоды, необходимо, чтобы доля энергии динамических потерь, отводимой от основных ключей инвертора, была больше дополнительных потерь, вносимых в схему элементами резонансных цепей /91/.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании нового метода мягкой коммутации применительно к трехфазным инверторам напряжения, обеспечивающего более значительное в сравнении с известными решениями снижение динамических потерь в ключевых элементах схемы за счет их отпирания при нулевом напряжении и запирания при нулевом токе.

Задачи диссертации. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

Разработка нового метода мульти-резонансной коммутации, обеспечивающего переключение ключевых элементов инвертора при нулевом напряжении и токе.

Аналитический вывод критерия реализации метода в полном диапазоне тока нагрузки инвертора.

Разработка базовых вариантов инверторов напряжения с мульти-резонансной коммутацией.

Математическая оценка влияния процессов мягкой коммутации на качество выходного напряжения АИН, получение регулировочных и энергетических характеристик инвертора.

Методика исследований. Для решения поставленных задач применялись методы аналитического и численного решения интегральных и дифференциальных уравнений, методы схемотехнического моделирования с использованием пакета компьютерных программ OrCAD 9.2 и модуля аналого-цифрового моделирования PSpice Analog Digital, а также программы инженерных и научных расчётов MathCad и электронных таблиц Microsoft Excel. При проведении экспериментальных исследований использовалось программное обеспечение WSTRO WaveStar Software.

Достоверность научных результатов обеспечена корректным применением математических методов, использованием схемотехнического моделирования, а также сравнением теоретических выводов с экспериментальными данными.

Научная новизна:

Предложен новый метод мульти-резонансной коммутации, обеспечивающий переключение ключевых элементов инвертора при нулевом напряжении и токе.

Получен математический критерий реализации метода мульти-резонансной коммутации в полном диапазоне тока нагрузки.

Разработана методика расчета мульти-резонансной схемы и выбор параметров ее элементов при заданном коэффициенте нагрузки.

Разработаны базовые варианты трехфазных инверторов напряжения с мульти-резонансной коммутацией, защищенные патентами на полезную модель.

Практическая полезность:

Применение метода мульти-резонансной коммутации позволяет значительно снизить энергию динамических потерь в ключевых элементах инвертора, повысить частоту преобразования и КПД схемы.

Разработанный метод мягкой коммутации является универсальным и может быть применен ко всем типам силовых полупроводниковых ключей, что позволяет использовать его в инверторах напряжения с широкой элементной базой.

Предложенный способ управления ключами инвертора с фиксированным временем коммутации позволяет применять разработанный мульти-резонансный метод без внесения изменений в «классическую» ШИМ - последовательность логических сигналов управления.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы получили практическое внедрение в ОАО НПО «ЭНЕРГОМОДУЛЬ» при создании опытной партии энергосберегающих силовых модулей и серии статических преобразователей частоты высокой удельной мощности, а также в ОАО НПО «ТРАНСКОМ» при разработке источников бесперебойного, питания аппаратуры связи.

Основные положения, выносимые на защиту:

Метод мульти-резонансной коммутации.

Математический критерий реализации мягкой коммутации в полном диапазоне тока нагрузки инвертора.

Методика выбора параметров мульти-резонансного звена.

Алгоритм управления ключами инвертора с фиксированным временем коммутации.

Базовые варианты инверторов напряжения с мульти-резонансной коммутацией.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры промышленной электроники МЭИ, а также на XV, XVI и XVII Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».

Исследование видов мягкой коммутации для трехуровневых инверторов напряжения выполнены при поддержке «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».

Основные научные результаты по теме диссертации получены в ходе выполнения следующих хоздоговорных и инновационных работ:

НИР по теме: «Анализ и разработка методов снижения коммутационных потерь в силовых полупроводниковых ключах», заказчик ОАО НПО «ЭНЕРГОМОДУЛЬ», 2008 г.

НИР по теме: «Разработка конструкции и технологии изготовления энергосберегающих силовых модулей на напряжение 1200В и ток 200А на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором», заказчик ООО «Научная бизнес школа», 2010 г.

