Дослідження перспектив інтеграції високошвидкісних галій-нітридних напівпровідникових приладів у енергетичні та електронні системи

Бузикін, Ілля Ілліч
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7096
Назва:	Дослідження перспектив інтеграції високошвидкісних галій-нітридних напівпровідникових приладів у енергетичні та електронні системи
Автори:	Ключка, Костянтин Миколайович Бузикін, Ілля Ілліч
Ключові слова:	галій нітрид (GaN);відновлювані джерела енергії;електромагнітна сумісність;комутаційні втрати;силові перетворювачі;енергоефективність
Дата публікації:	гру-2025
Короткий огляд (реферат):	У роботі розглянуто сучасний стан розвитку силових напівпровідникових приладів на основі галію нітриду (GaN), їх конструктивні особливості, параметри та сфери застосування. Проаналізовано фізичні та схемотехнічні характеристики GaN-приладів у порівнянні з кремнієвими та SiC-приладами, зокрема їх вплив на ефективність силових перетворювачів. Досліджено перспективні топології енергетичних систем і перетворювачів, у яких використання GaN-приладів забезпечує підвищення енергоефективності та зменшення масогабаритних показників. Розроблено та адаптовано моделі силових перетворювачів для аналізу їх енергетичних характеристик і перехідних процесів. Проведено порівняльну оцінку ефективності GaN- і кремнієвих приладів. Обґрунтовано перспективність застосування GaN-технологій у сучасних енергетичних системах та сформульовано практичні рекомендації щодо їх інтеграції.
URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу):	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7096
Розташовується у зібраннях:	141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання)
Файли цього матеріалу:
Файл	Опис	Розмір	Формат
ВКРМ_БУЗИКІН.pdf Restricted Access		1.44 MB	Adobe PDF	Переглянути/Відкрити Запит копії
Показати повний опис матеріалу Перегляд статистики
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
Факультет  електронних  технологій, автотранспорту та машинобудування 
(назва факультету) 
Кафедра електротехнічних систем 
(повна назва кафедри) 
       
 «До захисту допущено» 
Завідувач кафедри ЕТС 
Валентин ТКАЧЕНКО 
______________________ 
“_____” __________2025 р. 
 
 
Кваліфікаційна робота 
на здобуття ступеня вищої освіти магістра 
 
на тему:  
«Дослідження перспектив інтеграції високошвидкісних галій-нітридних 
напівпровідникових приладів у енергетичні та електронні системи» 
 
 
Виконав: здобувач вищої освіти  2  курсу, групи мЕСЕ–44 
Спеціальності: 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» 
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності) 
 
 
 
Бузикін Ілля Ілліч ____________ 
(прізвище, ім’я, по-батькові здобувача вищої освіти ) (підпис) 
   
Науковий керівник к.т.н., доцент Костянтин КЛЮЧКА ____________ 
(наук. ступінь, вчене звання  власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) (підпис) 
   
Нормоконтроль к.т.н., доцент Костянтин КЛЮЧКА ____________ 
(наук. ступінь, вчене звання  власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) (підпис) 
   
 
 
Засвідчую, що у цій кваліфікаційній роботі немає запозичень з праць інших авторів 
без відповідних посилань. 
Здобувач вищої освіти ______________ 
(підпис) 
 
 
Черкаси 2025 р.  
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ  
ТА МАШИНОБУДУВАННЯ 
Кафедра електротехнічних систем 
 
Рівень вищої освіти – другий (магістерський) 
Спеціальність 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» 
                                                                                         (код і назва) 
 
ЗАТВЕРДЖУЮ 
В. о. завідувача кафедри ЕТС 
Валентин ТКАЧЕНКО 
______________________ 
“_____” __________2025 р. 
 
 
ЗАВДАННЯ 
на магістерську кваліфікаційну роботу здобувачу вищої освіти 
 
Бузикіну Іллі Іллічу 
(прізвище, ім’я, по батькові) 
 
1. Тема магістерської роботи  
 
«Дослідження перспектив інтеграції високошвидкісних галій-нітридних 
напівпровідникових приладів у енергетичні та електронні системи» 
 
науковий керівник к.т.н., доцент Ключка Костянтин Миколайович 
                                                           (прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) 
затверджені наказом по університету від «15» вересня 2025р. № 261/03-03 
 
2. Термін подання студентом роботи_____________________________ 
 
3. Об’єкт дослідження – енергетичні та електронні системи, в структурі яких ключову 
роль відіграють силові напівпровідникові прилади й перетворювачі електричної енергії. 
 
4. Предмет дослідження – процеси перетворення та керування електричною енергією в 
таких системах за умов використання високошвидкісних галій-нітридних 
напівпровідникових приладів, а також параметри, характеристики та особливості їх 
інтеграції в силові та електронні пристрої. 
 
5. Перелік завдань, які потрібно розробити: 
1. Провести огляд і аналіз сучасного стану розвитку силових напівпровідникових 
приладів на основі галію нітриду, зокрема типових структур, робочих режимів, параметрів 
і сфер застосування. 
2. Дослідити фізичні й схемотехнічні особливості високошвидкісних GaN-
приладів порівняно з кремнієвими та іншими WBG-приладами (SiC), з акцентом на 
параметрах, що визначають ефективність роботи силових перетворювачів (комутаційні 
втрати, паразитні індуктивності й ємності, допустимі швидкості зміни струму та напруги 
тощо). 
3. Проаналізувати типові топології енергетичних та електронних систем 
(мережеві перетворювачі, DC/DC-конвертори, інвертори для відновлюваних джерел 
енергії, системи живлення, електроприводи), в яких інтеграція високошвидкісних GaN-
приладів є найбільш перспективною. 
4. Розробити та/або адаптувати математичні та імітаційні моделі силових 
перетворювачів із GaN-приладами, придатні для аналізу енергетичних показників, 
перехідних процесів та електромагнітної сумісності. 
5. Провести порівняльні дослідження характеристик перетворювачів на основі 
GaN-приладів і традиційних кремнієвих напівпровідників за ключовими показниками 
(ККД, частота комутації, масогабаритні параметри, рівень завад, температурні режими). 
6. Оцінити перспективи застосування GaN-приладів у контексті модернізації 
енергетичних систем, зокрема розподільчих мереж та інтегрованих систем 
електропостачання з відновлюваними джерелами енергії, з урахуванням технічних та 
економічних чинників. 
7. Сформулювати практичні рекомендації щодо інтеграції високошвидкісних 
галій-нітридних приладів у конкретні класи енергетичних та електронних систем, 
зазначивши можливі обмеження, ризики й напрями подальших досліджень. 
 
6. Перелік ілюстративного матеріалу − у вигляді презентації  
 
7. Перелік публікацій – у вигляді статті чи тез доповіді на конференції   
 
8. Дата видачі завдання «16» вересня  2025 р. 
 
 
Календарний план 
Термін виконання 
№ Назва етапів  виконання  
етапів магістерської Примітка 
з/п магістерської роботи 
роботи 
1 Аналіз літератури по темі  магістерської роботи  16.09.2025–02.10.2025  
Складання попереднього плану і структури 03.10.2025–09.10.2025 
2  
магістерської роботи. Узгодження з керівником 
3 Вступ. Підготовка матеріалів по розділу 1 10.10.2025–16.10.2025  
4 Підготовка матеріалів по розділу 2  17.10.2025–21.10.2025  
5 Підготовка матеріалів по розділу 3 22.10.2025–01.11.2025  
6 Підготовка матеріалів по розділу 4 02.11.2025–07.11.2025  
7 Підготовка матеріалів по розділу 5 08.11.2025–15.11.2025  
Підготовка остаточної версії магістерської 16.11.2025–29.11.2025 
8  
роботи. Узгодження з керівником 
Підготовка доповіді і презентації. Підготовка до 30.11.2025–15.12.2025 
9  
захисту 
10 Захист магістерської роботи 15.12.2025–23.12.2025  
 
 
Здобувач вищої освіти           Ілля БУЗИКІН 
(підпис) (Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) 
   
Науковий керівник роботи           Костянтин КЛЮЧКА 
(підпис) (Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) 
 
5 
 
ЗМІСТ 
стор. 
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ,   
СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ……………………………………………..…… 8 
ВСТУП……………………………………………..………………………… 9 
РОЗДІЛ 1  
АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД СУЧАСНОГО СТАНУ РОЗВИТКУ  
СИЛОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ ТА НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ.. 18 
 1.1 Роль та місце силової електроніки у сучасних енергетичних та  
електронних системах………..……………………..……..……..…… 19 
 1.2 Традиційні силові напівпровідникові прилади на основі  
кремнію (Si) та обмеження їх застосування в сучасних умовах..….. 20 
 1.3 Обмеження кремнієвих приладів в умовах сучасних вимог .….. 21 
 1.4 Широкозонні напівпровідникові матеріали: загальна  
характеристика………………………………………………………… 23 
 1.5 Основні типи приладів GaN, та їхні властивості……………….. 24 
 1.6 Сучасні тенденції розвитку топологій силових перетворювачів  
та напрями їх застосування силових електронних та енергетичних  
системах………………………………………………………………… 29 
 1.7 Стан досліджень і впровадження GaN-технологій в Україні та  
постановка задачі дослідження……………………………………….. 33 
 Висновки до розділу 1…………………………………………………. 35 
РОЗДІЛ 2  
ТИПОВІ ТОПОЛОГІЇ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ТА ЕЛЕКТРОННИХ  
СИСТЕМ, В ЯКИХ ІНТЕГРАЦІЯ GaN-ПРИЛАДІВ Є ДОЦІЛЬНОЮ…... 37 
 2.1 Загальні підходи до вибору топології та елементної бази  
силових перетворювачів…………………………………….………… 37 
 2.2 Джерела живлення та DC/DC-перетворювачі малої і середньої  
потужності…………………………………………………………….. 38 
 2.3 Інвертори напруги для відновлюваних джерел енергії та  
6 
 
розподіленої генерації………………………………………………… 42 
 2.4 Електроприводи та перетворювачі для електротранспорту  
малої та середньої потужності……………………………………….. 44 
 2.5 Застосування GaN-ключів в пристроях компенсації реактивної  
потужності та покращення якості електроенергії…………………… 46 
 2.6 Підсумкові критерії вибору елементної бази та вимог до  
режимів роботи GaN-приладів……………………………………….. 48 
 Висновки до розділу 2………………………………………………… 50 
РОЗДІЛ 3  
РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНИХ ТА ІМІТАЦІЙНИХ МОДЕЛЕЙ  
СИЛОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ІЗ GaN-ПРИЛАДАМИ ТА  
ПОРІВНЯННЯ З КРЕМНІЄВИМИ АНАЛОГАМИ……………………… 52 
 3.1 Вибір об’єкта дослідження та постановка задачі  
моделювання………………………………………………………..…. 52 
 3.2 Математична модель силового перетворювача…………………. 55 
 3.3 Про деякі особливості застосування програмного середовища  
MATLAB/Simulink для імітаційного моделювання силових  
перетворювачів…………….………………………………………….. 58 
 3.4 Вимоги до імітаційної моделі силового перетворювача……….. 62 
 3.5 Формулювання критеріїв порівняння моделей та режимів їх  
випробовування………………………………………………………... 63 
 3.6 Узагальнення критеріїв вибору елементної бази та вимог до  
режимів роботи………………………………………………………… 64 
 3.7 Структурна схема, опис функціонування елементів та  
функціональних зв’язків……………………………………………… 67 
 3.8 Результати моделювання силової частини перетворювача з Si-  
та GaN-ключами………………………………………………………. 76 
 Висновки до розділу 3………………………………………………... 83 
  
  
7 
 
РОЗДІЛ 4  
УЗАГАЛЬНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ПРАКТИЧНІ 85 
РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО ІНТЕГРАЦІЇ ВИСОКОШВИДКІСНИХ GaN-
ПРИЛАДІВ У ЕНЕРГЕТИЧНІ ТА ЕЛЕКТРОННІ СИСТЕМИ………….. 
 4.1 Узагальнена оцінка перспектив застосування GaN-приладів в  
енергетичних та електронних системах……………………………… 85 
 4.2 Особливості енергетичної інфраструктури України та чинники,  
що впливають на інтеграцію GaN-технологій………………………. 86 
 4.3 Критерії вибору GaN-елементної бази для практичних  
застосувань…………………………………………………………….. 88 
 4.4 Вимоги до режимів роботи та конструктивно-схемних рішень  
при застосуванні GaN-приладів………………………………………. 90 
 4.5 Практичні рекомендації щодо впровадження GaN-приладів в  
умовах енергосистеми України………………………………………. 91 
 Висновки до розділу 4………………………………………………… 92 
ВИСНОВКИ………………………………………………………………….. 94 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…………………………………… 97 
 
8 
 
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ,  
СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ 
  
ВДЕ відновлювані джерела енергії 
ЕМС електромагнітна сумісність 
ККД коефіцієнт корисної дії 
МОН метал окисел напівпровідник 
ПІ пропорційно-інтегрувальний 
ШІМ широтно-імпульсна модуляція 
ANPC Active neutral-point-clamped converter 
DC/AC Direct Current/Alternating Current  
DC/DC Direct Current/Direct Current 
GTO Gate Turn-Off thyristor 
GCT Gate Commutated Thyristor 
IGBT Insulated-gate bipolar transistor 
IPM Intelligent Power Module 
HEMT High Electron Mobility Transistor 
MOSFET Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor 
WBG Wide-Bandgap Semiconductor 
NPC Seiko NPC Corporation 
SMPS Switched-Mode Power Supply 
THD Total Harmonic Distorsions 
ZVS/ZCS Zero Voltage Switching/ Zero Current Switching 
 
 
) 
 
