АНАЛІЗ ТА МОДЕЛЮВАННЯ ЗВОРОТНОХОДОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ВИКОРИСТАННЯМ ШИРОКОЗОННИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ НА ОСНОВІ НІТРИДУ ГАЛІЮ
ANALYSIS AND MODELING OF FLYBACK CONVERTERS USING WIDEBAND SEMICONDUCTOR DEVICES BASED ON GALLIUM NITRIDE
Сторінки: 56-60. Номер: №6, 2023 (329) 
Автори:
Арсенюк Дмитро
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
ORCID ID: 0000-0003-2022-0599
e-mail: arsedmitry@gmail.com
Зіньковський Юрій
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
ORCID ID: 0000-0003-4234-3549
e-mail: yuzin@ukr.net
Arseniuk Dmytro
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
Zinkovskyi Yuri
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2023-329-6-56-60
Анотація мовою оригіналу
Представлені результати дослідження силових AC-DC перетворювачів, в яких силовим елементом є польовий транзистор на основі нітриду галію (GaN HEMT). Зворотноходові перетворювачі використовуються для створення імпульсних джерел живлення, забезпечуючи високе значення коефіцієнта корисної дії (ККД) та мінімальне тепловиділення, що є центральним завданням сучасної силової електроніки. До основних проблем, що розглядаються, відносяться комутаційні втрати силового транзистора на високих частотах перемикання, в той час коли польові транзистори на основі кремнію практично вичерпали можливості вдосконалення. Використання у перетворювачі широкозонного силового транзистора створеного на нітриді галію дозволило забезпечити підвищення стабільності приладу за рахунок досягнення малих втрат на перемикання, що дає реальну можливість працювати на більш високих частотах. Також GaN HEMT мають менший час відновлення в порівнянні з іншими типами силових ключів, що в сукупності підвищує енергоефективність силових перетворювачів, це також забезпечує зменшення габаритів пристрою.
Побудована комп’ютерна модель перетворювача у середовищі LTSpice XVII з урахуванням параметрів компонентів. Отримані характеристики струмів та напруг на GaN-транзисторі, потужність розсіювання на транзисторі, вихідні характеристики приладу. За результатами моделювання, зменшення динамічних втрат та пульсацій на транзисторі при досягненому низькому рівні тепловиділення показує перспективність використання пристрою з широкою забороненою зоною для створення високочастотних перетворювачів енергії придатних до використання у якості джерел живлення у системах, де малі габарити необхідні, такі як системи живлення малих літальних апаратів, телекомунікаційні мережі.
Ключові слова: зворотноходовий перетворювач, AC-DC, SMPS Flyback converter, нітрид галію, карбід кремнію, GaN, широкозонні напівпровідники, SPICE, LTSpice XVII, силова електроніка.
Розширена анотація англійською мовою
This paper presents the findings from a study on AC-DC power converters, specifically focusing on those where the power element is a gallium nitride (GaN HEMT) based field-effect transistor. Flyback converters are employed in the development of pulsed power supplies, aiming for high efficiency and minimal heat generation, which are key objectives in contemporary power electronics. The study primarily addresses the challenge of switching losses in power transistors at elevated switching frequencies, an area where silicon-based field-effect transistors have nearly reached their developmental zenith.
The incorporation of a wideband power transistor based on gallium nitride in the converter has been shown to enhance device stability by achieving low switching losses. This advancement enables operation at higher frequencies. Additionally, GaN HEMTs exhibit shorter recovery times compared to other power switch types, collectively boosting the energy efficiency of power converters and facilitating a reduction in device size.
A comprehensive computer model of the converter was constructed in the LTSpice XVII, incorporating detailed component parameters. The simulation yielded data on currents and voltages across the GaN transistor, power dissipation in the transistor, and the device’s output characteristics. The simulation results indicate a significant reduction in dynamic losses and pulsations on the transistor, coupled with a low level of heat generation. These findings underscore the potential of using wide bandgap devices in the creation of high-frequency energy converters. Such converters are particularly suited for applications requiring compact power sources, such as in small aircraft systems and telecommunication networks.
Keywords: flyback converters, AC-DC, SMPS, gallium nitride, GaN, wide bandgap semiconductors,SPICE, LTSpice XVII, power electronics