НИОКР по теме: «Исследование видов мягкой коммутации в трехуровневых автономных инверторах напряжения», заказчик ООО «Коэнергия», 2010-2011 г.г.

Результаты диссертационного исследования отмечены: дипломом победителя VIII ежегодной выставки и конференции «Russia Power 2010» в номинации «Энергоэффективность и энергосбережение»; дипломом X Всероссийской выставки НТТМ - 2010; дипломом победителя конкурса «Молодые таланты Москвы - 2010» в номинации «Наука и инновации»; почетной грамоты победителя программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса - 2010».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 17 научных работах, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Содержит 195 страниц текста, 24 таблицы и 134 рисунка. Список литературы содержит 140 наименований на 13 страницах.

Основные выводы по главе 6:

При помощи метода спектрального моделирования проведено исследование влияния мягкой коммутации на качество выходного напряжения АИН. Дана математическая оценка ошибки, вносимой мульти-резонансной схемой в значение коэффициента регулирования схемы.

Влияние мягкой коммутации на коэффициент заполнения импульсов приводит к дополнительному росту гармонических составляющих в области комбинационных частот в спектре выходного напряжения инвертора. Однако относительное увеличение коэффициента комбинационных гармоник при этом составляет не более 4,0%.

По результатам спектрального моделирования построена регулировочная характеристика инвертора напряжения с мягкой коммутацией. Установлено, что снижение амплитуды первой гармоники выходного напряжения для максимального значения т составляет не более 3,1%.

Проведен расчет энергетических характеристик инвертора в режимах жесткой и мягкой коммутации при постоянном и переменном коэффициенте нагрузки схемы. Представлена методика расчета потерь в основных и вспомогательных элементах инвертора.

Представлен сравнительный анализ современных методов снижения энергии потерь для инверторов с жесткой коммутацией и с мягкой коммутацией на основе предложенного метода. Показано, что применение мульти-резонансной коммутации является наиболее рациональным способом снижения потерь в ключевых элементах инвертора, как при «синусоидальной», так и при «векторной» ШИМ.

Установлено, что при увеличении частоты коммутации в АИН для исключения дополнительных потерь мощности в элементах мульти-резонансной схемы необходимо пропорционально увеличивать резонансную частоту ПНТ, поддерживая при этом неизменным коэффициент нагрузки. Показано, что для перехода на более высокий диапазон частот преобразования в АИН это является необходимым, но не достаточным условием. Для решения проблемы предложена планарная конструкция мульти-резонансного контура, которая может быть интегрирована в силовой модуль с ключевыми элементами инвертора.

194

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представим основные выводы по результатам диссертационного исследования:

1. Исследованы процессы жесткой коммутации ЮВТ в АИН. Установлено, что энергия потерь на интервалах установления вносит значительный вклад (от 27% до 39%) в суммарную энергию динамических потерь, а применение известных методов мягкой коммутации не обеспечивает ее эффективного снижения.

2. Разработан новый метод мульти-резонансной коммутации (МРК), обеспечивающий в каждом такте коммутации переключение силовых транзисторов инвертора при нулевом напряжении и токе. Определен критерий реализации метода МРК в полном диапазоне тока нагрузки.

3. Проведено экспериментальное исследование коммутационных характеристик инвертора напряжения с МРК. Разработанный метод обеспечивает значительное (на 80-90%) снижение энергии динамических потерь в силовых ключах инвертора, в том числе на интервалах установления, что позволяет повысить частоту коммутации.

4. Разработана методика расчета мульти-резонансной схемы и выбор параметров ее элементов при заданном коэффициенте нагрузки.

5. Разработан алгоритм переключения основных и вспомогательных ключей инвертора с МРК с фиксированным временем коммутации.

6. Разработаны и исследованы варианты применения МРК на стороне переменного и постоянного тока инвертора, в схеме активного выпрямителя (обращенного инвертора), а также в схемах трехуровневых и многоуровневых инверторов напряжения.