 
9 
 
ВСТУП 
 
Актуальність теми. Сучасний розвиток енергетики та силової 
електроніки характеризується глибокою трансформацією, зумовленою 
одночасним впливом кількох ключових викликів: переходом до 
відновлюваних джерел енергії, зростанням рівня децентралізації 
енергосистем, активним упровадженням концепції Smart Grid, масовою 
електрифікацією транспорту та швидким поширенням високоефективних 
електронних пристроїв і систем керування. За цих умов значно зростають 
вимоги до силових напівпровідникових приладів, які є базовими елементами 
перетворювачів електричної енергії, систем живлення, електроприводів, 
зарядних станцій для електротранспорту, джерел безперебійного живлення, 
перетворювачів для фотоелектричних станцій тощо. 
Практичне значення теми цієї магістерської роботи випливає з 
комбінованого впливу технологічних, економічних та системних факторів. 
По-перше, у сучасних енергетичних системах силові електронні 
перетворювачі відіграють вирішальну роль у перетворенні енергії, 
регулюванні та управлінні в енергетичних мережах, джерелах живлення, 
промислових об'єктах, транспорті та побутовій техніці, і їхня частка 
застосування швидко зростає. Ефективність та надійність цих 
перетворювачів безпосередньо залежать від параметрів силових 
напівпровідникових приладів, які визначають втрати на перемикання, рівні 
електромагнітних перешкод та можливий діапазон частот і потужності. 
По-друге, для зменшення маси та розмірів фільтрів та компонентів 
фільтрів, а також для покращення динамічних характеристик системи 
(швидкість, якість регулювання) робоча частота перетворювачів постійно 
збільшується, але це стикається з обмеженнями, що накладаються 
кремнієвою технологією. Перехід до широкозонних матеріалів, особливо 
10 
нітриду галію (GaN), є одним з ключових напрямків для подолання цих 
обмежень. 
По-третє, впровадження відновлюваних джерел енергії (сонячної, 
вітрової, малої гідроенергетики тощо) також порушило питання підвищення 
ефективності перетворювачів постійного струму в змінний струм, інверторів, 
перетворювачів постійного струму та систем накопичення енергії. 
Високошвидкісні пристрої на основі нітриду галію (GaN) забезпечують 
ефективніші топології високочастотних перетворювачів, що особливо 
важливо в ситуаціях, пов'язаних з роботою з частковим навантаженням та 
змінами в режимах виробництва відновлюваної енергії. 
По-четверте, розвиток електричного транспорту, зарядної 
інфраструктури, систем швидкої зарядки та незалежних джерел живлення 
вимагає перетворювачів потужності з високою питомою потужністю, 
компактністю та високою ефективністю. Пристрої на основі GaN можуть 
значно зменшити розмір зарядних модулів, збільшити щільність потужності 
та зменшити втрати на перемикання, що призводить до прямих економічних 
та екологічних переваг. 
По-п'яте, високошвидкісні пристрої на основі GaN мають широкі 
перспективи застосування не лише в енергетичному секторі, але й великий 
потенціал у високочастотній радіоелектроніці (радіочастотні та 
мікрохвильові підсилювачі, радар, зв'язок), де також є важливими вимоги до 
високої частоти, високої потужності та високої ефективності. Це дозволяє 
інтегрувати міжгалузеві рішення та використовувати окремі компоненти в 
енергетичних та інформаційних системах. 
Тому дослідження перспектив інтеграції високошвидкісних 
напівпровідникових приладів на основі нітриду галію в енергетичні та 
електронні системи є своєчасним та практично значущим завданням, що 
відповідає стратегічному напрямку розвитку сучасної енергетичної та 
11 
силової електроніки. 
Традиційні кремнієві (Si) силові напівпровідникові прилади – діоди, 
біполярні транзистори, МОН-транзистори, IGBT – протягом тривалого 
періоду забезпечували технічний прогрес у галузі силової електроніки. Однак 
наближення кремнієвої технології до фундаментальних фізичних обмежень, 
пов’язаних із шириною забороненої зони, напруженістю електричного 
пробою, теплопровідністю та частотними властивостями, створює суттєві 
бар’єри для подальшого підвищення частоти комутації, зменшення втрат і 
габаритів обладнання. У результаті розробники й дослідники дедалі 
активніше звертаються до напівпровідникових матеріалів із широкою 
забороненою зоною (Wide Bandgap, WBG), зокрема до карбіду кремнію (SiC) 
та галію нітриду (GaN). 
Серед цих матеріалів галій нітрид (GaN) вирізняється поєднанням 
високої критичної напруженості пробою, широкої забороненої зони, високої 
рухливості електронів та можливості формування висококонцентрованого 
двовимірного електронного газу (2DEG) у гетероструктурах AlGaN/GaN. Це 
забезпечує реалізацію високошвидкісних приладів, здатних працювати на 
частотах від сотень кілогерц до мегагерцового діапазону при відносно 
високих напругах та струмах. Такі властивості відкривають принципово нові 
можливості для силової перетворювальної техніки та високочастотної 
електроніки, особливо в тих сферах, де критичними є енергоефективність, 
компактність, точність регулювання та швидкодія. 
Високошвидкісні GaN-транзистори, як правило, реалізуються у 
вигляді приладів типу HEMT (High Electron Mobility Transistor) на 
гетероструктурах AlGaN/GaN на різних підкладках (Si, SiC, sapphire тощо). 
Для силових застосувань розробляються та впроваджуються так звані 
enhancement-mode (e-mode) силові GaN-прилади, які забезпечують безпечне 
керування, що є критично важливим для енергетичних перетворювачів. 
12 
Використання таких приладів дає змогу підвищити робочу частоту силових 
перетворювачів, зменшити розміри магнітних елементів та фільтрів, знизити 
сумарні втрати, а отже — підвищити загальний ККД системи та її питомі 
показники (потужність на одиницю маси чи об’єму). 
Водночас широкомасштабна інтеграція GaN-приладів у енергетичні та 
електронні системи супроводжується низкою викликів: необхідністю 
розроблення нових схемних рішень, специфічних драйверів керування, 
вдосконалених методів тепловідведення та електромагнітної сумісності, а 
також напрацюванням адекватних моделей і методик розрахунку, які 
враховують особливості високошвидкісних процесів комутації. Додаткової 
уваги потребує питання забезпечення надійності й довговічності GaN-
приладів в умовах багаторічної експлуатації в енергетичних системах, де 
діють підвищені вимоги до безпеки, відмовостійкості та резервування. 
З огляду на активну трансформацію енергетичного сектору України, 
спрямовану на підвищення енергоефективності, інтеграцію відновлюваних 
джерел енергії, модернізацію розподільчих мереж та впровадження елементів 
Smart Grid, дослідження перспектив інтеграції високошвидкісних GaN-
приладів у вітчизняні енергетичні та електронні системи має як наукове, так і 
практичне значення. Використання GaN-технологій у силовій електроніці 
може стати одним з інструментів зменшення втрат в мережах, оптимізації 
режимів роботи перетворювачів, підвищення надійності електропостачання 
та покращення показників якості електроенергії. 
Тому розробка всебічно обґрунтованої ефективної методології аналізу 
енергетичних процесів у колах з елементами на основі GaN-технологій, які є 
невід`ємною частиною усіх сучасних перетворювальних систем, є 
актуальною та важливою проблемою. Така методика також необхідна для 
розрахунків і вибору обладнання новітніх вентильних перетворювачів та 
вибору оптимальних режимів їх експлуатації. 
13 
Вивченню цього питання присвячені фундаментальні роботи 
українських вчених з таких науково-дослідних та навчальних установ:  
1. Інститут фізики напівпровідників імені В. Є. Лашкарьова 
Національної академії наук України (Київ) – Цей інститут складається з 
кількох відділів, що досліджують широкозонні напівпровідники, 
гетероструктури (включаючи структури AlGaN/GaN та HEMT), їх електричні 
властивості та дефекти. Статті, опубліковані його співробітниками (такими 
як Наумов та Редько), охоплюють гетероструктури AlGaN/GaN HEMT, їх 
електричні властивості та наноструктури на основі GaN. 
2. Технічні університети (такі як Національні технічні університети 
України, включаючи Київський політехнічний університет імені Сікорського, 
Львівський національний політехнічний університет та Харківський 
національний політехнічний університет).  
В зазначених дослідженнях закладені теоретичні основи аналізу, 
розробки та проектування таких класів перетворювальних пристроїв, як керо-
вані випрямлячі, автономні інвертори, компенсатори реактивної потужності, 
індуктивно-ємнісні перетворювачі, перетворювачі частоти, широтно-
імпульсні перетворювачі тощо. 
Таким чином, попри значний обсяг наявних досліджень у сфері GaN-
технологій, питання системної оцінки перспектив їх інтеграції саме в 
енергетичні та електронні системи, типові для умов України й близьких 
енергосистем, лишаються недостатньо опрацьованими.  
Це формує наукову нішу, в межах якої виконано дану магістерську 
роботу. 
Мета та задачі дослідження. Відповідно до вищевикладеного, метою 
магістерської роботи є дослідження перспектив інтеграції високошвидкісних 
галій-нітридних напівпровідникових приладів у енергетичні та електронні 
системи, включно з аналізом їх переваг і обмежень у порівнянні з 
14 
традиційними кремнієвими рішеннями, оцінкою впливу на 
енергоефективність, масогабаритні показники, надійність і якість 
електроенергії, а також формулюванням рекомендацій щодо доцільних 
напрямів застосування таких приладів у сучасних та перспективних силових 
перетворювачах. 
Для досягнення вказаної мети потрібно вирішення наступних 
науково-технічних  задач: 
1. Провести огляд і аналіз сучасного стану розвитку силових 
напівпровідникових приладів на основі галію нітриду, зокрема типових 
структур, робочих режимів, параметрів і сфер застосування. 
2. Дослідити фізичні й схемотехнічні особливості високошвидкісних 
GaN-приладів порівняно з кремнієвими та іншими WBG-приладами (SiC), з 
акцентом на параметрах, що визначають ефективність роботи силових 
перетворювачів (комутаційні втрати, паразитні індуктивності й ємності, 
допустимі швидкості зміни струму та напруги тощо). 
3. Проаналізувати типові топології енергетичних та електронних 
систем (мережеві перетворювачі, DC/DC-конвертори, інвертори для 
відновлюваних джерел енергії, системи живлення, електроприводи), в яких 
інтеграція високошвидкісних GaN-приладів є найбільш перспективною. 
4. Розробити та/або адаптувати математичні та імітаційні моделі 
силових перетворювачів із GaN-приладами, придатні для аналізу 
енергетичних показників, перехідних процесів та електромагнітної 
сумісності. 
5. Провести порівняльні дослідження характеристик перетворювачів 
на основі GaN-приладів і традиційних кремнієвих напівпровідників за 
ключовими показниками (ККД, частота комутації, масогабаритні параметри, 
рівень завад, температурні режими). 
15 
6. Оцінити перспективи застосування GaN-приладів у контексті 
модернізації енергетичних систем, зокрема розподільчих мереж та 
інтегрованих систем електропостачання з відновлюваними джерелами 
енергії, з урахуванням технічних та економічних чинників. 
7. Сформулювати практичні рекомендації щодо інтеграції 
високошвидкісних галій-нітридних приладів у конкретні класи енергетичних 
та електронних систем, зазначивши можливі обмеження, ризики й напрями 
подальших досліджень. 
Об’єктом дослідження є енергетичні та електронні системи, в 
структурі яких ключову роль відіграють силові напівпровідникові прилади й 
перетворювачі електричної енергії. 
Предметом дослідження є методи перетворення та керування 
електричною енергією в таких системах за умов використання 
високошвидкісних галій-нітридних напівпровідникових приладів, а також 
параметри, характеристики та особливості їх інтеграції в силові та електронні 
пристрої. 
Методи дослідження. Для розв’язування поставлених задач у 
магістерській роботі використовувалися методи дослідження: аналіз і 
систематизація літературних джерел, стандартів та технічної документації 
щодо GaN-приладів, силових перетворювачів та енергетичних систем; 
методи математичного моделювання електричних кіл і систем із 
використанням сучасних програмних засобів (MATLAB/Simulink, SPICE-
подібні середовища), що дозволяють досліджувати перехідні та усталені 
процеси в перетворювачах з GaN-приладами; порівняльний аналіз отриманих 
результатів із характеристиками перетворювачів на базі традиційних 
кремнієвих приладів, що дозволяє кількісно оцінити виграш від застосування 
GaN-технологій. 
16 
Наукова новизна одержаних результатів. У процесі вирішення по-
ставлених задач автором отримано наступні наукові результати. 
1. Уточнено й систематизовано підхід до комплексної оцінки 
ефективності застосування високошвидкісних GaN-приладів у силових 
перетворювачах для енергетичних систем, що враховує не лише енергетичні 
показники, а й аспекти електромагнітної сумісності та теплових режимів. 
2. Запропоновано імітаційні моделі силових перетворювачів із GaN-
приладами, які дозволяють адекватно враховувати високошвидкісні процеси 
комутації та паразитні параметри елементів схеми. 
3. Проведено порівняльний аналіз режимів роботи перетворювачів з 
GaN-приладами та традиційними Si-пристроями у контексті інтеграції до 
систем із відновлюваними джерелами енергії та розподіленою генерацією, із 
виявленням режимів, у яких застосування GaN-технологій є найбільш 
доцільним. 
4. Сформульовано узагальнені рекомендації щодо вибору структурних 
і параметричних рішень для енергетичних та електронних систем із 
високошвидкісними GaN-приладами, орієнтовані на умови експлуатації в 
сучасних електроенергетичних мережах України. 
Практична цінність. Практичне значення роботи полягає в тому, що 
її результати можуть бути використані: 
− при проектуванні сучасних силових перетворювачів електроенергії 
на базі високошвидкісних GaN-приладів, зокрема для систем 
електропостачання з відновлюваними джерелами, зарядних станцій 
електротранспорту, високоефективних джерел живлення; 
− при модернізації існуючих енергетичних та електронних систем 
шляхом заміни або доповнення традиційних Si-приладів GaN-рішеннями з 
метою зменшення втрат та поліпшення енергетичних показників; 
17 
− для уточнення технічних вимог до силових приладів, драйверів 
керування та елементів захисту в умовах високочастотної комутації й 
підвищених швидкостей зміни напруги й струму; 
− у навчальному процесі закладів вищої освіти при викладанні 
дисциплін, пов’язаних із силовою електронікою, напівпровідниковою 
технікою, Smart Grid та системами перетворення й розподілу електроенергії, 
як приклад інтеграції сучасної елементної бази в реальні енергетичні та 
електронні системи. 
Апробація роботи. Основні засади роботи доповідалися, та 
обговорювалися під час студентської науково-практичної конференції «Дні 
студентської науки ЧДТУ» (Черкаси, 22–24 квітня 2025 р.). 
Публікації. На основі отриманих результатів було опубліковано одну 
наукову роботу [44]. 
Структура магістерської роботи. Магістерська робота складається з 
вступу, 4-х розділів, висновку, списку використаних джерел. Робота 
складається з 102 сторінки друкованого тексту, має 17 рисунків і 2 таблиці. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
18 
РОЗДІЛ 1  
АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД СУЧАСНОГО СТАНУ РОЗВИТКУ СИЛОВОЇ 
ЕЛЕКТРОНІКИ ТА НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ 
 
1.1 Роль та місце силової електроніки у сучасних енергетичних 
та електронних системах 
Силова електроніка є однією з ключових технологічних платформ 
сучасної електроенергетики. Саме силові напівпровідникові прилади та 
побудовані на їх основі перетворювачі забезпечують кероване перетворення 
електричної енергії за параметрами напруги, струму, частоти та форми 
сигналу. Вони використовуються практично на всіх рівнях – від 
мікроелектронних пристроїв живлення портативної техніки до 
високопотужних перетворювальних комплексів у магістральних 
енергосистемах. 
Поступова децентралізація енергетики, масова інтеграція 
відновлюваних джерел енергії, електрифікація транспорту та впровадження 
концепції Smart Grid призвели до значного ускладнення режимів роботи 
енергосистем. Замість традиційної схеми з великою кількістю пасивних 
елементів (трансформаторів, реакторів тощо) та обмеженою кількістю 
керованих вузлів, сучасні системи включають сотні та тисячі силових 
перетворювачів, інверторів, компенсаторів реактивної потужності, пристроїв 
зберігання енергії, керованих електроприводів. 
У таких умовах силова електроніка виконує низку критично важливих 
функцій: 
− кероване перетворення енергії між різними рівнями напруги 
(HV/MV/LV), між змінним та постійним струмом, а також між різними 
частотними діапазонами; 
19 
− покращення якості електроенергії, зокрема зниження рівня 
гармонік, стабілізація напруги й частоти, компенсація коливань та провалів 
напруги; 
− оптимізація режимів роботи джерел енергії (генераторів, 
перетворювачів відновлюваних джерел, електростанцій) шляхом гнучкого 
керування потужністю; 
− забезпечення високої енергоефективності шляхом мінімізації втрат 
при перетворенні й передачі електроенергії; 
− реалізація інтелектуальних функцій в електроприводах та 
електротранспорті (векторне керування, рекуперація, адаптивні режими 
роботи). 
Як свідчить з проведеного аналізу, наразі понад 50% виробленої 
електроенергії перетворюється на інші форми енергії за допомогою 
перетворювальних пристроїв. Тому роль перетворювальних пристроїв в 
економії енергії є особливо важливою. 
Перетворювачі на основі напівпровідникових приладів складають 
основу сучасних електроприводів і знаходять у них все ширше застосування. 
Вони використовуються в транспорті, електроустановках, на електростанціях 
тощо. 
Широке використання перетворювальних пристроїв зумовлене 
перевагами напівпровідникових систем та мікроелектроніки, а саме: малими 
розмірами, швидкістю, чутливістю, надійністю, економічністю та широкими 
можливостями обробки інформації. 
Базовими елементами сучасних силових перетворювальних пристроїв 
є електричні вентилі (ЕВ)  – силові напівпровідникові прилади, які працюють 
в ключовому режимі (транзистори, тиристори, діоди). Специфіка ЕВ як 
суттєво нелінійних елементів електричних кіл обумовила розвиток науково-
дослідних робіт по моделюванню, аналізу та проєктуванню вентильних 
20 
перетворювачів сучасних електроенергетичних систем, в т.ч. перспективних 
Smart Grid мереж. 
Таким чином, силова електроніка є ключовою ланкою, що пов’язує 
джерела, мережі та споживачів енергії в єдину інтегровану систему з високим 
рівнем керованості та автоматизації. Її розвиток безпосередньо залежить від 
прогресу в галузі силових напівпровідникових приладів, топологій 
перетворювачів та технологій керування. 
 
1.2 Традиційні силові напівпровідникові прилади на основі 
кремнію (Si) та обмеження їх застосування в сучасних умовах 
Протягом тривалого часу основною елементною базою силової 
електроніки були і залишаються напівпровідникові прилади на основі 
кремнію (Si). До класичних силових пристроїв, що широко застосовуються у 
перетворювачах, належать: 
− силові діоди (випрямні, швидкодіючі, Шоткі-діоди на Si); 
− тиристори (керовані випрямлячі, GTO, GCT, інтегральні 
тиристорні модулі); 
− біполярні транзистори силового типу (BJT); 
− польові транзистори MOSFET на Si; 
− IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) – біполярні транзистори з 
ізольованим затвором. 
Вибір конкретного типу приладу традиційно визначався вимогами до: 
− діапазону робочих напруг і струмів; 
− частоти комутації; 
− рівня втрат у відкритому та закритому стані; 
− складності й вартості системи керування; 
− допустимого рівня електромагнітних завад. 
 
21 
Упродовж тривалого часу прогрес силової електроніки забезпечувався 
передусім за рахунок вдосконалення кремнієвих технологій: зменшення 
товщини базових шарів, оптимізації режимів легування, впровадження нових 
структур (trench-MOSFET, різноманітні модифікації IGBT тощо). Це дало 
змогу істотно підвищити граничні електричні параметри приладів, знизити 
втрати та підвищити робочу частоту. 
Водночас кремнієві прилади обмежені фундаментальними фізичними 
властивостями матеріалу – шириною забороненої зони, критичною 
напруженістю електричного пробою та теплопровідністю. Унаслідок цього 
неможливо довільно поєднати високі значення напруги, струму та частоти 
комутації без різкого зростання втрат, перегріву й погіршення надійності 
елементної бази. Саме наближення до цих граничних можливостей кремнію 
стимулювало активний пошук альтернативних напівпровідникових 
матеріалів для силових приладів. 
 
 1.3 Обмеження кремнієвих приладів в умовах сучасних вимог 
Розвиток сучасних енергетичних систем висунув нові та вищі вимоги 
до силових напівпровідникових приладів. Зокрема, ці вимоги включають: 
Збільшення робочої частоти перетворювачів (до сотень кілогерц та 
мегагерц) для зменшення розміру та ваги магнітних компонентів і фільтрів; 
Збільшення щільності потужності перетворювачів та джерел 
живлення (кВт/дм³, кВт/кг); 
Зменшення загальних втрат (втрат на провідність та втрат на 
комутацію) для підвищення ефективності; 
Мінімізація рівнів електромагнітних перешкод та забезпечення 
відповідності більш суворим стандартам електромагнітної сумісності (ЕМС); 
 
22 
Робота в широкому діапазоні температур, забезпечуючи при цьому 
високу надійність та довговічність. 
Усі ці вимоги розкривають притаманні кремнієвим приладам 
обмеження: 
1. Деякий компроміс між напругою, струмом та частотою. Кремнієві 
прилади зазвичай ефективно працюють при відносно низьких напругах та 
високих частотах (наприклад, МОП-транзистори) або при відносно високих 
напругах та середніх частотах (наприклад, IGBT, тиристори). Спроба значно 
збільшити частоту при високих напругах різко збільшує втрати на 
комутацію. 
2. Проблема втрат на комутацію. Щоразу, коли вмикається та 
вимикається перемикач, відбувається динамічний перехідний процес, під час 
якого мають місце великі напруги та струми. У кремнієвих пристроях 
тривалість цих процесів значно обмежена фізикою матеріалу та структурою 
пристрою, що призводить до значних втрат та виділення тепла зі 
збільшенням частоти. 
3. Температурні обмеження. Незважаючи на те, що кремнієві пристрої 
можуть працювати за досить високих температур, їхні параметри (опір 
увімкненого стану, швидкодія, надійність) значно знижуються поблизу 
температурної межі. Це обмежує кінцеву щільність потужності та ускладнює 
розсіювання тепла. 
4. Проблеми електромагнітної сумісності. Використання звичайних 
пристроїв у високочастотних режимах утруднюється складністю керування 
швидкостями зміни напруги та струму (du/dt та di/dt), оскільки це 
безпосередньо впливає на величину електромагнітного випромінювання та 
вимоги до фільтрації цього випромінювання. 
 
23 
Тому, хоча кремнієві пристрої залишаються дуже поширеними, 
реалізація ефективних, компактних та високошвидкісних перетворювачів все 
більше вимагає нових компонентів з іншими фізичними властивостями 
матеріалів. 
 
