Система управления двунаправленным понижающим преобразователем напряжения с комбинированием режима непрерывных токов и активного режима прерывистых токов

  • Евгений [Evgeniy] Олегович [O.] Столяров [Stolyarov]
  • Али [Ali] Юсеф [Yousef]
  • Максим [Maksim] Михайлович [M.] Лашкевич [Lashkevich]
  • Галина [Galina] Львовна [L.] Демидова [Demidova]
  • Егор [Egor] Сергеевич [S.] Кулик [Kulik]
  • Алексей [Aleksey] Сергеевич [S.] Анучин [Anuchin]
Ключевые слова: понижающий преобразователь, SiC MOSFET, устройства с широкой запрещенной зоной, режим проводимости, энергоэффективность

Аннотация

Одно из применений преобразователей напряжения без гальванической развязки в гибридной силовой установке — работа на аккумуляторную батарею или топливный элемент, когда требуется обеспечить дополнительную мощность на тяговых двигателях при одновременной стабилизации напряжения. Для повышения удельной мощности и эффективности преобразования энергии вместо IGBT рекомендуется использовать ключи с широкой запрещенной зоной, в частности, SiC MOSFET. Благодаря режиму обратной проводимости ими можно шунтировать обратные диоды при работе с малыми и близкими к нулю токами, реализуя активный режим прерывистых токов и, тем самым, снижая омические потери.

Описан алгоритм активного режима прерывистых токов для понижающих двунаправленных преобразователей напряжения с ключами SiC MOSFET. Результаты моделирования демонстрируют работу системы управления с активным режимом прерывистых токов для рассматриваемой силовой установкой. Предложенный алгоритм активного режима прерывистых токов позволяет многократно снизить потери на малых реализуемых мощностях по сравнению с другими режимами работы преобразователя.

Сведения об авторах

Евгений [Evgeniy] Олегович [O.] Столяров [Stolyarov]

кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: StoliarovYO@mpei.ru

Али [Ali] Юсеф [Yousef]

аспирант кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: joseph86.ali@gmail.com

Максим [Maksim] Михайлович [M.] Лашкевич [Lashkevich]

кандидат технических наук, инженер кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: LashkevichMM@mpei.ru

Галина [Galina] Львовна [L.] Демидова [Demidova]

кандидат технических наук, доцент факультета систем управления и робототехники Института точной механики и оптики, Санкт-Петербург, e-mail: demidova@itmo.ru

Егор [Egor] Сергеевич [S.] Кулик [Kulik]

кандидат технических наук, ассистент кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: KulikYS@mpei.ru

Алексей [Aleksey] Сергеевич [S.] Анучин [Anuchin]

доктор технических наук, заведующий кафедрой автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: AnuchinAS@mpei.ru