7. Исследовано влияние процессов мягкой коммутации на качество выходного напряжения. Рассчитаны энергетические и регулировочные характеристики АИН с МРК. Дана оценка изменения коэффициента комбинационных гармоник при мягкой коммутации.

8. Разработана планарная конструкция мульти-резонансного контура, которая может быть интегрирована в силовой модуль с ключевыми элементами инвертора.

Основное содержание работы опубликовано в 17 печатных трудах, состоящих из следующих изданий:

- четырех научных статей, две из которых опубликованы в научных журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Воронин И.П. Схема мягкой коммутации ключевых элементов трехфазного инвертора напряжения //Вестник МЭИ, 2010, №5, с. 97-101.

2. Воронин П.А., Воронин И.П. Устройство для снижения динамических потерь в ключевых элементах трехфазного инвертора напряжения //Вестник МЭИ, 2010, №4, с. 20-25.

3. Воронин И.П. Оптимизация мощности потерь в ключевых элементах трехфазного инвертора напряжения // Современная электроника, 2011, №6, с. 44-45.

4. Воронин И.П., Воронин П.А. Снижение энергии потерь в ключевых элементах преобразователей // Современная электроника, 2010, №9, с. 46-49.

- четырех тезисов докладов на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов:

5. Воронин И.П. Влияние способов переключения ЮВТ на параметры процессов установления. //РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. /Тез.докл. В 3-х т. Т.1. М.: Издательский дом МЭИ, 2009, с. 191-192.

6. Воронин И.П. Виды мягкой коммутации в трехуровневых автономных инверторах напряжения. //РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. /Тез.докл. В 3-х т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2010, с 242.

7. Воронин И.Ц., Сидоренкова A.C. Исследование энергетических характеристик инвертора напряжения с мягкой коммутацией //РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. /Тез.докл. В 3-х т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2011, с. 247-248.

8. Воронин И.П., Ковалева М.А. Исследование спектральных характеристик инвертора напряжения с мягкой коммутацией //РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. /Тез.докл. В 3-х т. T.l. М.: Издательский дом МЭИ, 2011, с. 248-249. технические решения, полученные в ходе выполнения диссертационных исследований, защищены девятью патентами на полезную модель и заявкой с положительным решением:

9. Патент RU 101597 U1. Инвертор с мягкой коммутацией / Воронин И.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №2, 20.01.2011.

Ю.Патент RU 96708 U1. Трехуровневый инвертор с мягкой коммутацией / Воронин И.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №22, 10.08.2010.

11.Заявка на полезную модель RU 2011116248. Силовой модуль с мульти-резонансным контуром / Воронин И.П., Воронин П.А. // Решение о выдаче патента от 27.06.2011.

12.Патент RU 94780 U1. Трехфазный активный выпрямитель с мягким переключением / Воронин П.А., Воронин И.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №15, 27.05.2010.

13. Патент RU 92581 U1. Трехуровневый инвертор с мягким переключением / Воронин П.А., Воронин И.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №8, 20.03.2010.

14. Патент RU 84171 U1. Полупроводниковое устройство с мягким переключением / Воронин П.А., Воронин И.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №18, 27.06.2009.

15. Патент RU 84170 U1. Полупроводниковое устройство с мягким переключением / Воронин П.А., Воронин И.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №18, 27.06.2009.

16. Патент RU 74534 U1. Полупроводниковое устройство ключевого типа / Воронин П.А., Воронин И.П., Щепкин Н.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №18, 27.06.2008.

17. Патент RU 74533 U1. Полупроводниковое устройство ключевого типа / Воронин П.А., Воронин И.П., Щепкин Н.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №18, 27.06.2008.

18. Патент RU 74253 U1. Полупроводниковое устройство ключевого типа / Воронин П.А., Воронин И.П., Щепкин Н.П. // Бюллетень «Изобретения и полезные модели» №17, 20.06.2008.

1. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк A.A. Силовая электроника // М.: Издательство МЭИ, 2007, 632с.

2. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника // М.: Техносфера, 2005, 632с.

3. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи. Семейства, характеристики, применение //2-е изд., М.:, Додека-ХХ1,2005, 384с.

4. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники // НЭТИ, Учебное пособие, Изд. 3-е, испр., доп., 2004, 672с.

5. Забродин Ю.С. Узлы принудительной конденсаторной коммутации тиристоров // М.: Энергия, 1974, 129с.

6. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА // М.: Радио и связь, 1989, 160с.

7. Разевиг В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2 // М.: Солон-Р, 2001.

8. Дьяконов В.П. MathCAD 8/2000 // Специальный справочник, СПб.: Питер, 2000.

9. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice) //М.: СК-Пресс, 1996, 268с.

10. Ю.Чаплыгин Е. Е. Спектральное моделирование преобразователей с широтно-импульсной модуляцией // Учебное пособие по курсу «Моделирование электронных устройств и систем». Москва, 2009, http://chaplyginyy.narod.ru/

11. П.Чаплыгин Е. Е. Инверторы напряжения и их спектральные модели // Учебное пособие по курсам «Автономные преобразователи» и «Моделирование электронных устройств и систем». М.: Издательство МЭИ, 2003, 64с.

12. Лаппе Р., Фишер Ф. Измерения в энергетической электронике // М.: Энергоатомиздат, 1986, 232с.

13. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике // М.: Издательство Наука, 1981, 720с.

14. Мелешин В.И., Якушев В.А., Фрейдлин С. Анализ транзисторного преобразователя постоянного тока с «мягкой» коммутацией // Электричество, 2000, №1.

15. Ли Ф.К. Высокочастотные квазирезонансные преобразователи // ТИИЭР, т. 76, №4, 1988, с.83-97.

16. Эраносян С., Ланцов В. Квазирезонансные источники вторичного электропитания: проблемы, новый взгляд // Силовая электроника, 2007, №3, с. 78-84.

17. Силкин Е. Независимые инверторы напряжения с квазирезонансной коммутацией для высокочастотных применений // Силовая электроника, 2009, №3, с. 56-60.

18. Силкин Е. Применение силовых МДП транзисторов в высокочастотных автономных инверторах напряжения с квазирезонансной коммутацией // Силовая электроника, 2009, №4, с. 62-65.

19. Колпаков А., Ламп Й. Проблемы проектирования ЮВТ-инверторов: перенапряжения и снабберы // Компоненты и технологии, 2008, №5, с.98-103.

20. Саро Л., Дирбергер К., Редл Р. Поведение высоковольтных МОЗРЕТ -транзисторов в преобразователях с мягким переключением // Компоненты и технологии, 2006, №4, с. 136-144.

21. Резников С., Чуев Д. Защита от сверхтоков и перенапряжений и снижение коммутационных потерь в силовых импульсных преобразователях //Компоненты и технологии, 2006, №5, с.132-136.

22. Силкин Е. Применение нулевых схем инверторов тока с квазирезонансной коммутацией // Силовая электроника, 2005, №3, с. 84-87.

23. Вахи А. Преобразование энергии и проблемы силовой электроники // Компоненты и технологии, 2009, №11, с. 70-73.

24. Флайжик П., Рачек В., Хипки М. Оценка эффективности работы ШИМ инвертора с «мягкой» коммутацией // Компоненты и технологии, 2010, №10, с. 104-106.

25. Ньюман П. Эффективность преобразования и совершенствование технологии силовых модулей // Компоненты и технологии, 2008, №3, с. 136-138.

26. Шишкин С. Внешние фильтры электромагнитной совместимости частотно-регулируемого асинхронного электропривода с ЮВТ-инвертором // Силовая электроника, 2006, №1, с. 42-45.

27. Колпаков А., Журавлев Л. Проблемы электромагнитной совместимости мощных импульсных преобразователей // Силовая электроника, 2006, №2, с. 40-45.

28. Чанг Д-Й. Повышение эффективности разрешения и снижение шума осциллографа // Компоненты и технологии, 2010, №9, с.150-152.