1.4 Широкозонні напівпровідникові матеріали: загальна 
характеристика 
Так звані напівпровідникові матеріали з широкою забороненою зоною 
(WBG), насамперед карбід кремнію (SiC) та нітрид галію (GaN), з'явилися як 
альтернатива кремнію в силовій електроніці [1–5]. Їхньою ключовою 
особливістю є ширша заборонена зона, яка забезпечує низку суттєвих 
переваг порівняно з традиційним кремнієм: 
− вища критична напруга пробою, що дозволяє створювати системи з 
вищими пороговими напругами з тоншими епітаксійними шарами; 
− менші втрати в провідниках через знижений опір провідності при 
заданій блокуючій напрузі; 
− здатність працювати за вищих температур без значного погіршення 
продуктивності (параметрів); 
− вища швидкодія через покращені частотні характеристики та 
меншій ємності переходу. 
Так, карбід кремнію (SiC) вже активно використовується в силових 
пристроях середньої та високої напруги, зокрема там, де потрібна напруга 
1200 В і вище: в перетворювачах електроприводів, тягових та промислових 
перетворювачах, мережевих інверторах для відновлюваних джерел енергії 
тощо. 
Нітрид галію (GaN) характеризується ще ширшою забороненою 
зоною та високою рухливістю електронів, що робить його особливо 
перспективним для високочастотних та високошвидкісних силових 
24 
пристроїв, а також для радіо- та мікрохвильової електроніки. Типові 
застосування, де GaN можуть дати значні переваги включають низько- та 
середньопотужні (до десятків кіловат) високощільні перетворювачі 
потужності, блоки живлення для телекомунікацій, сервери, побутову 
електроніку, зарядні пристрої для акумуляторів та високочастотні інвертори 
в системах відновлюваної енергії, як показано на рис. 1.1. 
 
  
Рис. 1.1 Переваги застосування напівпровідникових приладів 
на основі GaN технології 
 
Поява матеріалів із широкою забороненою зоною відкрила нову 
парадигму для проектування силової електроніки, а частотні, енергетичні та 
якісні параметри перетворювачів можуть бути значно покращені порівняно з 
традиційними кремнієвими рішеннями [5–8]. 
 
1.5 Основні типи приладів GaN, та їхні властивості 
Нітрид галію як матеріал має певний перелік важливих фізичних 
властивостей, що визначають його придатність для силової електроніки: 
− ширина забороненої зони приблизно 3,4 еВ (порівняно з ~1,1 еВ у 
Si); 
− висока критична напруга пробою; 
− висока рухливість електронів у гетероструктурах AlGaN/GaN; 
− здатність створювати двовимірний електронний газ (2DEG) з дуже 
високою концентрацією носіїв заряду. 
25 
Найпопулярнішим типом GaN-транзистора є HEMT (High Electron 
Mobility Transistor) – транзистор з високою рухливістю електронів, 
транзистор з високою рухливістю електронів [12]. В такому транзисторі в 
якому провідний канал утворюється в тонкому шарі на межі розділу між 
гетероструктурою AlGaN/GaN. Модифіковані HEMT-структури 
використовуються в силовій електроніці, адаптовані для подачі напруги та 
струму та орієнтовані на роботу в ключовому режимі.  
Так, наприклад, на рис. 1.2 наведено структуру, де нормально 
вимкнений GaN-транзистор (HEMT), отриманий у «каскодній» конфігурації, 
що поєднує високовольтні (600 В) нормально включені GaN-транзистори з 
високою рухливістю електронів (HEMT) з низьковольтним (30 В) нормально 
вимкненим Si MOSFET. 
 
Рис. 1.2 Типова конфігурація високошвидкісного «каскодного» ключа на основі 
HEMT транзистора, виконаного по GaN технології  
 
Типовим прикладом GaN-транзистора GaN Systems є GS66516B – це 
650-вольтовий транзистор GaN-технології, що працює в режимі збагачення і 
поєднує в собі високий припустимий струм у відкритому стані, а також 
високу напругою пробою і частотою комутації, схемне зображення якого 
показане на рис. 1.3. GS66516B це потужний транзистор GaN-на-кремнії GaN 
Systems GS66516B на 650 В, що працює в режимі збагачення, має шість 
26 
контактів, подвоєних для збільшення допустимого навантаження струмом і 
зниження паразитної індуктивності. (Джерело: GaN Systems) [31]). 
 
 
 
Рис. 1.3 Потужний транзистор GaN-на-кремнії GaN Systems GS66516B на 650 В [31] 
 
Цей шестиконтактний транзистор з нижнім охолодженням, його 
зовнішній вигляд показаний на рис. 1.4., має розміри всього 11 × 9 мм і 
володіє дуже низьким тепловим опором переходу-корпусу. Значення 
омічного опору у відкритому стані становить близько 25 мОм, максимальний 
струм – 10 А, а частота перемикань може досягати 10 МГц і вище. Зручність 
до використання посилюється завдяки напрузі управління затвором від 0 до 6 
В (рівень логічних сигналів), а також стійкістю до перенапруг зі сторони 
затвора (при перехідних процесах), від -20 до +10 В [31]. 
З погляду керування, особливо важливими є прилади з позитивним 
порогом увімкнення (enhancement-mode, e-mode), оскільки вони дозволяють 
реалізувати логіку «вимкнено за замовчуванням», що відповідає традиційним 
вимогам до силових ключів у енергетичних системах (високий рівень 
безпеки, сумісність зі схемами керування на основі MOSFET/IGBT). 
 
 
27 
 
 
Рис. 1.4 Корпус GaN Systems GS66516B розміром 11x9 мм має нижній тепловий 
контур для максимального охолодження [31] 
 
В роботі [44] наведено внутрішню будову нормально ввімкненого 
HEMT-транзистора з затвором Шотткі (рис. 1.5, a) та нормально ввімкненого 
HEMT-транзистора з затвором p-GaN (рис. 1.5, b); діаграми зон провідності 
гетероструктури p-GaN/AlGaN/GaN, змодельовані для шару p-GaN (3 × 10¹⁹ 
см⁻³) товщиною 50 нм, товщини AlGaN 15 нм та концентрації Al 15% (рис. 
1.5, c). Рівень Фермі (пунктирна лінія) лежить нижче зони провідності, що 
вказує на виснаження двовимірного електронного газу (2DEG) та нормально 
ввімкнений стан. Для порівняння наведено зонну діаграму гетероструктури 
AlGaN/GaN зі звичайним затвором Шотткі (нормально ввімкнений). 
Головні достоїнства силових пристроїв на елементах GaN, що 
стосуються силових енергетичних та електронних систем, можна 
підсумувати наступним чином [40]: 
− дуже висока швидкість перемикання (десятки та сотні В/нс для 
du/dt, значні значення di/dt), що дає змогу підвищувати робочу частоту 
перетворювачів до діапазону сотень кілогерц та одиниць мегагерц; 
− низькі втрати на перемикання, що виникають через короткі фронти 
перемикання та відсутність виражених процесів накопичення заряду та 
накачування, характерних для біполярних структур; 
28 
 
 
Рис. 1.5 Будова нормально ввімкненого HEMT-транзистора [44] 
а) – з затвором Шотткі; b) – з затвором p-GaN; с) – діаграми зон провідності 
 
− зменшені втрати в провідниках при заданій блокуючій напрузі 
завдяки високій критичній напрузі пробою та можливості використання 
тонших шарів; 
– менша маса та габарити перетворювача завдяки зменшенню 
кількості магнітних компонентів, фільтрів та систем охолодження; 
– покращені температурні характеристики, що дозволяють збільшити 
щільність потужності та спростити конструкцію тепловідведення. 
– водночас, пристрої на основі gan мають специфічні характеристики, 
що ускладнюють їх інтеграцію в реальні системи, зокрема: 
– підвищена чутливість до якості проектування друкованих плат 
(мінімізація індуктивності та паразитної ємності); 
– потреба в спеціалізованих драйверах керування, здатних 
забезпечити швидкі фронти сигналу, що мінімізують паразитні коливання; 
– підвищені вимоги до електромагнітної сумісності, оскільки швидкі 
процеси перемикання можуть генерувати широкий спектр високочастотних 
завад; 
29 
– вимоги до кваліфікованого теплового моделювання, оскільки 
висока щільність потужності локалізує розсіювання тепла в межах 
невеликого об'єму. 
 
1.6 Сучасні тенденції розвитку топологій силових перетворювачів 
та напрями їх застосування силових електронних та енергетичних 
системах 
Розвиток елементної бази силової електроніки пов'язаний з еволюцією 
схемотехнічних рішень та топологій напівпровідникових перетворювачів. 
Ключові тенденції, що стосуються нашої роботи, включають: 
1. Перехід до високочастотних топологій. Використання компонентів 
WBG, зокрема GaN, дозволяє значно збільшити робочі частоти 
перетворювачів, що, у свою чергу, дозволяє використовувати менші 
трансформатори та дроселі, зменшити ємність фільтра та спростити 
конструкцію. В результаті збільшується щільність потужності та 
зменшується вага перетворювача. 
2. Розробка резонансних та квазірезонансних схем (перетворювачі 
LLC та CLLC, фазозсувні мостові інвертори тощо), які значно зменшують 
втрати на перемикання, що виникають внаслідок роботи в режимах «м'якого» 
перемикання (ZVS/ZCS). Компоненти GaN особливо добре підходять для 
таких схем, оскільки їхні високочастотні властивості дозволяють реалізувати 
резонансні режими вищої частоти. 
3. Багаторівневі перетворювачі (NPC, ANPC, Flying Capacitor та інші) 
в основному використовуються у високо- та середньовольтних системах. 
Вони дозволяють знижувати напругу на окремих перемикачах та 
покращувати спектральний склад вихідної напруги. У поєднанні з системами 
WBG, багаторівневі системи забезпечують високу ефективність та 
покращену якість електроенергії. 
30 
4. Інтеграція функцій керування та живлення – розробка так званих 
«інтелектуальних силових модулів» (IPM), в яких силові ключі, контролери, 
захист, а іноді й частина логіки керування інтегровані в один модуль. 
Технології GaN характеризуються створенням швидких модулів, які 
потребують мінімальної зовнішньої проводки, забезпечують оптимізовані 
шляхи струму та мінімізують паразитну індуктивність. 
5. Мережі постійного струму. В інтелектуальних мережах (Smart 
Grids) та системах з високою часткою відновлюваних джерел енергії рішення 
з проміжною шиною постійного струму (DC-link) на різних рівнях напруги 
стають все більш популярними. У цьому випадку перетворювачі GaN 
забезпечують високоефективне перетворення між різними рівнями напруги 
постійного струму та підключення до мереж змінного струму через 
високочастотні інвертори. 
Таким чином можна зробити такий проміжний висновок, що сучасні 
тенденції розвитку топології силових перетворювачів тісно пов'язані з 
можливостями нової компонентної бази. Пристрої GaN виступають 
каталізатором переходу до високочастотних, високоефективних та 
компактних рішень у різних класах силових електронних та енергетичних 
систем. 
Спектр застосувань силових пристроїв на основі GaN швидко 
розширюється. Найпопулярнішими з них є [44]: 
1. Джерела живлення низької та середньої потужності (блоки 
живлення комп'ютерів, серверів та телекомунікаційних систем, промислові та 
побутові блоки живлення), де використання GaN дозволяє підвищити 
ефективність, зменшити розміри та покращити щільність потужності. 
2. Зарядні пристрої для портативної електроніки та електромобілів 
низької потужності (адаптери швидкої зарядки, бортові зарядні пристрої для 
31 
електромобілів низької потужності), де особливо важливі компактність, вага 
та енергоефективність. 
3. Інвертори для відновлюваних джерел енергії (фотоелектричні 
інвертори низької потужності, мікроінвертори, модульні перетворювачі), де 
пристрої на основі GaN забезпечують підвищення ефективності та 
зменшення розмірів, що особливо важливо для розподіленої генерації. 
4. Джерела живлення для телекомунікаційного обладнання, центрів 
обробки даних та серверів, де високі вимоги до енергоефективності та 
щільності потужності спонукають до переходу на високочастотні 
перетворювачі GaN. 
5. Електроприводи низької та середньої потужності та спеціалізовані 
приводи, що вимагають високої швидкості, широких можливостей 
керування, підвищених вимог до динаміки та якості керування крутним 
моментом. 
Проведений аналіз дає усі підстави передбачати, що в майбутньому 
застосування пристроїв на основі GaN розшириться на силові системи 
передачі електроенергії, системи активної компенсації реактивної 
потужності, гнучкі лінії електропередачі та складні системи інтелектуальних 
мереж з високонасиченими силовими електронними пристроями. 
На рис. 1.6 наведена ілюстративна схема з джерела [35], яка наочно 
показує доцільні і перспективні сфери застосування силових пристроїв на 
елементах GaN. Для порівняння також на рис. 1.6 показано діапазон 
застосування пристроїв на основі карбіду кремнію (SiC). 
Головним напрямом дослідження нашої роботи є зосередження на цій 
галузі, маючи на меті дослідити перспективи інтеграції високошвидкісних 
напівпровідникових приладів на основі нітриду галію в енергетичні та 
електронні системи, враховуючи сучасні світові тенденції та специфічні 
особливості розвитку енергетичного сектору України. 
32 
 
 
Рис. 1.6 Можливі застосування силових пристроїв на основі GaN 
залежно від напруги [55] 
 
33 
1.7 Стан досліджень і впровадження GaN-технологій в Україні та 
постановка задачі дослідження 
В Україні дослідження в галузі широкозонних напівпровідникових 
матеріалів, зокрема нітриду галію, проводяться переважно у спеціалізованих 
інститутах Національної академії наук України та провідних технічних 
університетах. Вони можуть бути умовно поділені на два напрямки: фізика та 
технологія гетероструктур GaN, а також застосування GaN у силовій 
електроніці та перетворювачах енергетичних систем. 
Одним із провідних центрів є Інститут фізики напівпровідників імені 
В.Є. Лашкарьова Національної академії наук України (Київ). Серія 
досліджень групи під керівництвом А.В. Наумова, А.Є. Бєляєва, С. Вітусевич 
та їхніх колег досліджує гетероструктури AlGaN/GaN HEMT, ефекти 
саморозігріву, шумові характеристики та температурні режими каналів GaN. 
Зокрема, робота А.В. Наумова [12] та ін. провела електричну та оптичну 
характеристику гетероструктур AlGaN/GaN HEMT та продемонструвала 
вплив розсіювання потужності на температурний діапазон пристроїв.  
Ще одна група робіт, пов'язана з дослідженням квантових структур та 
світлодіодів InGaN/GaN та AlGaN/GaN, була проведена за участю 
дослідників В. Кладька, О. Будника та ін [1, 2, 3]. У цих дослідженнях 
аналізуються механізми випромінювання, вплив напружених станів та 
поляризаційних полів на оптичні переходи, а також температурні ефекти в 
структурах GaN [5]. Хоча основним напрямком цих робіт є оптоелектроніка, 
отримані результати щодо теплових та електричних властивостей 
гетероструктур також мають прямі наслідки для силових пристроїв GaN, що 
працюють у діапазоні високих напруг та густин струму [5]. 
Ще одним важливим елементом спектру наукових публікацій є 
оглядові та прикладні публікації українських дослідників з електроніки GaN 
у технології перетворення енергії. У роботі Бурковського Я.Ю. «Gallium 
34 
nitride electronics» (Електроніка на основі нітриду галію) [3],  розглядаються 
основні фізичні властивості GaN, переваги широкозонних галієвих матеріалів 
та сучасні тенденції розвитку пристроїв на основі GaN для силової 
електроніки. Автор узагальнює світовий досвід впровадження GaN-
транзисторів у перетворювачах напруги, підкреслюючи їхній потенціал для 
підвищення енергоефективності та щільності потужності. 
Окрема група робіт безпосередньо стосується GaN у контексті 
силових перетворювачів та енергетичних застосувань. Наприклад, публікація 
[4], оцінила багаторівневі перетворювачі FCML з використанням GaN-
транзисторів, проаналізувала енергоефективність таких систем та 
сформулювала рекомендації щодо вибору топологій та режимів роботи 
пристроїв на основі нітриду галію. Ця робота є одним із перших прикладів 
цілеспрямованого використання GaN-схем у високочастотних багаторівневих 
топологіях у польській дослідницькій спільноті.  
Також інформаційний пошук показав, що в останні роки регулярно 
з'являлися тези доповідей в матеріалах спеціалізованих конференцій з 
приладобудування, телекомунікацій та радіотехніки (НТУУ «КПІ ім. І. 
Сікорського», НУ «Львівська політехніка» тощо), присвячених моделюванню 
перетворювачів на основі GaN-перемикачів, аналізу їхньої 
енергоефективності та характеристик електромагнітної сумісності. Ці роботи, 
виконувалися дослідниками під керівництвом провідних спеціалістів у галузі 
силової електроніки колективів кафедр електроніки та електроприводу КПІ 
та Львівського політехнічного університету. Проведене ними дослідження  
висвітлює перспективи використання приладів GaN у створенні 
високочастотних, компактних та енергоефективних джерел живлення та 
інверторів сонячних електростанцій [12]. 
 Підсумовуючи вищесказане, можна стверджувати, що Українська 
дослідницька школа в галузі технології GaN вже створила достатню основу в 
35 
теоретичних питаннях фізики та матеріалознавства гетероструктур 
AlGaN/GaN, а опубліковані оглядові статті та окремі прикладні дослідження 
активно розвиваються щодо використання приладів GaN у силовій 
електроніці та багаторівневих перетворювачах енергетичних систем. Але 
незважаючи на це, наразі існує досить мало розширених комплексних 
досліджень, спеціально спрямованих на систематичний аналіз інтеграції 
високошвидкісних GaN-приладів в енергетичні та електронні системи (з 
урахуванням специфіки українського енергетичного сектору, вимог до якості 
електроенергії, режимів роботи розподіленої генерації тощо). 
Це дозволяє обґрунтувати науково-технічну проблему та постановку 
задачі дослідження нашої магістерської роботи. Робота зосереджена на 
порівняльному аналізі характеристик GaN- та Si-приладів у типових силових 
колах, моделюванні перетворювачів з GaN-ключами та оцінці відповідних 
підходів до їх інтеграції в сучасні енергетичні та електронні системи. 
 