Литература

1. Bradley M. Identification and Descriptions of Fuel Cell Architectures for Aircraft Applications // Proc. IEEE Transportation Electrification Conf. & Expo (ITEC). Anaheim, 2022. Pp. 1047—1050.
2. Лебедева М.В., Яштулов Н.А. Топливные элементы — характеристика, физико-химические параметры, применение. М.: Мир науки, 2020.
3. Cheng H. e. a. An Integrated Electrified Powertrain Topology with SRG and SRM for Plug-in Hybrid Electrical Vehicle // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2020. V. 67(10). Pp. 8231—8241.
4. Dusmez S., Hasanzadeh A., Khaligh A. Comparative Analysis of a Bidirectional Three-level DC-DC Converter for Automotive Applications // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2015. V. 62(5). Pp. 3305—3315.
5. Khan M.A., Husain I., Sozer Y. A Bidirectional DC-DC Converter with Overlapping Input and Output Voltage Ranges and Vehicle to Grid Energy Transfer Capability // IEEE J. Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2014. V. 2(3). Pp. 507—516.
6. Abramushkina E.E. e. a. An Innovative Additively Manufactured Design Concept of a Dual-sided Cooling System for SiC Automotive Inverters // IEEE Access. 2024. V. 12. Pp. 20454—20470.
7. Vahid S., Zolfi P., Land J.C., EL-Refaie A.M. An Isolated Step-down Multi-port DC-DC Power Converter for Electric Refrigerated Vehicles Auxiliary Power Unit System // IEEE Trans. Industry Appl. 2024. V. 60(1). Pp. 730—744.
8. Kozachenko V.F., Ostrirov V.N., Lashkevich M.M. Electric Transmission Based on the Switched Reluctance Motor with Independent Excitation // Russian Electrical Eng. 2014. V. 85. Pp. 115—120.
9. Peng J., Zhang H., Ma C., He H. Powertrain Parameters Optimization for a Series-parallel Plug-in Hybrid Electric Bus by Using a Combinatorial Optimization Algorithm // IEEE J. Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2023. V. 11(1). Pp. 32—43.
10. Garcıa-Chavez R.E. e. a. Sliding Mode and PI-based Control for the SISO “Full-Bridge Buck Inverter–DC Motor” System Powered by Renewable Energy // IEEE Access. 2024. V. 12. Pp. 27399—27410.
11. Firpo P. e. a. Use of a Partially Saturating Inductor in a Boost Converter with Model Predictive Control // Electronics. 2023. V. 12. P. 3013.
12. Ullah A., Rizvi S.S., Khatoon A., Jin Kwon S. The Empirical Analysis, Mathematical Modeling, and Advanced Control Strategies for Buck Converter // IEEE Access. 2024. V. 12. Pp. 19924—19941.
13. Le Hoai Nam, Orikawa K., Itoh J.-I. DCM Control Method of Boost Converter Based on Conventional CCM Control // Proc. Intern. Power Electronics Conf. Hiroshima, 2014. Pp. 3659—3666.
14. Anuchin A. e. a. Nested Loop Control of a Buck Converter under Variable Input Voltage and Load Conditions // Proc. 55th Intern. Universities Power Eng. Conf. Turin, 2020. Pp. 1—5.
15. Orabi M., Shawky A. Proposed Switching Losses Model for Integrated Point-of-load Synchronous Buck Converters // IEEE Trans. Power Electronics. 2015. V. 30(9). Pp. 5136—5150.
16. Acquaviva A., Thiringer T. Energy Efficiency of a SiC MOSFET Propulsion Inverter Accounting for the MOSFET's Reverse Conduction and the Blanking Time // Proc. IXX European Conf. Power Electronics and Appl. Warsaw, 2017. Pp. P.1—P.9.
17. Stolyarov E. e. a. Comparative Analysis of Active Damping Techniques in Electric and Hybrid Electric Powertrains // Proc. Intern. Conf. Electromechanical and Energy Systems. Iasi, 2021. Pp. 1—5.
---
Для цитирования: Столяров Е.О., Юсеф Али, Лашкевич М.М., Демидова Г.Л., Кулик Е.С., Анучин А.С. Система управления двунаправленным понижающим преобразователем напряжения с комбинированием режима непрерывных токов и активного режима прерывистых токов // Вестник МЭИ. 2025. № 4. С. 37—46. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-4-37-46
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Bradley M. Identification and Descriptions of Fuel Cell Architectures for Aircraft Applications. Proc. IEEE Transportation Electrification Conf. & Expo (ITEC). Anaheim, 2022:1047—1050.
2. Lebedeva M.V., Yashtulov N.A. Toplivnye Elementy — Kharakteristika, Fiziko-Khimicheskie Parametry, Primenenie. M.: Mir Nauki, 2020. (in Russian).
3. Cheng H. e. a. An Integrated Electrified Powertrain Topology with SRG and SRM for Plug-in Hybrid Electrical Vehicle. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2020;67(10):8231—8241.
4. Dusmez S., Hasanzadeh A., Khaligh A. Comparative Analysis of a Bidirectional Three-level DC-DC Converter for Automotive Applications. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2015;62(5):3305—3315.
5. Khan M.A., Husain I., Sozer Y. A Bidirectional DC-DC Converter with Overlapping Input and Output Voltage Ranges and Vehicle to Grid Energy Transfer Capability. IEEE J. Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2014;2(3):507—516.
6. Abramushkina E.E. e. a. An Innovative Additively Manufactured Design Concept of a Dual-sided Cooling System for SiC Automotive Inverters. IEEE Access. 2024;12:20454—20470.
7. Vahid S., Zolfi P., Land J.C., EL-Refaie A.M. An Isolated Step-down Multi-port DC-DC Power Converter for Electric Refrigerated Vehicles Auxiliary Power Unit System. IEEE Trans. Industry Appl. 2024;60(1):730—744.
8. Kozachenko V.F., Ostrirov V.N., Lashkevich M.M. Electric Transmission Based on the Switched Reluctance Motor with Independent Excitation. Russian Electrical Eng. 2014;85:115—120.
9. Peng J., Zhang H., Ma C., He H. Powertrain Parameters Optimization for a Series-parallel Plug-in Hybrid Electric Bus by Using a Combinatorial Optimization Algorithm. IEEE J. Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2023;11(1):32—43.
10. Garcıa-Chavez R.E. e. a. Sliding Mode and PI-based Control for the SISO “Full-Bridge Buck Inverter–DC Motor” System Powered by Renewable Energy. IEEE Access. 2024;12:27399—27410.
11. Firpo P. e. a. Use of a Partially Saturating Inductor in a Boost Converter with Model Predictive Control. Electronics. 2023;12:3013.
12. Ullah A., Rizvi S.S., Khatoon A., Jin Kwon S. The Empirical Analysis, Mathematical Modeling, and Advanced Control Strategies for Buck Converter. IEEE Access. 2024;12:19924—19941.
13. Le Hoai Nam, Orikawa K., Itoh J.-I. DCM Control Method of Boost Converter Based on Conventional CCM Control. Proc. Intern. Power Electronics Conf. Hiroshima, 2014:3659—3666.
14. Anuchin A. e. a. Nested Loop Control of a Buck Converter under Variable Input Voltage and Load Conditions. Proc. 55th Intern. Universities Power Eng. Conf. Turin, 2020:1—5.
15. Orabi M., Shawky A. Proposed Switching Losses Model for Integrated Point-of-load Synchronous Buck Converters. IEEE Trans. Power Electronics. 2015;30(9):5136—5150.
16. Acquaviva A., Thiringer T. Energy Efficiency of a SiC MOSFET Propulsion Inverter Accounting for the MOSFET's Reverse Conduction and the Blanking Time. Proc. IXX European Conf. Power Electronics and Appl. Warsaw, 2017:P.1—P.9.
17. Stolyarov E. e. a. Comparative Analysis of Active Damping Techniques in Electric and Hybrid Electric Powertrains. Proc. Intern. Conf. Electromechanical and Energy Systems. Iasi, 2021:1—5
---
For citation: Stolyarov E.O., Ali Yousef, Lashkevich M.M., Demidova G.L., Kulik E.S., Anuchin A.S. A Bidirectional Buck Converter Control System with Combination of Continuous Conduction and Active Discontinuous Conduction Modes. Bulletin of MPEI. 2025;4:¬37—46. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2025-4-37-46
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2025-06-24
Раздел
Электротехнические комплексы и системы (технические науки) (2.4.2)