29. Дьяконов В. Сверхскоростная осциллография вчера, сегодня и завтра // Компоненты и технологии, 2010, №4, с.142-151.

30. Индерка Р., Донкер Р. Дискретный или интегральный? Концепция построения силовых конвертеров // Компоненты и технологии, 2010, №2, с.74-78.

31. Лэшли Р. Шесть советов по повышению точности измерений с помощью высококачественных осциллографов // Компоненты и технологии, 2009, №8, с.134-136.

32. Дьяконов В. МАТЬАВ новые возможности в технологии осциллографии // Компоненты и технологии, 2009, №10, с. 133-144.

33. Хинтц Л. Что нужно знать о высокочастотных осциллографических пробниках // Компоненты и технологии, 2008, №9, с. 184-186.

34. Дедюхин А. Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения // Компоненты и технологии, 2006, №12, с. 150158.

35. Колпаков А. Многослойная шина и модули БЕМКТАСК от 8ЕМ1КЖЖ // Силовая электроника, 2004, №1, с. 32-36.

36. Воронин П.А., Щепкин Н.П. Устройство контроля параметров силовых транзисторов //Практическая силовая электроника, 2003, № 11, с. 11-13.

37. Чаплыгин Е.Е. Двухфазная широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения // Электричество, №8, 2009.

38. Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е., Кондратьев Д.Е. Широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения // Электричество, № 7, 2008.

39. Козаченко В. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам // Московский энергетический институт, кафедра Автоматизированногоэлектропривода, лаборатория микропроцессорных систем управления, 2000.

40. Изосимов Д.Б., Рыбкин С.Е., Шевцов C.B. Симплексные алгоритмы управления трёхфазным автономным инвертором напряжения с ШИМ // Электротехника, №12, 1993.

41. Плушке Н., Грашхоф Т., Колпаков А. Специализированные модули для 3 -уровневых инверторов // Силовая электроника, 2010, №2, с. 44-47.

42. Си Д., Йенсен У., Рутинг X. Специализированные модули IGBT для 3 -уровневых преобразователей на основе кристаллов 650В IGBT и ECD диодов //Компоненты и технологии, 2010, №7, с.120-122.

43. Колпаков А., Карташев Е. Алгоритмы управления многоуровневыми преобразователями // Силовая электроника, 2009, №2, с. 57-65.

44. Шрайбер Д. Силовая электроника для ветроэнергетики // Компоненты и технологии, 2008, №3, с.6-7.

45. Донской Н., Иванов А., Матисон В. и др. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики // Силовая электроника, 2008, №1, с. 43-46.

46. Резников С., Коняхин С., Соколов А. Регулируемые преобразователи частоты для питания высоковольтных двигателей переменного тока от промышленной сети // Компоненты и технологии, 2007, №2.

47. Чибиркин В., Боок А., Завгородний В. и др. Разработка трехфазного мостового инвертора для питания тяговых асинхронных электродвигателей электровозов постоянного тока // Силовая электроника, 2005, №2, с. 68-69.

48. Колпаков А. Быстрые диоды для новых поколений ЮВТ // Силовая электроника, 2008, №4, с. 16-19.

49. Полищук А. Применение карбид-кремниевых диодов Шоттки в ЮВТ инверторах с жестким переключением // Силовая электроника, 2006, №1, с. 8-12.

50. Копылов А. Новая технология изготовления диодов большой мощности ЕшСоп НБ11 с более высокими динамическими характеристиками // Силовая электроника, 2004, №1, с. 4-7.

51. Недолужко И.Г., Воронин П.А., Лебедев А.Г. Определение параметров РБрюе моделей МДПТ и БТИЗ по экспериментальным характеристикам // Силовая электроника, 2006, № 4, с.20-23.

52. Ан Н. X. Управление трехфазным выпрямителем с активной коррекцией коэффициента мощности // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МЭИ (ТУ), 2006.

53. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты // Екатеринбург, УРО РАН, 2000, с. 273-288.