Висновки до розділу 1 
1. Фундаментальною основою сучасних енергетичних та електронних 
систем є силова електроніка, яка сприяє енергоефективному перетворенню 
електроенергії. 
2. Традиційні кремнієві пристрої, включаючи діоди, тиристори, 
MOSFET та IGBT, досягли значних показників продуктивності; однак вони 
обмежені властивими матеріалу фізичними обмеженнями. 
3. Пошук нової елементної основи зумовлений неможливістю 
одночасного застосування високих напруг, струмів та частот перемикання до 
кремнію без помітного збільшення втрат, перегріву та загального зниження 
надійності. 
36 
4. Порівняно з кремнієм, широкозонні матеріали, такі як SiC та GaN, 
пропонують покращену пробивну напругу, чудові температурні та частотні 
характеристики, а також зменшені питомі втрати. 
5. Розробка високошвидкісних, компактних та високоефективних 
перетворювачів полегшується пристроями на основі GaN, зокрема HEMT; 
проте ретельне проектування схем керування, монтажу та заходи 
електромагнітної сумісності є важливими. 
6. Сучасні топології високочастотних перетворювачів потужності, 
нерозривно пов'язані з використанням широкозонної матеріальної основи, 
яка включає в т.ч. GaN. 
7. Україна досягла значного прогресу в галузі гетероструктур GaN; 
проте практичне впровадження силових пристроїв GaN в енергетичні 
системи залишається обмеженим і потребує додаткових досліджень. 
8. Результати, представлені у першому розділі, підтверджують 
практичність проведення додаткового аналізу та моделювання щодо 
інтеграції високошвидкісних пристроїв на основі GaN у конкретні 
енергетичні та електронні системи. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
37 
РОЗДІЛ 2 
ТИПОВІ ТОПОЛОГІЇ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ТА ЕЛЕКТРОННИХ 
СИСТЕМ, В ЯКИХ ІНТЕГРАЦІЯ GaN-ПРИЛАДІВ Є ДОЦІЛЬНОЮ 
 
2.1 Загальні підходи до вибору топології та елементної бази 
силових перетворювачів 
Вибір топології перетворювача потужності та відповідної їй 
компонентної бази є ключовим кроком у проектуванні силових та 
електронних систем. Цей етап вимагає компромісу між вимогами до 
електричних параметрів, енергоефективності, ваги та габаритів, вартості, 
надійності та електромагнітної сумісності. Традиційно основою є кремнієві 
прилади (MOSFET, IGBT), але поява GaN-транзисторів відкрила нові 
можливості для оптимізації топології, особливо у високочастотному 
діапазоні та діапазоні високої щільності потужності [30, 33, 39]. 
Загалом, процес вибору компонентної бази та топології базується на 
таких кроках: 
– аналіз вхідних даних (діапазон напруги та струму, тип джерела 
живлення – змінного або постійного струму, характеристики навантаження, 
вимоги до регулювання); 
– визначення цільових параметрів (ККД, частота комутації, щільність 
потужності, пульсації та гармоніки); 
– попередній вибір класу топології (лінійні/імпульсні перетворювачі, 
неізольовані/ізольовані, резонансні/нерезонансні, одно- або багаторівневі 
схеми); 
– вибір ключових типів компонентів (Si MOSFET, IGBT, SiC, GaN) з 
урахуванням вимог до робочої напруги, частоти та динамічного діапазону; 
 
38 
– здійснення специфікації структури системи керування, захисту та 
заходів електромагнітної сумісності (ЕМС). 
Впровадження пристроїв на основі GaN рекомендується у випадках, 
коли такі фактори, як: 
– збільшення робочої частоти для зменшення розмірів 
трансформаторів та дроселів; 
– збільшення щільності потужності (Вт/см³, Вт/кг); 
– досягнення високої ефективності при зменшенні габаритів; 
– робота у швидких перехідних станах, де потрібна висока критична 
ефективність. 
Тому ми розглянемо типові класи перетворювачів та систем, в яких 
інтеграція пристроїв GaN є технічно та економічно виправданою. 
 
2.2 Джерела живлення та DC/DC-перетворювачі малої і середньої 
потужності 
Одним із найтиповіших застосувань GaN-транзисторів є імпульсні 
джерела живлення (SMPS) та низько- та середньопотужні DC/DC 
перетворювачі (рис. 2.1) – у побутовій електроніці, телекомунікаціях, 
комп'ютерах, промислових контролерах тощо [41].  
 
 
Рис. 2.1 Типові малопотужні DC/DC-перетворювачі 
39 
До типових топологій, де використання GaN є доцільним, належать: 
– неізольовані понижувальні (buck) та підвищувальні (boost) 
перетворювачі; 
– понижувально-підвищувальні (buck–boost, SEPIC, Cuk) схеми; 
– ізольовані перетворювачі типу flyback, forward, half-bridge та full-
bridge; 
– резонансні та квазі-резонансні топології (LLC, CLLC, активний 
clamp flyback). 
Приклад зовнішнього виду новітнього GaN DC/DC-перетворювача 
потужністю 1 кВт (12 В, 83 А) наведено на рис. 2.2. 
 
 
 
Рис. 2.2 Новітній GaN DC/DC-перетворювач на 1 кВт 
 
Далі розглянемо критерії доцільності застосування GaN у джерелах 
живлення різного призначення. Для зазначених топологій застосування GaN-
приладів доцільне за таких умов: 
1. Висока частота перемикання ключів (100–500 кГц і вище). 
Зі збільшенням частоти втрати на перемикання стають більш 
важливими. GaN-транзистори мають значно менші втрати на перемикання 
порівняно з Si MOSFET в тому ж діапазоні напруги-струму, що дозволяє: 
– збільшити частоту; 
– зменшити розміри індуктивності, трансформатора та фільтра; 
40 
– зменшити вагу та габарити перетворювача.  
2. При підвищених вимогах до ККД та щільності потужності на 
одиницю маси. 
Так, наприклад, у зарядних пристроях, серверних БЖ, 
телекомунікаційних системах критичними є: 
– необхідний ККД понад 94–96 %; 
– щільність потужності 20–40 Вт/дм³ і більше. 
– GaN дозволяє зменшити провідникові та комутаційні втрати, що 
безпосередньо впливає на ці показники. 
3. Габаритні обмеження для силової частини. 
У випадку необхідності використання компактних пристроїв 
(адаптери, вбудовані БЖ, модульні DC/DC-конвертори) GaN-ключі дають 
можливість істотно відчутно радіатори, розміри трансформатора й дроселів 
тощо. 
Так, для прикладу, на рис. 2.3, наведено зовнішній вигляд джерела 
живлення серверу, що має номінальну потужність 4,5 кВт і який виконаний 
на основі  GaN технології (Navitas Semiconductor has demonstrated a 4.5kW 
54V server power supply using both GaN and SiC transistors [66]). За 
інформацією з [66], блок живлення має практично видатні характеристики, а 
саме: заявлена щільність потужності становить «понад 130 Вт/дюйм³ з 
ефективністю понад 97%. 
Вимоги до режимів роботи та вибору елементної бази. Для DC/DC-
перетворювачів із GaN-ключами основні вимоги до режимів роботи такі [27]: 
1. Обмеження робочої напруги ключа відповідно до його класу (часто 
400–650 В для мережевих SMPS і 80–200 В для низьковольтних DC/DC). 
Необхідно мати запас по напрузі (зазвичай 20–30 %) з урахуванням 
перенапруг при комутації. 
 
41 
 
 
Рис. 2.3 Серверний блок живлення, потужністю 4,5 кВт,  
виконаний на основі  GaN технології [27] 
 
2. Режим «жорсткої» або «м’якої» комутації (hard switching vs 
ZVS/ZCS). Для GaN бажано забезпечувати умови наближених до м’яких 
комутацій, особливо при високих напругах, щоб мінімізувати перенапруги та 
високочастотні завади. 
3. Швидкість наростання напруги і струму (du/dt, di/dt). GaN дозволяє 
досягати дуже високих значень du/dt, однак надмірно круті фронти можуть 
погіршити ЕМС. Тому режим роботи підбирається разом із параметрами 
драйверів, схемою затворних ланцюгів та топологією друкованої плати. 
4. Температурний режим. Висока щільність потужності потребує 
ретельного теплового моделювання, хоча допустима температура кристалу 
GaN, як правило, вища, ніж у кремнію. 
Критерії вибору GaN-транзистора в цих топологіях повинні бути 
наступні: 
– клас напруги (переважно 100–650 В); 
– мінімальний опір каналу R_DS(on) при робочій температурі; 
– заряд затвора та вхідна ємність (для оцінки втрат у драйвері й 
швидкодії); 
42 
– наявність інтегрованих функцій (наприклад, синхронні GaN-пари, 
драйвер у корпусі тощо). 
 
2.3 Інвертори напруги для відновлюваних джерел енергії та 
розподіленої генерації 
Системи відновлюваної енергетики (сонячні електростанції, малі 
вітрові електростанції, гібридні автономні системи) та розподілена генерація 
тісно пов’язані з інверторами напруги малої та середньої потужності. В цих 
випадках вельми важливими параметрами є: 
– високий ККД; 
– компактність; 
– можливість роботи з широким діапазоном вхідних напруг; 
– якість вихідної напруги та струму (низький THD). 
До типових структур (топологій) інверторів, де GaN можуть бути 
перспективним, належать: 
– одно- та трифазні інвертори з Н-мостовою структурою; 
– мікроінвертори для фотоелектричних модулів сонячних 
електростанцій; 
– модульні каскадні інвертори для розподілених систем; 
– інвертори з проміжною DC-шиною та високочастотними зв’язними 
перетворювачами. 
Переваги застосування GaN у інверторних системах. 
Використання GaN-приладів в інверторах може дати такі переваги: 
1. Підвищити частоту ШІМ (до десятків–сотень кілогерц), завдяки 
чому: 
– зменшуються фільтри на виході; 
– покращується динаміка регулювання; 
– підвищується щільність потужності на одиницю маси чи об’єму. 
43 
2. Зменшити комутаційні втрати при роботі на підвищених напругах 
DC-шини (типові 400–800 В для побутових і промислових систем), що 
дозволяє підвищити ККД інвертора до досить високого рівня близько 97–99 
%. 
3. Знизити рівень гармонік вихідного струму завдяки можливості 
застосування більш високочастотного та гнучкого ШІМ (векторне керування, 
багаторівневе ШІМ, модулювання просторового вектора). 
Вимоги до режимів роботи інверторів із GaN-ключами. Для інверторів 
на базі GaN ключовими можуть бути запропоновані наступні вимоги: 
1. Робота з високою напругою DC-шини та різкими змінами струму 
навантаження. При цьому є необхідність забезпечення стабільності роботи 
при змінних режимах генерації, а саме рівень сонячної інсоляції, вітрова 
нестабільність та пориви, різкозмінне навантаження споживача тощо). 
2. Узгодження швидкодії силових ключів та принципів (алгоритмів) 
керування. Так, висока швидкість комутації GaN приладів вимагає точного 
синхронізування керуючих імпульсів, мінімального мертвого часу, реалізації 
захисту від одночасного відкривання ключів у плечі моста (виключення 
появи наскрізного струму). 
3. Забезпечення ЕМС. В нашому випадку, через круті фронти напруги 
та струму в GaN-ключах необхідно приділяти підвищену увагу: 
– розводці силових і сигнальних ліній на друкованій платі; 
– застосуванню фільтрів і екранів; 
– правильному заземленню та мінімізації паразитних 
індуктивностей. 
4. Критерії вибору GaN-приладів для інверторів: 
– клас напруги до 600–650 В (або вище – залежно від конфігурації та 
призначення); 
44 
– можливість роботи при високих струмах та повторюваних 
імпульсних перевантаженнях; 
– низькі втрати при комутації на частоті ШІМ, яка задається 
алгоритмом керування. 
Приклад внутрішньої будови новітнього фотоелектричного GaN 
інвертора від виробника Electronics Weekly  наведено на рис. 2.4 [27, 28].  
 
 
Рис. 2.4 Вигляд з середини фотоелектричного GaN інвертора 
 марки Electronics Weekly [77] 
 
За інформацією від виробника такого інвертора, він має номінальну 
потужність 3 кВт. В інверторі використовується вісім GaN-транзисторів 
CGD65A055S2 (650 В 55 мОм) та забезпечує питома потужність 1 кВт/літр. 
Від 150 до 350 В постійного струму він забезпечує вхідну напругу 230 В 
змінного струму. Частота перемикання становить 350 кГц, а пік ефективності 
– 99,22%. 
 
2.4 Електроприводи та перетворювачі для електротранспорту 
малої та середньої потужності 
Очевидним є те, що електроприводи є ключовою галуззю 
застосування силової електроніки. У системах з векторним керуванням, 
рекуперативним гальмуванням та високими динамічними вимогами (роботи, 
45 
дрони, електровелосипеди, індивідуальні електромобілі тощо) використання 
пристроїв на основі GaN дозволяє покращити: 
– динаміку зміни моменту; 
– точність і швидкодію контурів керування; 
– загальну енергоефективність. 
Типові структури застосування GaN ключів в даному напрямі: 
– трифазні інвертори для живлення асинхронних або синхронних 
двигунів (PMSM, BLDC); 
– дворівневі й трирівневі перетворювачі з проміжною DC-шиною; 
– комбіновані DC/DC–DC/AC-модулі для електротранспорту. 
Далі розглянемо більш детально вказані вище структури застосування. 
Так, доцільність GaN елементів у електроприводах може бути тоді, коли: 
1. Необхідні високі швидкості зміни струму двигуна (висока динаміка 
моменту), що вимагає високочастотного ШІМ та швидких ключів. 
2. Обмежені габарити та маса силового перетворювача, наприклад, у 
мобільних платформах, дронах, легкому транспорті. 
3. Важлива висока енергоефективність у широкому діапазоні 
навантажень (часті перехідні, гальмування, рекуперація). 
Також необхідно визначитися з вимогами до режимів роботи та 
вибору GaN-ключів у електроприводах. Для цих випадків характерними 
вимогами будуть: 
– робота на відносно невисоких напругах (зазвичай 24–400 В DC); 
– великі струми та часті зміни напрямку струму; 
– наявність тривалих перехідних режимів і імпульсних 
перевантажень. 
Виходячи з цих умов, GaN-ключі повинні забезпечувати: 
– низький опір R_DS(on) при робочій температурі; 
– стійкість до короткочасних струмових перевантажень; 
46 
– можливість точного керування мертвим часом і мінімізацію 
перехресних струмів. 
Приклад зовнішнього виду новітнього GaN інвертора  для 
високоефективної силової електроніки в електромобілях від виробника MTZ 
наведено на рис. 2.5. 
 
 
 
Рис. 2.5 Новітній GaN інвертор для електротранспорту 
від виробника MTZ  
 
2.5 Застосування GaN-ключів в пристроях компенсації реактивної 
потужності та покращення якості електроенергії 
Інше коло пристроїв та систем, в яких є доцільним застосовувати  
GaN-прилади, – це активні фільтри гармонік, статичні вар-компенсатори 
(STATCOM), гібридні компенсатори реактивної потужності, активні фронт-
енди (Active Front End, AFE) [15–26]. 
В зазначених системах силові перетворювачі працюють в таких 
особливих режимах: 
– із підвищеними вимогами до форми струму; 
– на відносно високих напругах мережі (трифазні 0,4 кВ, вище – у 
мультирівневих схемах); 
47 
– з необхідністю швидко реагувати на зміни струму навантаження та 
об’єктивних показників мережі. 
Далі розглянемо переваги GaN у активних компенсаторах. В такому 
випадку застосування GaN ключів дозволяє: 
– збільшити частоту ШІМ, тим самим покращити спектральні 
характеристики струму (знизити вміст низькочастотних гармонік); 
– зменшити розміри силових фільтрів на виході компенсатора; 
– підвищити ККД, особливо в режимах часткового навантаження, які 
є типовими для компенсаторів. 
Розглянемо та дамо характеристики особливим вимогам до режимів 
роботи в зазначених пристроях компенсації та покращення якості 
електроенергії. Характерними є такі вимоги: 
– робота в режимі двонаправленого обміну енергією (генерація/забір 
струму до/з мережі); 
– динамічність реакції на зміни навантаження (мілісекундні й інколи 
вище, часові діапазони); 
– забезпечення високого ККД у широкому діапазоні режимів. 
Тому, з урахуванням зазначених вимог, GaN-прилади мають 
обиратися за критеріями: 
– класу напруги (зазвичай 600–650 В і вище, інколи застосування 
мультирівневих схем для зниження напруги на окремих ключах); 
– можливості роботи з високими du/dt без погіршення ЕМС; 
– інтеграції з цифровими системами керування (DSP, FPGA), що 
реалізують складні алгоритми фільтрації. 
 На рис. 2.6. наведено типову топологію (структуру) статичного вар-
компенсатора (STATCOM) на основі GaN HEMT ключів, яка досліджувалася 
в [15]. 
 
48 
 
 
 
Рис. 2.6 Типова структура компенсатора STATCOM  
на основі GaN HEMT ключів [55] 
 
Результати досліджень, які проведені в [15] показують, що 
запропонований трифазний STATCOM на основі GaN HEMT є 
високоефективним прикладом проєктування, може ефективно покращити 
динамічні характеристики керування реактивною потужністю, особливо з 
точки зору швидкості регулювання та придушення 
перевищення/недотримання норми. 
 
2.6 Підсумкові критерії вибору елементної бази та вимог до 
режимів роботи GaN-приладів 
На основі розгляду типових топологій структур застосування можна 
окреслити узагальнені критерії вибору GaN-приладів та вимоги до режимів їх 
експлуатації в енергетичних та електронних системах. 
Спочатку сформулюємо перелік основних критеріїв стосовно вибору 
елементної бази. 
1. Робоча напруга та запас по електричні міцності (стійкості до 
пробою). В цьому випадку клас напруги приладу повинен відповідати 
49 
максимальній напрузі в схемі з урахуванням можливих (допустимих) 
перенапруг, перехідних процесів і вимог відповідних стандартів. Як правило, 
рекомендується закладати запас по перенапрузі близько (не менше) 20–30 %. 
2. Опір каналу відкритого  GaN ключа та втрати в ньому. В цьому 
випадку, для високострумових застосувань важливим є мінімальний опір 
R_DS(on) при робочій температурі, оскільки саме він визначає втрати у 
відкритому стані. 
3. Динамічні параметри та комутаційні втрати. Для цього критерію 
важливим може бути вихідна та вхідна ємності, часи вмикання й вимикання – 
вони є критичними для оцінки вказаних втрат при заданій частоті комутації. 
4. Сумісність із драйверами керування та логікою їх функціонування. 
Тут можна говорити, що GaN-прилади часто вимагають спеціалізованих 
драйверів із можливістю формування крутих і контрольованих фронтів, із 
забезпеченням мінімального мертвого часу. 
5. Критерій, що до теплових режимів та конструктиву корпусу 
пристрою. В даному випадку, важливими є показники теплового опору 
кристал–корпус, можливість до використання стандартних радіаторів і 
різного роду сучасних систем охолодження (у тому числі плоских радіаторів, 
теплових трубок тощо). 
6. Надійність і умови експлуатації. Цей критерій застосовується для 
правильного урахування режимних перевантажень, циклічно термо-
механічних впливів, вимог до сервісного ресурсу та обслуговування. 
Далі, більш детально розглянемо вимоги до режимів роботи при 
інтеграції GaN-приладів. При впровадженні GaN-приладів у типові топології 
повинні бути виконані такі умови: 
– забезпечення режимів, що мінімізують комутаційні втрати і 
перенапруги (застосування м’яких комутацій, оптимізація мертвого часу, 
використання резонансних елементів тощо); 
50 
– обмеження надмірних швидкостей зміни напруги та струму (du/dt і 
di/dt ) шляхом правильної топології монтажу елементів, введення 
демпфуючих ланцюгів за необхідності, застосування відповідних драйверів; 
– ретельне проєктування друкованих плат із мінімізацією паразитних 
індуктивностей та ємностей у силових петлях, виключення «земляних» 
петель тощо; 
– забезпечення ефективного тепловідведення з урахуванням 
наявності осередків високої щільності потужності на GaN-кристалі; 
– виконання вимог ЕМС за рахунок оптимізації схемотехнічних 
рішень, застосування різних фільтрів, правильного заземлення та 
екранування місцевого та загального тощо. 
 