54. Чаплыгин Е.Е., Калугин Н.Г. Влияние снабберов на работу инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией //Электричество, № 1, 2003

55. Чаплыгин Е.Е., Малышев Д.В. Спектральные модели автономных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией // Электричество, №8, 1999.

56. Герман Галкин С. Модельное исследование основных характеристик силовых полупроводниковых преобразователей. Моделирование устройств силовой электроники // Силовая электроника, 2008, №1, с. 92-99.

57. Бербенец А. Новые IGBT модули Infineon Technologies // Силовая электроника, 2008, №2, с. 39-40.

58. Бономорский О.И., Воронин П.А. Новый класс силовых полупроводниковых модулей модули H-IGBT // IX Симпозиум Электротехника 2030 год. Перспективные технологии электроэнергетики, 2007, с. 258-259.

59. Фукалов Р. Новая серия высоковольтных модулей корпорации Mitsubishi Electric // Силовая электроника, 2007, №2, с. 14-18.

60. Резников А.Е., Воронин П.А., Щепкин Н.П. Гибридный IGBT-статические и динамические характеристики // Силовая электроника, 2006, № 3, с.28-30.

61. Ямада Ю., Симизу Т., Кавагучи М. и др. Новые высокоэффективные и высоконадежные модули IGBT // Силовая электроника, 2006, №3, стр. 24-26.

62. Бономорский О.И., Воронин П.А, Щепкин Н.П. Быстродействующий каскодный ключ с полевым управлением // Силовая электроника, 2005, № 1, с.42-44.

63. Бономорский О.И., Воронин П.А, Щепкин Н.П. Сравнительный анализ эффективности ключевых транзисторов с полевым управлением // Силовая электроника», 2005, № 2, с. 12-14.

64. Бономорский О.И., Воронин П.А, Куканов В.В., Щепкин Н.П. Исследование процессов запирания комбинированных транзисторов // Компоненты и технологии, 2004, № 8, с.68-71.

65. Soft switching in ZVS or ZCS-mode, switching loss reduction networks // SEMIKRON, Application Handbook «IGBT and MOSFET power modules», 2010.

66. Pittet S., Rufer A. Importance of quasi-saturation effect in the bipolar junction of high voltage NPT-IGBTs for power calculations // Laboratoire dElectronique Industrielle Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland.

67. Pittet S., Rufer A. Analytical analysis of quasi-saturation effect in PT and NPT IGBTs // Laboratoire dElectronique Industrielle Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland.

68. Rajapakse A., Gole A., Wilson P. Approximate loss formulae for estimation of IGBT switching losses through EMTP-type simulations // International Conference on Power Systems Transients (IPST'05) in Montreal, Canada, 2005, Paper No. IPST05 184.

69. SEMIKRON Application Manual // 2004, SEMIKRON INTERNATIONAL GmbH Deutschland Germany.

70. Hajji M. A transient model for Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) // Ph. D. Dissertation. University of Pitsburgh, 2002.

71. Udrea F., Amaratunga G. An on-state analytical model for the Trench Insulated-Gate Bipolar Transistor (TIGBT) // Solid-State Electronics, Vol. 41, No.8, p. 1111-1118, 1997.

72. Letor R., Musumeci S., Frisina F. IGBTs in resonant converter // ST, AN662/1294.

73. Hefner A., Blackburn D. An analytical model for steady-state and transient characteristics of the power Insulated-Gate Bipolar Transistor // Solid-State Electronics, Vol. 31, No. 10, p. 1513-1532, 1988.

74. Zhou K., Wang D. Relationship between space-vector modulation and three-phase carrier-based PWM: a comprehensive analysis // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 49, NO. 1, 2002.

75. Prasad H. Analysis and comparison of space vector modulation schemes for three-leg and four-leg voltage source inverters //Virginia Polytechnic Institute and State University, 1997.