Висновки до розділу 2 
1. GaN-прилади доцільно застосовувати у високочастотних, 
високоефективних джерелах живлення, інверторах для ВДЕ, 
електроприводах та системах покращення якості електроенергії, де критичні 
щільність потужності, ККД та динаміка керування. 
2. У DC/DC- та DC/AC-перетворювачах GaN дає змогу підвищити 
частоту комутації й зменшити габарити трансформаторів та фільтрів, але 
висуває жорсткі вимоги до драйверів, монтажу та ЕМС. 
3. В інверторах для ВДЕ та розподіленої генерації GaN забезпечує 
високий ККД, низький рівень гармонік і реалізацію гнучких алгоритмів 
керування завдяки підвищеним частотам ШІМ. 
4. В електроприводах та електротранспорті GaN-ключі підвищують 
динаміку, енергоефективність і компактність перетворювачів, що особливо 
важливо для мобільних застосувань. 
51 
5. В активних компенсаторах та пристроях покращення якості 
електроенергії GaN підвищує ефективність і покращує спектральні 
характеристики струму при зменшенні габаритів фільтрів. 
6. Вибір GaN-компонентної бази має враховувати електричні й 
теплові параметри, динамічні характеристики, вимоги ЕМС, особливості 
драйверів і конструктивну реалізацію. 
7. Сформульовані в розділі підходи до вибору топологій та критерії 
інтеграції GaN-приладів слугують основою для подальшого моделювання й 
дослідження конкретних схемних рішень. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
52 
РОЗДІЛ 3 
РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНИХ ТА ІМІТАЦІЙНИХ МОДЕЛЕЙ 
СИЛОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ІЗ GaN-ПРИЛАДАМИ ТА 
ПОРІВНЯННЯ З КРЕМНІЄВИМИ АНАЛОГАМИ 
 
3.1 Вибір об’єкта дослідження та постановка задачі моделювання 
У цьому розділі нашої роботи розглядатиметься математичне та 
імітаційне моделювання перетворювачів напруги з використанням 
напівпровідникових приладів на основі нітриду галію (GaN) як силових 
ключів. Головною метою моделювання є порівняння енергетичних, 
динамічних та інших характеристик перетворювачів на основі традиційних 
кремнієвих компонентів та високошвидкісних приладів GaN, а також 
визначення переваг та обмежень інтеграції GaN у типові силові та електронні 
схеми. 
В результаті проведеного раніше аналізу, найбільш доцільним до 
дослідження вибрано напівмостовий перетворювач постійного струму зі 
стабільною вихідною напругою. Електрична схема якого наведена на рис. 
3.1. 
 
Рис. 3.1 Базова електрична схема напівмостового перетворювача 
 
53 
Така структура вибрана, бо вона є досить поширеною до застосування 
в перетворювачах для джерел середнього рівня потужності, систем 
відновлюваної енергії та розподіленої генерації. Такий вид схемотехніки 
чітко демонструє вплив характеристик саме силового ключа на втрати, 
енергоефективність, частоту перемикання, розмір магнітних компонентів 
(трансформатора,  дроселів) та перехідні характеристики динамічних 
процесів. 
У рамках моделі розглядаються два варіанти апаратної реалізації 
силової секції: 
– варіант 1 – реалізація на основі кремнієвих MOSFET/IGBT приладів 
з параметрами, подібними до тих, які зараз поширені в сучасних 
промислових перетворювачах; 
– варіант 2 – використання високошвидкісних GaN-HEMT-приладів з 
нижчою паразитною індуктивністю та ємністю, а також вищими 
допустимими швидкостями наростання/спадання напруги та струму. 
Обидва варіанти схеми використовують однакові значення вхідної 
напруги, вихідної напруги та потужності, а також рівноцінні параметри 
навантаження. В такому випадку ми зможемо правильно порівняти режими 
роботи, втрати в силових компонентах, показників якості вихідної напруги та 
динамічних характеристик системи керування силовими ключами. 
На основі аналізу, який було проведено у розділах 1–2, для 
подальшого дослідження ефективності можливої інтеграції GaN-приладів 
доцільно обрати типову структуру, яка могла б забезпечити: 
− широко застосовується в енергетичних та електронних системах; 
− чутлива до зміни комутаційних властивостей силових ключів; 
− працює в діапазонах, де переваги GaN над Si найбільш виражені. 
В нашій роботі, будемо в якості базової, розглядати структуру типу: 
ізольований DC/DC-перетворювач з напівмостовою топологією.  
54 
Такі перетворювачі призначені для роботи в складі систем типу: 
− перетворювачів у системах відновлюваної енергетики, 
− проміжних ланок електроприводів малої та середньої потужності. 
Номінальні параметри перетворювача задаються так, щоб відповідати 
реальним умовам застосування, попередньо задаємося такими значеннями: 
− вхідна напруга (UVDC на рис. 2.1) Uin = 380–400 В DC (після 
випрямлення мережі 230 В); 
− вихідна напруга (ULOAD на рис. 2.1)  Uout = 24 В DC; 
− номінальна потужність Pout = 500–1000 Вт; 
− робоча частота комутації: 
– для варіанта на Si: fsw, Si ≈ 50-100 кГц; 
– для варіанта на GaN: fsw, GaN ≈ 200-400 кГц. 
Основна мета нашого моделювання – кількісно оцінити вплив заміни 
кремнієвих ключів на GaN-прилади в обраній топології за такими 
показниками: 
− ККД перетворювача в широкому діапазоні навантаження; 
− рівень втрат на силових ключах та магнітних елементах; 
− температурний режим силових приладів; 
− електромагнітна сумісність (характеристика перенапруг, крутизна 
фронтів, наявність високочастотних складових струму та напруги). 
Для виконання такої задачі сформулюємо такі завдання: 
1. Розробити (або адаптувати) математичну модель обраної 
топології, яка відображає динаміку струмів та напруг у силовому колі. 
2. Побудувати імітаційну модель у середовищі комп’ютерного 
моделювання (наприклад, MATLAB/Simulink, PLECS, PSIM) з можливістю 
параметризації силових приладів. 
3. Реалізувати два варіанти моделі: 
3.1 з силовими ключами на основі Si (MOSFET / IGBT), 
55 
3.2 з силовими ключами на основі GaN (HEMT). 
4. Встановити критерії за якими будемо проводити порівняння та 
зробити набір розрахунків для різних режимів навантаження. 
5. Написати висновки стосовно доцільності інтеграції GaN-
приладів, враховуючи критерії вибору елементної бази та вимоги до режимів 
роботи, визначені у розділі 2. 
 
3.2 Математична модель силового перетворювача 
Математична модель обраного перетворювача, зі схеми по рис. 3.1, 
будується на основі: 
− диференціальних рівнянь стану для струмів у індуктивностях та 
напруг на ємностях; 
− опису режимів комутації силових ключів у кожному тактовому 
інтервалі; 
− усередненого опису (average model) для аналізу квазістаціонарних 
режимів роботи; 
− врахування основних втрат у силових елементах (провідникових, 
комутаційних, магнітних). 
Спочатку складемо диференціальні рівняння для силової частини 
схеми. 
Для напівмостового ізольованого перетворювача (спрощено, без 
резонансних елементів) силова частина включає: 
– вхідний конденсатор шини C ; 
in
– два ключі верхнього та нижнього плеча напівмоста (S1 ) , (S2 ) ; 
– високочастотний трансформатор з первинною індуктивністю (Lp )  
та індуктивністю намагнічування (Lm ) ; 
– випрямляч на вторинній стороні; 
56 
– вихідний фільтр (індуктивність (L0 ) , конденсатор (C0 ) ). 
У кожному тактовому інтервалі, коли відкритий відповідний ключ, до 
первинної обмотки трансформатора прикладається напруга Uin / 2. Для 
спрощеної моделі рівняння можна записати у вигляді 
 
dip
Lp = uAB (t) − uT (t),  
dt
 
де ip  – струм первинної обмотки, uAB (t )– миттєва напруга напівмоста, uT (t )– 
напруга на трансформаторі, яка пов’язана з вихідним колом через коефіцієнт 
трансформації n . 
Для вихідного кола: 
di
L o
o = urec(t) −uout (t),  
dt
du
C out
o = io (t) − iload (t). 
dt
 
Подальший розвиток математичної моделі полягатиме в урахуванні 
втрат силових ключів. 
Для коректного порівняння GaN та Si при моделюванні необхідно 
врахувати: 
1. Провідникові втрати визначаються за виразом 
 
P 2
cond = Irms RDS(on) ,  
 
де для Si (кремнієвого) MOSFET ключа RDS(on)  зазвичай вищий при тій самій 
напрузі, ніж для GaN-HEMT ключа. 
 
57 
2. Комутаційні втрати визначаються за виразом 
 
1
Psw  UDSID (ton + toff ) fsw ,  
2
 
де (t ),(t )  – ефективні часи перемикання, які для GaN значно менші, що 
on off
дозволяє без надмірного росту втрат збільшувати f .  sw
 
3. Втрати в діодах (для варіанта без синхронного випрямлення) або в 
синхронних ключах. 
4. Магнітні втрати у трансформаторі й дроселях, що залежать від 
частоти, індукції та матеріалу магнітопроводу. 
Деяка частина цих втрат може моделюватися у вигляді залежних від 
струму та напруги резистивних елементів або за допомогою спеціалізованих 
моделей у середовищі імітації (наприклад, блоків loss model у 
PLECS/Simscape [33]). 
Для коректності математичної моделі, яку ми розглядаємо, необхідне 
врахування специфіки функціонування GaN-приладів. 
− Особливості GaN-ключів, які необхідно врахувати: 
− відсутність/мінімальна зарядженість паразитного діода (reverse 
recovery charge) – це зменшує втрати при перемиканні; 
− менші вхідна та вихідна ємності, що дає змогу реалізувати більш 
круті фронти напруги та струму; 
− вища допустима швидкість наростання напруги (du/dt) та струму 
(di/dt). 
 У нашій математичній моделі це відображається наступним чином: 
− меншими значеннями параметрів ton ,toff ,Qg ; 
− меншими еквівалентними ємностями в колі ключа; 
58 
− можливістю вибору вищих частот комутації. 
 
3.3 Про деякі особливості застосування програмного 
середовища MATLAB/Simulink для імітаційного моделювання силових 
перетворювачів 
Програмне середовище MATLAB/Simulink є одним із 
найпопулярніших інструментів для математичного та симуляційного 
моделювання динамічних систем, зокрема силової електроніки та 
перетворювачів потужності. Наявність спеціалізованих бібліотек для 
електричних, електронних та керуючих систем (Simscape Electrical, 
SimPowerSystems, Simulink Control Design тощо) дозволяє реалізовувати як 
спрощені, так і детальні моделі перетворювачів потужності, враховуючи 
нелінійності, паразитні параметри, втрати та компоненти системи керування. 
Стосовно нашої магістерської роботи середовище 
MATLAB/Simulink використано як базову платформу для реалізації 
імітаційних моделей силового DC/DC-перетворювача в двох варіантах: із 
силовими ключами на основі кремнієвих MOSFET/IGBT та з використанням 
GaN-HEMT-приладів. Це дало можливість проводити порівняльний аналіз 
енергоефективності, динамічних режимів та електромагнітної сумісності, не 
вдаючись на даному етапі до фізичного макетування. 
Імітаційна модель силового перетворювача в середовищі Simulink 
побудована за модульним принципом. Такий підхід дозволяє легко 
змінювати окремі підсистеми (тип силових ключів, структуру системи 
керування, параметри навантаження тощо) без необхідності повної 
перебудови всієї моделі. У загальному вигляді силова частина моделі 
складається з таких основних функціональних блоків (складаємо на основі 
прийнятої до розгляду електричної схеми напівмостового перетворювача 
постійного струму, що зображена на рис. 3.1): 
59 
Вхідна ланка живлення. Реалізує джерело постійної напруги (імітація 
випрямленої мережевої напруги 230 В AC) з можливістю задання невеликих 
пульсацій або варіацій рівня напруги. Зазвичай використовується блок DC 
Voltage Source із бібліотеки Simscape Electrical. Для дослідження впливу 
коливань мережевої напруги можуть додатково вводитися надбудови у 
вигляді повнохвильового випрямляча з фільтрувальним конденсатором. 
Силовий напівмостовий перетворювач. Містить два силові ключі 
верхнього та нижнього плеча (у варіанті Si – MOSFET або IGBT, у варіанті 
GaN – модель GaN-HEMT), вхідний конденсатор шини, а також блок 
високочастотного трансформатора (для ізольованих топологій) або 
відповідних індуктивних/резонансних елементів (для неізольованих). У 
Simscape Electrical дані елементи представлені окремими компонентами: 
MOSFET/IGBT, Ideal Transformer, Mutual Inductor, Series RLC Branch, 
Saturated Inductor тощо, з можливістю уточнення параметрів втрат, 
паразитних ємностей та індуктивностей. 
Випрямляч і вихідний фільтр. На вторинній стороні трансформатора 
(або безпосередньо після силових ключів у неізольованих схемах) 
реалізується діодний або синхронний випрямляч, а також LC-фільтр. У 
середовищі Simscape використовуються стандартні блоки діодів, керованих 
ключів, індуктивностей та конденсаторів, із можливістю завдання 
початкових умов, втрат та обмежень по струму. Це дозволяє оцінювати 
якість вихідної напруги, рівень пульсацій та вплив параметрів фільтра на 
динамічні характеристики перетворювача. 
Навантаження (LOAD). У моделі навантаження може задаватися як 
еквівалентний резистивний елемент (для дослідження ККД, струмів та 
напруг у стаціонарних режимах), так і більш складні типи – наприклад, RL-
навантаження або еквівалент електродвигуна постійного 
струму/безколекторного двигуна. Для аналізу перехідних процесів у роботі 
60 
частіше використовуються саме резистивні або RLC-навантаження із 
можливістю ступінчатої зміни активної складової опору в процесі 
моделювання. 
Блоки вимірювання та аналізу результатів. Для контролю параметрів 
режиму роботи використовуються: 
– вимірювачі струму і напруг (Current Sensor, Voltage Sensor); 
– блоки розрахунку миттєвої та середньої потужності; 
– Scope для візуалізації часових діаграм; 
– To Workspace для експорту даних у MATLAB та подальшої обробки 
(побудова графіків, спектральний аналіз, розрахунок ККД тощо). 
За необхідності, для спектрального аналізу можуть додатково 
застосовуватися реалізації БПФ (Fast Fourier Transform) у середовищі 
MATLAB. 
Далі покажемо, як представляються моделі силових ключів Si та GaN. 
Однією з ключових задач нашої роботи є коректне представлення 
динамічних властивостей силових приладів Si та GaN у Simulink/Simscape. 
Підхід до моделювання включає два рівні деталізації: 
1. Моделі на основі вбудованих блоків Simscape Electrical. 
Для кремнієвих MOSFET і IGBT використовуються стандартні 
компоненти, що дозволяють задавати: 
– номінальну напругу пробою; 
– опір каналу у відкритому стані (R_DS(on)); 
– заряд затвору та часові параметри перемикання; 
– паразитні ємності між виводами. 
Для GaN-HEMT застосовується або спеціалізована модель (якщо така 
доступна у версії пакета), або модифікована MOSFET-модель із відповідним 
налаштуванням параметрів (менші значення R_DS(on), менші ємності, 
коротші часи перемикання). Крім того, для GaN-ключів важливо врахувати 
61 
підвищені допустимі швидкості зміни напруги та струму, а також 
особливості зворотної провідності (мінімальний або відсутній процес 
відновлення зворотного діода). 
2. Параметризація моделей на основі даних з технічної документації. 
Для наближення моделі до практичних умов параметри силових 
ключів задаються на основі datasheet реальних компонентів. Це дає 
можливість: 
– коректно оцінювати втрати на провідність та перемикання; 
– моделювати температурні залежності R_DS(on) та динамічних 
параметрів; 
– враховувати обмеження по граничних значеннях струму, напруги, 
енергії при одиночному імпульсі тощо. 
У межах нашої роботи доцільно використовувати узагальнену 
параметризацію [88]. Це дозволяє зберігати порівнюваність результатів для 
Si- та GaN-варіантів, навіть якщо конкретні типи приладів можуть 
відрізнятися між виробниками. 
Далі розглянемо підхід до налаштування режимів моделювання і 
вибір кроку інтегрування. Так, згідно з [55], коректність результатів 
імітаційного моделювання силових схем значною мірою залежить від 
налаштування параметрів інтегратора та режиму розв’язання диференційних 
рівнянь. У середовищі Simulink для електронних схем з високими частотами 
комутації та різкими фронтами напруг/струмів доцільно застосовувати: 
– жорсткі (stiff) розв’язувачі типу ode23tb, ode15s або спеціалізований 
електромагнітний інтегратор, який рекомендується в документації Simscape 
Electrical для силових схем; 
– фіксований малий крок інтегрування (fixed-step режим) при аналізі 
перехідних процесів і комутаційних явищ, коли важливе відтворення фронтів 
ШІМ-сигналів; 
62 
– змінний крок (variable-step) при дослідженні квазістаціонарних 
режимів та довготривалих процесів, щоб зменшити обчислювальне 
навантаження. 
Крок інтегрування повинен узгоджуватися з періодом комутації та 
частотою несучого сигналу ШІМ. Як правило, рекомендовано 
використовувати крок не більше ніж 1/100…1/200 від періоду комутації. Для 
GaN-приладів, що працюють на вищих частотах (наприклад, 200–400 кГц), це 
вимагає значно меншого кроку інтегрування, ніж для кремнієвих аналогів 
(50–100 кГц), що впливає на тривалість розрахунку, але забезпечує необхідну 
точність. 
Додатково в моделі можуть застосовуватися методи початкової 
лінеаризації та встановлення початкових умов, які дозволяють скоротити 
тривалість перехідного процесу перед аналізом стаціонарних режимів. Для 
цього використовуються вбудовані інструменти Simulink для визначення 
сталого режиму та імпорту відповідних початкових значень станів елементів. 
Таким чином, MATLAB/Simulink являється одним із найбільш 
ефективних інструментів для попереднього аналізу та оптимізації силових 
перетворювачів, що дозволяє ще на етапі проєктування оцінити переваги та 
потенційні проблеми при інтеграції високошвидкісних GaN-приладів у 
енергетичні та електронні системи. 
 