76. Tu R., Chen C. A new three-phase space-vector-modulated power factor corrector // IEEE, 1994, p. 725-730.

77. Rodriguez J., Lai J., Peng F. Multilevel inverters: a survey of topologies, Controls, and Applications // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 49, NO. 4, 2002.

78. Yuan X., Barbi I. Fundamentals of a new diode clamping multilevel inverter // IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 4, 2000, p. 711-718.

79. Dong W. et al. Soft-switching inverters for AC adjustable speed drives // Final Report of PNGV Project, prepared for General Motors Research Laboratory, 2001.

80. Smith K., Smedley K. Engineering design of lossless passive soft switching methods for PWM converters—Part I: with minimum voltage stress circuit cells // IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 16, NO. 3,2001.

81. Choi J., Boroyevich D., Lee F. A novel ZVT three-phase inverter with coupled inductors // Power Electronics Specialists Conference, 30th Annual IEEE, 1999, Vol. 2, p. 975 980.

82. Ben-Yaakov S., Ivensky G. Passive lossless snubbers for high frequency PWM converters // Power Electronics Laboratory, Ben-Gurion University, PESC'97.

83. Smith K., Smedley K. Lossless, passive soft switching methods for inverters and amplifiers // IEEE PESC Proceedings, 1997.

84. Finney S. Passive circuit configurations for snubber energy recovery in power converters using hard-switched devices // Power Electronics and Variable- Speed Drives Conference, 1994.

85. Li Y. Unified zero-current-transition techniques for high-power three-phase PWM //Ph. D. Dissertation. Blacksburg, Virginia, 2002.

86. Iovanovic M. Resonant, quasi-resonant, multi-resonant and soft-switching techniques merits and limitations. Int. J. Electronics, 1994, vol.77, № 5, p.537-554.

87. Qin Y. et al. Status and needs of power electronics for photovoltaic inverters // Sandia Report, Sandia National Laboratories, 2002.

88. Walters E., Wasynczuk O. Analysis of the auxiliary resonant commutated pole inverter // Electrical and Computer Engineering ECE Technical Reports, Purdue Libraries, 1995.

89. V. Sladecek Three phase soft commutation auxiliary resonant pole inverter // Advances in Electrical and Electronic Engineering, p. 61-63.

90. Behera S., Das P., and Doradla R. A new SVM technique for soft-switched dc-ac converter// IE (I) Journal.EL, p. 182-186.

91. Zhao L. Generalized frequency plane model of integrated electromagnetic power passives // Ph. D. Dissertation. Blacksburg, Virginia, 2004.

92. Yuan X., Orglmeister G., Barbi I. ARCPI resonant snubber for the neutral-point-clamped inverter // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 36, NO. 2,2000.

93. Yamamoto M. et al. New space vector modulated 3-level 3-Phase voltage-source soft-switching inverter with two active resonant DC link snubbers //Y amaguchi University.

94. Jeonghyoun Sung J., Nam K. A Snubber configuration suitable for energy recovery in three level GTO inverters // Department of Electrical Engineering, POSTECH University, Republic of Korea.

95. Yuan X., Barbi I. A transformer assisted zero voltage switching scheme for the Neutral-Point-Clamped (NPC) inverter // 1999 IEEE, p. 12591265.

96. Yuan X., Stemmler H., Barbi I. Evaluation of soft switching techniques for the Neutral-Point-Clamped (NPC) inverter //1999 IEEE, p.659-664.

97. LEMSYS Technical Characteristics TRd 2030 // Controlled version, PGO, 2006.

98. Giessibl H. Power testing static and dynamic parameter in one handling // Power Conversion, 1993, p. 257-268.

99. Severns R. History of soft switching // Switching Power Magazine, 2001.

100. Mallory R. and Co. Mallory vibrator Data Handbook, 1947.

101. Caldwell, Wagner. Boosting power transistor efficiency // Electronics magazine, Nov., 1958, p. 88.

102. Morgan, Ray. Basic magnetic functions in converters and inverters including new soft commutation // IEEE Transactions, vol. IGA-2, No.l, 1966, p. 58-65.