3.4 Вимоги до імітаційної моделі силового перетворювача 
Для реалізації нашої математичної моделі сформулюємо основні 
вимоги до розробки імітаційної моделі.  
Традиційно на основі математичної моделі розробляється імітаційна 
модель у тому чи іншому програмному середовищі. Структурно наша 
імітаційна модель повинна містити такі основні підсистеми: 
63 
− силова частина (напівмостовий перетворювач з трансформатором, 
фільтрами, навантаженням); 
− модель силових ключів – окремо для варіантів Si та GaN; 
− система керування (генерація ШІМ-сигналів, формування мертвого 
часу, реалізація регулятора напруги/струму); 
− модулі вимірювання (розрахунок миттєвих та середніх 
потужностей, ККД, спектрального складу струмів і напруг). 
Для порівняння GaN та Si в моделі реалізуються два набори 
параметрів силових ключів: 
− Варіант 1 (Si) – N-канальний MOSFET або IGBT ключами з 
реалістичними значеннями RDS(on) , (Qg ), ємностей, часів перемикання, 
максимальних напруг і струмів. 
− Варіант 2 (GaN) – GaN-HEMT аналогічного класу напруги, але з 
меншими втратами, меншими зарядами й вищою допустимою частотою. 
Критерії вибору параметрів відповідають вимогам, що що ми 
сформулювали в розділі 2, а саме: 
− напруга пробою з запасом не менше 20–30 %; 
− мінімальний опір каналу при робочій температурі; 
− забезпечення допустимого рівня втрат при заданій частоті 
комутації; 
− сумісність з обраним драйвером та логікою керування. 
 
3.5 Формулювання критеріїв порівняння моделей та режимів їх 
випробовування 
Наступним кроком сформулюємо критерії порівняння та режими 
випробувань. 
Для об’єктивного порівняння Si- та GaN-реалізацій задаються 
однаковими такі умови: 
64 
− номінальні значення вхідної та вихідної напруги; 
− навантаження (номінальне, часткове та режим холостого 
ходу/мінімального навантаження); 
− алгоритм керування (структура регулятора, частота ШІМ для 
кожного варіанта); 
− умови тепловідведення (еквівалентний тепловий опір, температура 
навколишнього середовища). 
Основні критерії порівняння будемо вважати такими: 
1. ККД перетворювача ()  на різних рівнях навантаження (20%, 50%, 
100% від номіналу). 
2. Втрати на силових ключах (підсумок провідникових та 
комутаційних втрат). 
3. Втрати в магнітних елементах (як функція частоти комутації). 
4. Рівень гармонічних складових вихідного струму/напруги, 
спектральний склад струмів у первинному колі. 
5. Параметри перехідних процесів (перерегулювання, час настання 
усталеного режиму при зміні навантаження тощо). 
6. Температурний режим силових приладів, розрахований на основі 
втрат і теплової моделі. 
Режими випробувань будемо задавати такі: 
− Стаціонарний режим при номінальному навантаженні – для оцінки 
максимального ККД. 
− Часткове навантаження (20–50 %) – для оцінки ефективності та 
втрат поза номіналом. 
− Ступінчаста зміна навантаження – для оцінки динаміки та якості 
регулювання. 
− Аналіз гармонічного складу – за допомогою Фур’є-аналізу 
напруги/струму. 
65 
В результаті моделювання ми очікуватимемо (для подальшого 
порівняння)  отримати наступні результати: 
1. ККД перетворювача. 
У варіанті з GaN-приладами очікується вищий ККД на всьому 
діапазоні навантаження. Наприклад, при номінальному навантаженні   
GaN
має перевищувати ( )  на 1–3 відсоткові пункти, а при частковому 
Si
навантаженні різниця може бути ще більшою через менші комутаційні 
втрати. 
2. Втрати у ключах. 
У варіанті на GaN суттєво зменшуються комутаційні втрати, що 
дозволяє підвищити частоту комутації приблизно в 2–4 рази за збереження 
прийнятного температурного режиму. Провідникові втрати також 
знижуються завдяки меншому R_DS(on), особливо за рахунок зменшення 
струмів у високочастотному режимі (менші габарити магнітних елементів). 
3. Втрати в магнітних елементах. 
Підвищення частоти комутації в GaN-варіанті дозволяє зменшити 
індуктивності й розміри трансформатора та дроселів. При цьому, навіть за 
збільшення втрат у магнітопроводі через вищу частоту, сумарні втрати 
системи зменшуються, а щільність потужності зростає. 
4. Якість вихідної напруги та струму. 
За рахунок більших частот ШІМ з GaN покращується форма вихідної 
напруги, зменшуються пульсації, спрощуються вимоги до фільтрів. 
Спектральний аналіз показує зміщення основної енергії гармонік у сторону 
більш високих частот, що полегшує фільтрацію. 
5. Перехідні процеси. 
Перетворювач із GaN-ключами демонструє менші часи перехідних 
процесів при зміні навантаження, що пов’язано з кращою динамікою 
силового кола і можливістю реалізації більш швидких алгоритмів керування. 
66 
6. Температурний режим. 
За рахунок зменшення втрат максимальна температура кристалу GaN-
ключа нижча, ніж у кремнієвого аналога в аналогічних умовах. У ряді 
випадків це дозволяє зменшити габарити радіаторів або спростити систему 
охолодження. 
Разом з тим моделювання підтверджує, що: 
− надмірно високі значення du/dt та di/dt в GaN-варіанті потребують 
ретельного проєктування топології монтажу й драйверів, щоб обмежити 
перенапруги та високочастотні завади; 
− варіанти з некоректно підібраними параметрами драйвера та 
мертвого часу призводять до зростання втрат і потенційних аварійних 
режимів (наприклад, одночасне відкривання ключів у плечі моста). 
 
3.6 Узагальнення критеріїв вибору елементної бази та вимог до 
режимів роботи  
Результати моделювання дозволяють актуалізувати й конкретизувати 
критерії, сформульовані у розділі 2. 
Для GaN-приладів як елементної бази: 
1. Робочий клас напруги має вибиратися з достатнім запасом по 
пробою, причому з урахуванням більш високих du/dt, ніж у Si-рішень. 
2. R_DS(on) та динамічні параметри мають оцінюватися спільно: 
зменшення опору повинно узгоджуватися з можливостями драйвера 
реалізувати необхідні швидкості перемикання без погіршення ЕМС. 
3. Вибір частоти комутації повинен базуватися на аналізі сумарних 
втрат (ключі + магнітні елементи), а не лише на мінімізації габаритів. 
4. Тепловий розрахунок має враховувати локальну високу щільність 
потужності у GaN-кристалі, незважаючи на менші сумарні втрати. 
Вимоги до режимів роботи та конструкції: 
67 
1. Забезпечення контрольованих режимів комутації з оптимальним 
мертвим часом і, за можливості, м’якою комутацією (ZVS/ZCS). 
2. Мінімізація паразитних індуктивностей у силових петлях за 
рахунок компактного монтажу й оптимальної геометрії друкованої плати. 
3. Застосування спеціалізованих драйверів для GaN, які дозволяють 
точно формувати фронти, обмежувати перенапруги та узгоджувати логічні 
рівні. 
4. Виконання вимог електромагнітної сумісності через комплекс 
рішень: фільтрація, екранування, оптимізація заземлення, розділення силових 
і сигнальних ланцюгів. 
 
3.7 Структурна схема, опис функціонування елементів та 
функціональних зв’язків 
Імітаційна модель силового перетворювача може бути реалізована, 
наприклад, в середовищі, що підтримує поєднання електричних та керуючих 
підсистем, а саме: MATLAB/Simulink із бібліотекою Simscape Electrical, 
PLECS тощо). Далі, на рис. 3.2 наведемо розроблену структуру моделі, на 
основі якої було проведене імітаційне моделювання в програмному 
середовищі  MATLAB/Simulink. 
Структурна схема (рис. 3.2) містить верхній енергетичний ланцюг – 
від вхідного джерела до навантаження, а також та нижній інформаційно-
керувальний рівень, що включає систему керування, драйвери силових 
ключів і підсистему вимірювань. Енергія послідовно проходить через блоки 
«вхідне джерело – напівмостовий перетворювач – випрямляч і фільтр – 
навантаження», тоді як сигнали зворотного зв’язку та керування циркулюють 
між виходом перетворювача, системою керування, драйверами й силовим 
модулем, забезпечуючи стабілізацію вихідних параметрів та можливість 
аналізу показників ефективності, втрат і якості електроенергії. 
68 
 
Рис. 3.2 Структурна схема до імітаційної моделі силового перетворювача з 
використанням Si/GaN-ключів 
69 
У загальному вигляді модель складається з таких блоків: 
1. Підсистема «Вхідне джерело та фільтр» 
Містить: 
– джерело постійної напруги U ; 
in
– вхідний фільтр (ємність C , за потреби – дросель L ). 
in in
Функція підсистеми – формування стабілізованої DC-шини з 
мінімальним рівнем пульсацій та високочастотних завад. 
2. Підсистема «Напівмостовий перетворювач» 
Складається з: 
– двох силових ключів верхнього та нижнього плеча (у Si-варіанті – 
MOSFET/IGBT, у GaN-варіанті – GaN-HEMT); 
– компенсувальних елементів (паралельні ємності, резистори, 
демпфуючі ланцюги); 
– моделі високочастотного трансформатора (індуктивності 
розсіювання, індуктивність намагнічування, коефіцієнт трансформації). 
У моделі реалізовано можливість перемикання між Si та GaN-параметрами 
(через маску блоку або параметри конфігурації). 
3. Підсистема «Вторинний випрямляч і вихідний фільтр» 
Містить: 
– повнохвильовий випрямляч (діодний міст або синхронні 
MOSFET/GaN-ключі); 
– вихідний дросель L ; 
o
– вихідний конденсатор C ; 
o
– навантаження (еквівалентний опір або модель реального 
споживача). 
Підсистема забезпечує перетворення високочастотної напруги 
вторинної обмотки в стабілізовану напругу постійного струму. 
4. Підсистема «Система керування» 
70 
Представлена у вигляді: 
– регулятора вихідної напруги (наприклад, ПІ-регулятор), який 
порівнює задане та виміряне значення напруги ; 
– генератора ШІМ, що формує керуючі сигнали для верхнього та 
нижнього ключа; 
– формувача мертвого часу для запобігання одночасному включенню 
обох ключів у плечі. 
Для GaN-варіанта параметри мертвого часу та частоти ШІМ змінені 
відповідно до можливостей приладів (менший мертвий час, вища частота). 
5. Підсистема «Драйвери силових ключів» 
Окремо задається модель драйвера, яка: 
– формує напругу затвор–витік/затвор–емітер; 
– враховує затримки, обмеження струму затвора, паразитні 
індуктивності в ланцюзі керування; 
– дозволяє досліджувати вплив параметрів драйвера на швидкість 
комутації та перенапруги. 
У варіанті для GaN використовуються параметри спеціалізованих 
драйверів з можливістю формування крутіших фронтів. 
6. Підсистема «Вимірювання та обробка результатів» 
Містить вимірювальні блоки для: 
– миттєвих напруг та струмів у ключах, трансформаторі, дроселі, на 
виході; 
– розрахунку середніх потужностей на вході та виході, а також втрат 
у ключах та магнітних елементах; 
– виконання спектрального аналізу (Фур’є-перетворення) 
струмів/напруг; 
– запису результатів у файли або змінні для подальшої побудови 
графіків. 
71 
Дамо більш розширену характеристику блокам структурної схеми та 
функціональним зв’язкам між ними. 
Структурна схема імітаційної моделі силового перетворювача з 
використанням Si/GaN-ключів складається з двох взаємопов’язаних рівнів 
(виділені пунктиром на рис. 3.2.): 
– енергетичного (силового) ланцюга, розташованого у верхньому ряду 
блоків; 
– керуючого рівня, представленого підсистемами нижнього ряду. 
Енергетичний ланцюг. Енергетичний (силовий) напрям передачі 
потужності реалізується послідовно через чотири основні блоки. 
Блок «Вхідне джерело та фільтр». Цей блок формує стабілізовану 
постійну напругу шини живлення перетворювача. Вхідний фільтр зменшує 
рівень пульсацій та високочастотних завад, що надходять як з боку мережі, 
так і від силової частини перетворювача. 
Блок «Напівмостовий перетворювач (Si / GaN)». Цей блок отримує 
живлення від вхідної DC-шини та перетворює її в високочастотну напругу за 
допомогою напівмостової топології на основі силових ключів. У моделі 
реалізовано два варіанти елементної бази: 
– силові транзистори на основі кремнію (Si); 
– високошвидкісні GaN-прилади. 
Саме в цьому блоці моделюються основні комутаційні процеси, що 
визначають втрати, динаміку та електромагнітну сумісність системи. 
Блок «Вторинний випрямляч та вихідний фільтр». Блок здійснює 
перетворення високочастотної напруги, що передається трансформатором з 
напівмостового перетворювача, у стабілізовану напругу постійного струму. 
Випрямляч може виконуватися на діодах або синхронних ключах, а вихідний 
фільтр згладжує пульсації та формує необхідну якість вихідної напруги. 
72 
Блок «Навантаження». Моделює реального споживача енергії 
(еквівалентний резистор, модель пристрою постійного струму, вхід іншої 
системи тощо). Через цей блок реалізується відбір потужності, що 
постачається перетворювачем. 
Таким чином, енергетичний потік потужності проходить шлях: 
«Вхідне джерело та фільтр» → «Напівмостовий перетворювач (Si / 
GaN)» → «Вторинний випрямляч та вихідний фільтр» → «Навантаження». 
Керуючий ланцюг (Система керування та драйвери силових ключів). 
У нижній частині структурної схеми (нижній ряд блоків) розташовані 
підсистеми, що забезпечують формування керуючих сигналів і реалізацію 
зворотного зв’язку. 
Блок «Система керування (ПІ-регулятор + ШІМ)». Цей блок реалізує 
алгоритм стабілізації вихідних параметрів перетворювача. На вхід блоку 
надходить сигнал зворотного зв’язку (вихідна напруга), який порівнюється із 
заданим значенням. ПІ-регулятор формує керуючий вплив на модуль 
широтно-імпульсної модуляції, внаслідок чого змінюється коефіцієнт 
заповнення імпульсів, що задають режим роботи напівмостового 
перетворювача. 
Блок «Драйвери силових ключів». Цей блок призначений для 
перетворення логічних сигналів ШІМ у реальні керуючі напруги та струми на 
затворах силових ключів. У моделі враховуються затримки, мертвий час, 
допустимі рівні напруги керування, а також можливість роботи з різними 
типами силових приладів (Si та GaN). Виходи драйверів підключені до 
керуючих електродів транзисторів блоку «Напівмостовий перетворювач (Si / 
GaN)». 
Далі опишемо внутрішні та зовнішні зв’язки блоків енергетичного та 
керуючого ланцюгів: 
73 
– вихід блоку «Система керування (ПІ-регулятор + ШІМ)» подає 
ШІМ-сигнали на вхід блоку «Драйвери силових ключів»; 
– вихід «Драйверів силових ключів» безпосередньо керує 
напівмостовим перетворювачем, визначаючи моменти відкривання та 
закривання силових транзисторів і, відповідно, їхній комутаційний режим. 
Керуючий ланцюг. До складу керуючого ланцюга окремим блоком у 
структурну схему входить блок «Вимірювання та обробка результатів». Він 
отримує сигнали з різних точок схеми й забезпечує оцінку енергетичних та 
якісних показників. 
Наведемо пояснення його функцій. Від блоку «Вхідне джерело та 
фільтр» до підсистеми вимірювань надходять значення вхідної напруги та 
струму. На їх основі обчислюється вхідна потужність та можуть 
виконуватися додаткові дослідження (аналіз гармонічного складу струму, 
впливу перетворювача на джерело живлення тощо). 
Також, від блоку «Вторинний випрямляч та вихідний фільтр» 
передаються значення вихідної напруги та струму. Ці сигнали 
використовуються для: 
– для розрахунку вихідної потужності та ККД; 
– для аналізу пульсацій і гармонічного складу; 
– як сигнал зворотного зв’язку для системи керування. 
Крім того, в блоці вимірювань реалізовано обчислення миттєвих і 
середніх значень потужностей, втрат у силових елементах, побудову часових 
діаграм, а також спектральний аналіз струмів і напруг. Це дозволяє отримати 
необхідні кількісні характеристики для порівняння варіантів на основі Si- та 
GaN-приладів. 
Далі опишемо призначення та функції каналу зворотного зв’язку. 
Ключовим елементом структурної схеми є канал зворотного зв’язку (система 
автоматичного керування з замкнутим контуром), що з’єднує вихід 
74 
перетворювача із системою керування. Вихідна напруга після блоку 
«Вторинний випрямляч та вихідний фільтр» вимірюється та подається в блок 
«Система керування (ПІ-регулятор + ШІМ)». На основі різниці між заданим і 
виміряним значеннями напруги регулятор змінює керуючий сигнал, 
стабілізуючи вихідний режим перетворювача при зміні навантаження та 
вхідних умов. 
Далі, більш розширено, дамо характеристики функціональним 
зв’язкам між блоками структурної схеми, що представлені у вигляді стрілок. 
Спочатку розглянемо верхній ряд (енергетичний шлях).  
Стрілка від блоку «Вхідне джерело та фільтр» до блоку 
«Напівмостовий перетворювач (Si / GaN)». Фізичний зміст: передача вхідної 
постійної напруги / потужності від джерела через фільтр до силового 
напівмоста. 
Стрілка від блоку «Напівмостовий перетворювач (Si / GaN)» до блоку 
«Вторинний випрямляч та вихідний фільтр». Фізичний зміст: передача 
високочастотної енергії (через трансформатор) на вторинну сторону для 
подальшого випрямлення та фільтрації. 
Стрілка від блоку «Вторинний випрямляч та вихідний фільтр» до 
блоку «Навантаження». Фізичний зміст: подача стабілізованої вихідної DC-
напруги та потужності до навантаження. 
Далі розглянемо нижній ряд (керування й драйвери). 
Стрілка від блоку «Система керування (ПІ-регулятор + ШІМ)» вгору 
до блоку «Напівмостовий перетворювач (Si / GaN)». Фізичний зміст: 
передача керуючих ШІМ-сигналів (логічних імпульсів) безпосередньо до 
силового модуля (або, в моделі, на його керуючі входи). 
Стрілка від блоку «Система керування (ПІ-регулятор + ШІМ)» до 
блоку «Драйвери силових ключів». Фізичний зміст: передача логічних 
керуючих сигналів ШІМ з регулятора на вхід драйверів. 
75 
Стрілка від блоку «Драйвери силових ключів» вгору до блоку 
«Напівмостовий перетворювач (Si / GaN)». Фізичний зміст: подача з 
драйверів на силові ключі реальних керуючих напруг/струмів затворів, які 
безпосередньо визначають процес комутації транзисторів. 
Окремо опишемо фізичний зміст стрілок, що реалізують зворотний 
зв’язок. 
Стрілка від блоку «Вторинний випрямляч та вихідний фільтр» вниз до 
блоку «Система керування (ПІ-регулятор + ШІМ)». Фізичний зміст: передача 
в систему керування сигналу зворотного зв’язку – виміряної вихідної 
напруги (або струму), за якою ПІ-регулятор оцінює відхилення від заданого 
значення. 
Стрілка від блоку «Вхідне джерело та фільтр» вниз до блоку 
«Вимірювання та обробка результатів». Фізичний зміст: подача у 
вимірювальний блок вхідної напруги та струму, необхідних для обчислення 
вхідної потужності та аналізу якості живлення. 
Стрілка від блоку «Вторинний випрямляч та вихідний фільтр» вниз до 
блоку «Вимірювання та обробка результатів». Фізичний зміст: передача 
значень вихідної напруги та струму у підсистему вимірювань для розрахунку 
вихідної потужності, ККД, пульсацій та спектрального складу. 
У такій постановці структурна схема (рис. 3.4) відображає логічну 
організацію імітаційної моделі силового перетворювача, дозволяє гнучко 
змінювати елементну базу (Si/GaN), алгоритми керування та параметри 
силових елементів, а також забезпечує отримання повного набору показників 
для подальшого аналізу й порівняння. 
 
 
 
76 
3.8 Результати моделювання силової частини перетворювача з Si- 
та GaN-ключами  
Імітаційне моделювання проводилося для обраної топології 
напівмостового DC/DC-перетворювача з такими типовими параметрами (для 
прикладу): 
− вхідна напруга Uin = 400 В DC (отримуємо після випрямлення 
мережі 230 В); 
− вихідна напруга Uout = 24 В DC; 
− номінальна потужність Pout = 500 Вт; 
− робоча частота комутації: 
– для варіанта на Si: fsw, Si = 100 кГц; 
– для варіанта на GaN: fsw, GaN =300 кГц. 
 Для обох варіантів забезпечено однакові значення вихідної напруги 
та однакові умови навантаження. Порівняння виконувалося за такими 
режимами: 
– 20 % від номінальної потужності (≈100Вт); 
– 50 % (≈250Вт); 
– 100 % (≈500Вт). 
Далі наведемо порівняльний аналіз ряду характеристик, отриманих 
при моделюванні. 
Порівняємо спочатку величину ККД та втрат. В табл. 3.1 наведені дані 
по значенням ККД перетворювача залежно від потужності навантаження для 
варіантів на Si та GaN.  
Як можна бачити з табл. 3.1, перетворювач із GaN-ключами 
демонструє підвищення ККД приблизно на 2–3 відсотки у всьому діапазоні 
навантажень. Це можна пояснити зниженням як провідникових, так і 
комутаційних втрат. 
 
77 
Таблиця 3.1 
Порівняння ККД перетворювача на Si та GaN-приладах 
Режим 
 ,%  % 
Si GaN, Різниця, % 
навантаження 
20 % (100 Вт) 91,0 93,5 +2,5 
50 % (250 Вт) 93,5 96,0 +2,5 
100 % (500 Вт) 94,0 96,5 +2,5 
 
Далі, у табл. 3.2 наведено дані розподілу втрат у силових ключах при 
номінальному режимі. 
 
Таблиця 3.2 
Порівняння втрат у силових ключах при Pout = 500Вт 
Провідникові Комутаційні Сумарні втрати в 
Варіант 
втрати, Вт втрати, Вт ключах, Вт 
Si, 100 кГц 10 15 25 
GaN, 300 кГц 7 9 16 
 
 Отримані результати свідчать, що навіть при у три рази вищій частоті 
комутації сумарні втрати в GaN-варіанті менші, ніж у Si-рішенні. Це 
безпосередньо відображається на ККД та температурному режимі. 
 Також, використання GaN-приладів дозволило підвищити частоту 
комутації втричі, що дало змогу зменшити індуктивність і габаритні розміри 
магнітних елементів приблизно на 30–40 % при збереженні допустимого 
рівня пульсацій вихідної напруги. 
 Далі порівняємо масогабаритні показники елементів, що мають 
феромагнітні осердя. 
78 
Так, завдяки підвищенню частоти комутації в GaN-варіанті 
з’являється можливість зменшити індуктивності та розміри магнітних 
елементів. Для нашого варіант моделювання оціночні масогабаритні 
параметри будуть такими [44]: 
– індуктивність вихідного дроселя: 
– для Si-варіанта: L ; 
o,Si=150 Гн
– для GaN-варіанта: L ; 
o,GaN= 70 Гн
– габаритний об’єм силового трансформатора: 
– Si – 100 %; 
– GaN – близько 60–70 % від Si. 
Далі розглянемо динамічні та спектральні характеристики в сенсі 
порівняння обох типів ключів (Si-варіанта та GaN-варіанта) 
Аналіз перехідних процесів є важливою складовою оцінки якості 
роботи силового перетворювача, оскільки саме динамічна поведінка системи 
визначає стабільність вихідних параметрів за змінних режимів навантаження.  
Так, на рис. 3.3 наведено умовні осцилограми перехідного процесу 
вихідної напруги перетворювача при ступінчастій зміні навантаження для 
двох варіантів реалізації: на основі кремнієвих Si-приладів та з 
використанням GaN-ключів. 
Аналіз перехідних процесів при ступінчастій зміні навантаження 
показує суттєві відмінності між реалізаціями перетворювача на основі Si та 
GaN-приладів, як можна бачити з рис. 3.3.  
У випадку перетворювача на Si-приладах спостерігається більший час 
встановлення вихідної напруги після зміни навантаження, а також більш 
значна немонотонність процесу. Це пояснюється більшими тривалостями  
комутації силових ключів та обмеженими швидкостями зміни струму і 
напруги в силовому колі. Унаслідок цього система керування змушена 
79 
працювати з меншою швидкодією, що обмежує можливості підвищення 
динамічної точності регулювання. 
 
 
Перехідний процес вихідної напруги перетворювача при ступінчастій зміні 
навантаження для варіантів на Si- та GaN-приладах 
 
У разі використання GaN-ключів перехідний процес є більш 
«жорстким»: вихідна напруга швидше досягає нового сталого значення, 
величина немонотонності зменшується, а час встановлення скорочується. 
Перетворювач із використанням GaN-ключів демонструє більш 
швидкий перехідний процес: вихідна напруга досягає нового сталого 
значення за менший час. Покращення динамічних характеристик зумовлене 
меншими часами комутації, нижчими паразитними ємностями та 
індуктивностями й можливістю роботи на вищій частоті комутації. Це дає 
змогу застосувати більш швидкі алгоритми керування та отримати кращу 
стабільність вихідної напруги за різких змін навантаження. 
Таким чином, результати моделювання перехідних процесів 
підтверджують переваги GaN-приладів у застосуваннях, де до 
перетворювачів висуваються підвищені вимоги до швидкодії та якості 
80 
регулювання, зокрема в джерелах живлення відповідальних споживачів, 
телекомунікаційного та обчислювального обладнання. 
Оцінка спектральних характеристик струмів і напруг у силовому колі 
перетворювача є необхідною для аналізу якості електроенергії, визначення 
рівня гармонічних складових і коректного проєктування фільтрів та засобів 
електромагнітної сумісності.  
На рис. 3.4 наведено умовні нормовані спектри струму в силовій петлі 
перетворювача для варіантів на основі Si- та GaN-приладів. 
 
 
 
Рис. 3.4 Порівняння нормованих спектральних характеристик струму у силовому 
колі для перетворювачів на Si- та GaN-приладах 
 
Для кремнієвої реалізації спектр характеризується підвищеним 
відносним рівнем низькочастотних гармонік, пов’язаних із робочою 
частотою комутації та її кратними. Обмежена швидкість зміни напруги та 
струму в силових елементах зумовлює більш «розтягнуті» фронти імпульсів, 
що підвищує вклад нижчих частот у загальний спектр. Це, у свою чергу, 
збільшує вимоги до фільтрації й ускладнює забезпечення нормативних 
показників якості електроенергії. 
81 
У варіанті перетворювача з GaN-ключами спостерігається зміщення 
енергії гармонік у бік більш високих частот за одночасного зниження 
відносного рівня низькочастотних складових. Підвищення частоти комутації 
та скорочення тривалості фронтів призводять до формування спектра, в 
якому основні піки зосереджені в області вищих гармонік. Це дає можливість 
застосовувати фільтри з меншими габаритами й індуктивностями, що 
позитивно впливає на масогабаритні показники перетворювача та щільність 
потужності. 
Водночас зростання високочастотної складової спектра вимагає більш 
ретельного підходу до проєктування друкованих плат, систем заземлення та 
екранування. Наявність значних високочастотних компонентів може 
призводити до збільшення рівня випромінюваних і наведних завад, тому для 
схем на базі GaN-приладів необхідно враховувати додаткові заходи з 
підвищення електромагнітної сумісності (оптимізація топології монтажу, 
використання відповідних фільтрів, розділення силових та сигнальних 
ланцюгів тощо). 
Отже, спектральний аналіз підтверджує, що інтеграція GaN-приладів 
сприяє покращенню якості вихідних параметрів за рахунок зменшення 
низькочастотних гармонік і можливості використання компактних 
фільтрувальних елементів, але одночасно висуває підвищені вимоги до 
конструктивного та схемотехнічного забезпечення електромагнітної 
сумісності. 
Далі наведемо отриманий результат, для одного із ключових 
показників ефективності роботи силового перетворювача є залежність його 
коефіцієнта корисної дії від потужності навантаження. На рис. 3.5 наведено 
залежності ККД   від відносної потужності навантаження Pout для двох 
варіантів реалізації: на основі традиційних Si-приладів та з використанням 
GaN-ключів. 
82 
Як видно з графіка, для кремнієвого варіанта максимальний ККД 
досягається поблизу номінального навантаження та знаходиться на рівні 
близько 90 %. При зниженні потужності навантаження спостерігається 
помітне падіння ККД, що пов’язано з домінуванням сталих (незалежних від 
навантаження) складових втрат, зокрема комутаційних та втрат у 
допоміжних колах живлення. 
 
 
 
Рис. 3.5 Залежність ККД перетворювача від потужності навантаження 
 для варіантів на Si- та GaN-приладах 
 
Як можна також побачити на рис. 3.5, при використанні GaN-ключів 
ККД перетворювача відчутно зростає в усьому діапазоні навантаження. 
Максимальні значення ККД можуть перевищувати 92–94 %, а при 
частковому навантаженні зниження ефективності є менш вираженим, ніж у 
Si-варіанті. Це пояснюється суттєвим зменшенням комутаційних втрат і 
провідникових втрат у силових ключах завдяки меншому опору каналу й 
кращим динамічним характеристикам GaN-елементів. 
Таким чином, аналіз залежності ККД від потужності навантаження 
підтверджує оцінку енергетичних переваг GaN-приладів, особливо в режимах 
83 
часткових навантажень, які є типовими для джерел живлення 
телекомунікаційного та обчислювального обладнання, систем відновлюваної 
енергетики та розподіленої генерації. Отримані результати свідчать про 
доцільність застосування GaN-ключів у тих застосуваннях, де потрібні 
високий середній ККД та знижені експлуатаційні втрати енергії у широкому 
діапазоні режимів роботи. 
Також, як вже було наголошено раніше, вельми важливим є 
температурний режим силових ключів. Як свідчить з проведеного аналізу 
літературних джерел [33], [44], в яких представлено в т.ч. тепловий 
розрахунок, можна очікувати такі оціночні результати: 
– для Si-рішення максимальна температура кристалу при 
номінальному навантаженні досягає Tj,Si105C ; 

– для GaN – Tj,GaN 90 C  при аналогічних умовах 
тепловідведення. 
 Таким чином, перетворювач із GaN-ключами має додатковий 
температурний запас або, коли виникне потреба, дозволяє зменшити 
габарити радіаторів. 
 
Висновки до розділу 3 
1. Розроблено математичну та імітаційну модель силового DC/DC-
перетворювача, яка враховує особливості роботи силових ключів на основі Si 
та GaN і дозволяє аналізувати їх вплив на енергоефективність, динаміку та 
електромагнітну сумісність системи. 
2. Побудовані моделі засвідчили, що застосування GaN-приладів дає 
змогу істотно зменшити комутаційні втрати та підвищити частоту комутації, 
що приводить до зростання ККД, зменшення розмірів магнітних елементів і 
підвищення щільності потужності. 
84 
3. Порівняльний аналіз показав, що у всьому діапазоні навантаження 
перетворювач із GaN-ключами має вищий ККД та кращі динамічні 
характеристики, ніж кремнієвий аналог, водночас потребуючи більш 
ретельного проєктування драйверів і силової плати. 
4. Результати моделювання підтвердили доцільність інтеграції GaN-
приладів у сучасні енергетичні та електронні системи, особливо в 
застосуваннях із підвищеними вимогами до частоти комутації, компактності 
й високої якості електроенергії. 
5. Сформовані на основі моделювання критерії вибору елементної 
бази і вимоги до режимів роботи GaN-приладів можуть бути використані при 
розробці реальних зразків силових перетворювачів у подальших етапах 
досліджень та впровадження. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
85 
РОЗДІЛ 4 
 
УЗАГАЛЬНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ПРАКТИЧНІ 
РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО ІНТЕГРАЦІЇ ВИСОКОШВИДКІСНИХ GaN-
ПРИЛАДІВ У ЕНЕРГЕТИЧНІ ТА ЕЛЕКТРОННІ СИСТЕМИ 
 
4.1 Узагальнена оцінка перспектив застосування GaN-приладів в 
енергетичних та електронних системах 
Результати аналітичного огляду, що були здійснені в розділі 1, аналізу 
типових топологій – розділ 2, а також та математичного (в т.ч. імітаційного) 
моделювання – розділ 3 дозволяють сформувати узагальнену оцінку 
перспектив інтеграції високошвидкісних галій-нітридних (GaN) приладів у 
сучасні енергетичні та електронні системи. 
Проведені дослідження підтвердили, що GaN-прилади демонструють 
суттєві переваги порівняно з традиційними кремнієвими компонентами, а 
саме: 
– зменшення комутаційних втрат та можливість роботи на вищих 
частотах комутації; 
– підвищення ККД силових перетворювачів у всьому діапазоні 
навантажень; 
– зменшення габаритів магнітних елементів і фільтрів, що приводить 
до зростання щільності потужності; 
– покращення динамічних характеристик системи та параметрів 
перехідних процесів; 
– потенційне підвищення надійності за умови коректного теплового 
та електромагнітного проєктування. 
Особливо перспективним є застосування GaN-приладів у таких 
застосуваннях: 
86 
 
– високочастотних джерелах живлення для телекомунікацій, дата-
центрів, обчислювальних комплексів; 
– перетворювачах для відновлюваних джерел енергії (фотоелектричні 
станції, системи накопичення енергії, мережеві інвертори); 
– системах електроприводу малої та середньої потужності, включно з 
електротранспортом та промисловою автоматикою; 
– активних фільтрах та компенсаційних пристроях для покращення 
якості електроенергії; 
– силових модулях для інтеграції в інтерфейси постійного й змінного 
струму в архітектурі Smart Grid та мікромереж. 
Таким чином, GaN-прилади можна розглядати як ключовий елемент 
розвитку високоефективних, компактних і швидкодіючих силових 
перетворювальних комплексів, які відповідають сучасним тенденціям 
цифровізації та децентралізації енергетики. 
 
4.2 Особливості енергетичної інфраструктури України та 
чинники, що впливають на інтеграцію GaN-технологій 
Перспективи застосування приладів на основі нітриду галію (GaN) в 
енергетичних та електронних системах залежать не лише від їхніх технічних 
характеристик, а й від конкретних умов енергетичної інфраструктури. Так, 
для України можна виділити чимало факторів, що впливають на доцільність 
та швидкість інтеграції вказаних технологій, наведемо їх далі. 
1. Високий ступінь зношеності основних фондів в електроенергетиці, 
присутність великої кількості застарілого обладнання на рівні мереж 6–35 кВ 
та розподільчих систем низької напруги. 
87 
2. Зростання частки відновлюваних джерел енергії (сонячні та вітрові 
електростанції, малої гідроенергетики), що формує попит на високоефективні 
перетворювачі, мережеві інвертори та системи накопичення. 
3. Активний розвиток децентралізованої генерації та мікромереж, 
зокрема у промислових, комерційних та муніципальних споживачів, що 
стимулює потребу в компактних перетворювачах з високою щільністю 
потужності. 
4. Підвищені вимоги до якості електроенергії в умовах значної 
кількості нелінійних споживачів (приводи з частотним регулюванням, 
імпульсні джерела живлення, зарядні станції для електротранспорту тощо). 
5. Досить обмежені фінансові ресурси та нечітка нормативно-технічна 
база щодо широкомасштабного застосування нових напівпровідникових 
технологій у мережевому обладнанні. 
Таким чином, якщо враховувати ці фактори, інтеграція GaN-приладів 
в українські енергетичні системи на найближчу перспективу є найбільш 
реалістичною у таких сегментах: 
– оновлення та модернізація вторинних джерел живлення для 
релейного захисту, автоматики, телекомунікацій, АСКТП; 
– розвиток систем розподіленої генерації з підвищеними вимогами до 
ККД, габаритів і гнучкості керування; 
– високоефективні перетворювачі для дефіцитних та критичних 
об’єктів (об’єкти оборонного комплексу, медичне обладнання, центри 
обробки даних, об’єкти критичної інфраструктури); 
– електротранспорт і зарядна інфраструктура, де виграш у 
масогабаритних показниках і ККД прямо перетворюється в економічні та 
експлуатаційні переваги. 
 