103. Патент RU 85045 Ul. Активный снаббер для мостового/полумостового инвертора напряжения / Коростелев С.А.

104. Патент RU 89307 U1. Независимый инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией / Силкин Е.М.

105. Патент RU 90629 Ul. Высокочастотный снаббер для мостового/полумостового инвертора напряжения / Коростелев С.А., Сысоев Б.Г.

106. Патент RU 2085013 С1 Статический преобразователь с квазирезонансной коммутацией тока / Чванов В.А., Жирков Ю.П.

107. Патент RU 2108653 С1 Статический преобразователь с квазирезонансной коммутацией тока / Чванов В.А., Сидоров В.И.

108. Патент RU 2307441 С1. Способ снижения динамических потерь в преобразователях электроэнергии / Шепелин А.В. и др.

109. Патент RU 2321151 С1. Способ снижения потерь в инверторе напряжения / Иванов A.JI. и др.

110. Патент RU 2325753 С2. Способ уменьшения потерь в мостовых схемах на полевых транзисторах / Базылев Ю.И.

111. Патент RU 2379819 С2 Способ управления трехфазным мостовым преобразователем / Розанов Ю.К. и др.

112. Патент RU 2395154 С1. Способ управления автономным инвертором напряжения с квазирезонансной коммутацией / Клоков А.А. и др.

113. Патент RU 2398346 С1. Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией и способ управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией / Силкин Е.М.

114. Patent 4,864,483 US. Static power conversion method and apparatus having essentially zero switching losses and clamped voltage levels / D. Divan.

115. Patent 5,047,913 US. Method for controlling a power converter using an auxiliary resonant commutation circuit / R. Doncker, J. Lyons.

116. Patent 5,172,309 US. Auxiliary quasi-resonant DC link converter / R. Doncker, J. Lyons.

117. Patent 5,262,930 US. Zero-voltage-transition PWM converters / G. Hua, F. Lee.

118. Patent 5,418,704 US. Zero-voltage-transition pulse-width-modulated converters / G. Hua, F. Lee.

119. Patent 5,486,752 US. Zero-current-transition PWM converters / G. Hua, F. Lee.

120. Patent 5,559,685 US. Voltage clamped parallel resonant converter with controllable duty cycle / H. Lauw, R. Zedwick.

121. Patent 5,574,636 US. Zero-voltage-transition (ZVT) 3-phase PWM voltage link converters / F. Lee, H. Mao.

122. Patent 5,633,793 US. Soft switched three-phase boost rectifiers and voltage source inverters / F. Lee, Y. Jiang.

123. Patent 6,172,882 US. Partial resonance PWM converter / K. Tanaka, Y. Okita, K. Ito.

124. Patent 6,337,801 US. Three-phase zero-current-transition (ZCT) inverters and rectifiers with three auxiliary switches / Y. Li, F. Lee.

125. Patent 7,142,439 US. Zero-voltage-switching single-switched resonant DC link with minimized conduction loss /1. Oh.

126. Patent 5,481,448 US. Multilevel inverter having voltage dividing capacitors distributed across multiple arms / K. Nakata et al.

127. Patent 5,684,688 US. Soft switching three-level inverter / D. Rouaud, T. Aboumrad.

128. Patent 5,949,669 US. Low-loss power current inverter / M. Bruckmann, A. Mertens.

129. Patent 6,205,040 US. Auxiliary resonant commutation pole three-point or multipoint converter / R. Teichmann.

130. Patent 6,392,907 US. NPC inverter control system / K. Ichirawa.

131. Patent 6,597,590 US. 3-level inverter apparatus / T. Ikimi, K. Kobayashi.210/

132. Patent 5,432,695 US. Zero-voltage-switched three-phase PWM rectifier inverter circuit / Vlatkovic V., Borojevic D., Lee F.

133. Patent 4,841,220 US. DC-to-DC converters using multi-resonant switches / Tabisz W., Lee F.

134. Patent 4,857,828 US. Zero-voltage-switched multi-resonant including the buck and forward type / Tabisz W., Lee F.