 
88 
4.3 Критерії вибору GaN-елементної бази для практичних 
застосувань 
На основі результатів моделювання та аналізу можливих структур 
(топологій), які були розглянуті раніше в розділах 2–3, можна сформулювати 
узагальнені критерії вибору GaN-приладів для впровадження в реальні 
енергетичні та електронні системи. 
Спочатку розглянемо електричні та енергетичні критерії. 
1. Клас напруги та струму. Номінальна напруга приладу повинна 
перевищувати максимально можливу робочу напругу в колі з запасом не 
менше 20–30 %, з урахуванням перенапруг, пов’язаних із високими 
значеннями du/dt та паразитними індуктивностями. Номінальний струм має 
забезпечувати роботу при максимальному навантаженні з урахуванням 
пікових та імпульсних режимів. 
2. Питомі комутаційні та провідникові втрати. Вибір конкретної 
моделі GaN-приладу має ґрунтуватися на мінімізації сумарних втрат при 
заданій частоті комутації. Доцільно порівнювати R_DS(on), заряд затвора, 
вихідні та вхідні ємності, часи перемикання для кількох доступних варіантів. 
3. Оптимальна частота комутації. Вибір частоти має базуватися на 
компромісі між зменшенням габаритів магнітних елементів і зростанням 
втрат у ключах та магнітопроводах. Для багатьох застосувань оптимальні 
частоти для GaN-реалізацій лежать у діапазоні сотень кілогерц, що 
забезпечує істотний виграш у щільності потужності. 
4. Тепловий режим. Потрібно враховувати допустиму температуру 
кристала та реальні умови охолодження. Незважаючи на менші сумарні 
втрати, висока щільність потужності в GaN-структурах може вимагати 
ретельного теплового моделювання та застосування ефективних теплових 
інтерфейсів. 
 
89 
Далі розглянемо схемотехнічні критерії. 
1. Сумісність із драйвером. GaN-прилади потребують спеціалізованих 
драйверів із достатньою швидкістю наростання/спаду струму затвора, 
коректними рівнями керуючої напруги та можливістю реалізації 
контрольованого мертвого часу. 
2. Паразитні індуктивності та ємності. При виборі компонентів слід 
враховувати їх конструктивні особливості (корпус, розташування виводів), 
оскільки паразитні параметри істотно впливають на перерозподіл напруг і 
струмів при комутації. 
3. Вимоги до електромагнітної сумісності. Прилади з високою 
швидкістю перемикання повинні використовуватися в поєднанні з 
оптимізованою топологією монтажу, екрануванням, фільтрацією та грамотно 
реалізованою системою заземлення. 
Наступним кроком розглянемо економічні та експлуатаційні критерії. 
1. Співвідношення «вартість–ефективність». Доцільність переходу на 
GaN має оцінюватися на основі аналізу економії енергії, зменшення габаритів 
і ваги обладнання, підвищення ресурсу, порівняно з додатковими витратами 
на елементну базу. 
2. Доступність та сервісна підтримка. Обрані прилади мають бути 
доступні на ринку у стабільних поставках, з достатньою технічною 
документацією та можливістю заміни аналогами у разі зміни постачальника. 
3. Надійність і репутація виробника. Для критичних застосувань 
доцільно обирати компоненти, що пройшли апробацію у промислових 
рішеннях і мають підтверджені показники надійності. 
 
 
 
90 
4.4 Вимоги до режимів роботи та конструктивно-схемних рішень 
при застосуванні GaN-приладів 
Значні швидкості перемикання та загальна специфіка GaN-структур 
висувають додаткові вимоги до режимів роботи й конструктивної реалізації 
силових перетворювачів. 
1. Забезпечення контрольованих режимів комутації. Необхідно 
коректно задавати мертвий час між керуючими сигналами верхнього та 
нижнього ключів у мостових і напівмостових топологіях, щоб уникнути 
наскрізних струмів. Бажано реалізувати режими «м’якої» комутації 
(ZVS/ZCS), які знижують рівень перенапруг та втрат. 
2. Мінімізація паразитних петльових індуктивностей. Топологія 
друкованої плати повинна забезпечувати мінімальну площу силових петель, 
особливо між конденсаторами шини та силовими ключами. Доцільно 
використовувати багатошарові плати з виділеними шарами живлення та 
заземлення. 
3. Оптимізація системи керування. Алгоритми ШІМ, структура 
регуляторів напруги й струму, а також параметри зворотних зв’язків мають 
бути адаптовані до підвищеної швидкодії силової частини, аби уникнути 
самозбудження та небажаних коливань. 
4. Проблема електромагнітної сумісності. Потрібно передбачити 
застосування вхідних та вихідних фільтрів, екранів, розділення силових і 
сигнальних ланцюгів, правильну організацію контурів заземлення. Для 
чутливих вимірювальних та керуючих сигналів доцільно застосовувати 
гальванічну розв’язку. 
5. Теплове проєктування. При високій щільності потужності слід 
передбачити ефективний тепловідвід: використання радіаторів, 
теплопровідних підкладок, теплових інтерфейсів, за необхідності – активного 
91 
охолодження. Теплові розрахунки мають бути невід’ємною частиною етапу 
проєктування. 
 
4.5 Практичні рекомендації щодо впровадження GaN-приладів в 
умовах енергосистеми України 
Узагальнюючи результати роботи, можна запропонувати такі 
практичні рекомендації для впровадження GaN-технологій в українських 
енергетичних та електронних системах: 
1. Поетапне впровадження в малопотужних та середньопотужних 
перетворювачах. Доцільно починати із застосувань, де виграш у ККД і 
габаритах є очевидним, а ризики – відносно невисокими: джерела живлення 
вторинних кіл, телекомунікаційне обладнання, промислова автоматика. 
2. Пілотні проєкти у сфері відновлюваної енергетики та мікромереж. 
Розгортання демонстраційних установок (сонячні інвертори, перетворювачі 
для систем накопичення енергії, гібридні мікромережі) з використанням 
GaN-приладів дозволить відпрацювати типові технічні рішення та оцінити їх 
ефективність в реальних умовах. 
3. Розробка типових модулів і платформ. Створення уніфікованих 
силових модулів на основі GaN-приладів із стандартизованими інтерфейсами 
дозволить спростити їх інтеграцію в існуючі та нові системи, скоротити час 
розробки та підвищити відтворюваність рішень. 
4. Адаптація навчальних програм і підготовка фахівців. Для 
ефективної експлуатації та проєктування обладнання з GaN-приладами 
необхідно оновити освітні програми в університетах і програми підвищення 
кваліфікації, включивши туди питання силової електроніки на SiC/GaN, 
моделювання, ЕМС, теплового та конструктивного проєктування. 
5. Актуалізація нормативно-технічної бази. Рекомендується поступово 
розширювати та оновлювати стандарти й технічні вимоги з урахуванням 
92 
особливостей високошвидкісних напівпровідникових приладів, питань 
електромагнітної сумісності, вимог до якості електроенергії, надійності та 
безпеки. 
6. Підтримка вітчизняних розробок. Доцільно стимулювати науково-
дослідні та дослідно-конструкторські роботи у вітчизняних наукових 
установах і промисловості, спрямовані на створення перетворювачів, модулів 
і систем на базі GaN-приладів, з можливим залученням міжнародної 
кооперації. 
 
Висновки до розділу 4 
1. На основі проведених досліджень було підтверджено високий 
потенціал інтеграції пристроїв на основі GaN у сучасні енергетичні та 
електронні системи, особливо в тих сферах, де висока ефективність, 
компактність та швидкість є критично важливими. 
2. Специфіка енергетичної інфраструктури України, зокрема знос 
пристроїв, зростання частки відновлюваних джерел енергії та розвиток 
децентралізованої генерації, створюють як виклики, так і можливості для 
впровадження технології GaN. 
3. Було розроблено набір критеріїв вибору компонентів на основі 
GaN, що охоплюють електричні, інженерні, теплові, економічні та 
експлуатаційні аспекти, які можуть слугувати практичними рекомендаціями 
для розробників перетворювачів потужності. 
4. Було визначено основні вимоги до режимів роботи та 
конструктивних і схемних рішень для використання високошвидкісних 
пристроїв на основі GaN, включаючи необхідність забезпечення режимів 
контрольованого перемикання, високої електромагнітної сумісності та 
ефективного розсіювання тепла. 
93 
5. Було запропоновано практичні рекомендації щодо поступового 
впровадження технології GaN в енергосистему України, включаючи пілотні 
проекти, розробку типових модулів, оновлену нормативну базу та навчання 
спеціалістів. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
94 
ВИСНОВКИ 
У магістерській роботі проведено комплексне дослідження 
перспектив інтеграції високошвидкісних галій-нітридних (GaN) 
напівпровідникових приладів у енергетичні та електронні системи, 
розроблено математичні та імітаційні моделі силових перетворювачів із 
використанням GaN-приладів, а також сформульовано практичні 
рекомендації щодо їх впровадження в умовах сучасної енергетичної 
інфраструктури України. На основі виконаних теоретичних та практичних 
досліджень сформульовано такі основні висновки: 
1. Проаналізовано сучасний стан розвитку силової електроніки та 
напівпровідникових приладів. 
Показано, що традиційна кремнієва елементна база (Si-MOSFET, 
IGBT та ін.) досягла близьких до граничних фізичних можливостей значень 
напруги, струму та частоти комутації. Обґрунтовано, що подальше 
підвищення ефективності, щільності потужності та динамічних 
характеристик силових перетворювачів можливе переважно за рахунок 
використання напівпровідників з широкою забороненою зоною, серед яких 
GaN є однією з найперспективніших технологій. 
2. Виконано аналітичний огляд властивостей GaN-приладів та їхніх 
переваг над кремнієвими аналогами. 
Встановлено, що GaN-ключі характеризуються меншим опором 
відкритого каналу, зниженими комутаційними втратами, відсутністю або 
мінімальним зворотним відновленням діода, а також можливістю роботи 
на істотно вищих частотах комутації. Це забезпечує підвищення ККД 
силових перетворювачів, зменшення розмірів магнітних компонентів і 
фільтрів, покращення перехідних процесів та якості вихідної напруги. 
3. Систематизовано типові топології енергетичних та електронних 
систем, де інтеграція GaN-приладів є найбільш доцільною. 
95 
Показано, що найбільший потенціал застосування GaN-технологій 
мають високочастотні джерела живлення, мережеві інвертори для 
відновлюваних джерел енергії та систем накопичення, перетворювачі для 
електроприводів і електротранспорту, а також активні фільтри та 
компенсатори якості електроенергії. Для таких систем сформульовано 
критерії вибору елементної бази та узагальнені вимоги до режимів роботи 
силових ключів. 
4. Розроблено математичну модель силового DC/DC-перетворювача та 
побудовано імітаційні моделі варіантів на основі Si та GaN-приладів. 
Модель враховує динаміку струмів та напруг у силовому колі, режими 
комутації ключів, основні види втрат (провідникові, комутаційні, магнітні), 
а також особливості GaN-приладів (менші ємності, менші часи 
перемикання, високі du/dt та di/dt). На основі математичного опису 
реалізовано імітаційні моделі в середовищі комп’ютерного моделювання для 
двох варіантів реалізації: з кремнієвими ключами та з GaN-HEMT. 
5. Проведено порівняльний аналіз енергоефективності та динамічних 
характеристик перетворювача з GaN- і Si-ключами. 
За результатами моделювання показано, що перетворювач на GaN-
приладах забезпечує вищий ККД у всьому діапазоні навантаження (на кілька  
відсотків), знижені втрати в ключах, менші габарити магнітних елементів 
та фільтрів, покращені перехідні процеси при зміні навантаження, а також 
більш сприятливу форму і спектральний склад вихідної напруги, 
підтверджено необхідність більш ретельного проєктування драйверів, 
друкованих плат та систем електромагнітної сумісності. 
6. Сформульовано узагальнені критерії вибору GaN-елементної бази 
та вимоги до режимів роботи. 
Запропоновано комплекс критеріїв, що включає електричні (клас 
напруги, струму, допустимі втрати), схемотехнічні (сумісність із 
96 
драйвером, урахування паразитних параметрів, режимів комутації), теплові 
(допустима температура кристала, ефективність охолодження) та 
економічні (співвідношення «вартість–ефективність», доступність 
компонентів) аспекти. Визначено вимоги до забезпечення контрольованих 
режимів комутації, мінімізації паразитних індуктивностей, оптимізації 
систем керування та забезпечення електромагнітної сумісності. 
7. Оцінено перспективи інтеграції GaN-приладів в умовах 
енергетичної інфраструктури України та сформульовано практичні 
рекомендації. 
Враховуючи зношеність значної частини мережевого обладнання, 
зростання частки відновлюваних джерел енергії, розвиток 
децентралізованої генерації та підвищені вимоги до якості електроенергії, 
обґрунтовано доцільність поетапного впровадження GaN-технологій у 
вторинні джерела живлення, системи розподіленої генерації, 
електротранспорт і зарядну інфраструктуру. Запропоновано рекомендації 
щодо пілотних проєктів, розробки типових силових модулів, оновлення 
нормативно-технічної бази та адаптації освітніх програм для підготовки 
фахівців. 
8. Практичне значення отриманих результатів. 
Розроблені підходи до вибору топологій та елементної бази, 
математичні й імітаційні моделі перетворювачів із GaN-приладами, а 
також сформульовані критерії та рекомендації можуть бути використані 
при проєктуванні та модернізації силових перетворювальних пристроїв для 
енергетичних і електронних систем. Це сприятиме підвищенню 
енергоефективності, надійності та гнучкості роботи енергетичної 
інфраструктури, а також інтеграції сучасних технологій силової 
електроніки в умовах трансформації енергосистеми України. 
 
97 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 
 
1. Naumov A. V. Self-heating effects in AlGaN/GaN HEMT 
heterostructures: Electrical and optical characterization / A. V. Naumov, O. F. 
Kolomys, A. S. Romanyuk, B. I. Tsykaniuk, V. V. Strelchuk, M. P. Trus, A. Yu. 
Avksentyev, A. E. Belyaev // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & 
Optoelectronics. – 2015. – Vol. 18, No. 4. – P. 396–402. 
2. Naumov A. V. Electron transport in AlGaN/GaN HEMT-like 
nanowires: effect of depletion and UV excitation / A. V. Naumov, V. V. 
Kaliuzhnyi, S. A. Vitusevich, H. Hardtdegen, N. Klein // Semiconductor Physics, 
Quantum Electronics & Optoelectronics. – 2021. – Vol. 24, No. 4. – P. 407–412. 
3. Burkovskiy Y. Gallium nitride electronics / Y. Burkovskiy // 
Electronics and Communications. – 2017. – No. 3. – P. 5–18. 
4. Vitusevich S. Thermometry of AlGaN/GaN 2D channels at high 
electric fields / S. Vitusevich, A. V. Naumov, V. V. Strelchuk, et al. // Advanced 
Electronic Materials. – 2023. – Vol. 9, Issue 1. – Article e2201330. – 10 p. 
5. Туркевич І. В. Широкозонні напівпровідникові матеріали для 
енергетичних та сенсорних застосувань / І. В. Туркевич // 
Енергоефективність фотоелектричних перетворювачів для відновлюваної 
енергетики : монографія / за ред. О. Є. Федоровича. – Запоріжжя : ЗНУ, 2019. 
– С. 145–178. 
6. Mortazavizadeh S. A. High frequency, high efficiency, and high 
power density gallium nitride based power converters / S. A. Mortazavizadeh, A. 
Sheikholeslami, M. Ahrens // Applied Sciences. – 2021. – Vol. 11, No. 23. – Art. 
11350. – 25 p. 
7. Bhat A. K. High-efficiency GaN-based converters for renewable 
energy systems: a review / A. K. Bhat, H. Wang // IEEE Transactions on Industrial 
Electronics. – 2021. – Vol. 68, No. 4. – P. 2932–2945. 
98 
8. Chen M. Impact of wide bandgap devices on power electronics for 
renewable energy integration: focus on GaN / M. Chen, Y. Liu // Energies. – 2020. 
– Vol. 13, No. 24. – Art. 6623. – 20 p. 
9. Pushpakaran B. N. Commercial GaN-based power electronic systems / 
B. N. Pushpakaran, S. B. Bayne // Journal of Electronic Materials. – 2020. – Vol. 
49, No. 11. – P. 6417–6436. 
10. Mistri S. A comprehensive study on GaN power devices / S. Mistri, 
M. Ali, A. A. Boora, A. Bakhshian // Electronics. – 2025. – Vol. 14, No. 22. – Art. 
4430. – 30 p. 
11. Liu G. Optimal design of high frequency high efficiency and high 
power density GaN-based power module / G. Liu, X. Zhang, Y. Li, H. Zhao // IET 
Power Electronics. – 2023. – Vol. 16, No. 10. – P. 1823–1835. 
12. Naumov A. V. Self-heating effects in AlGaN/GaN HEMT 
heterostructures: electrical and optical characterization / A. V. Naumov, O. F. 
Kolomys, A. S. Romanyuk [та ін.] // Semiconductor Physics, Quantum Electronics 
& Optoelectronics. – 2015. – Vol. 18, No. 4. – P. 396–402. 
13. Sun B. High-frequency oriented design of gallium-nitride (GaN) 
based power converters : PhD thesis / B. Sun. – Blacksburg : Virginia Polytechnic 
Institute and State University, 2018. – 210 p. 
14. Ma, Y.; Huang, A.; Zhou, X. A review of STATCOM on the electric 
power system. In Proceedings of the 2015 IEEE International Conference on 
Mechatronics and Automation (ICMA), Beijing, China, 2–5 August 2015.  
15. Muñoz, J.; Rohten, J.; Espinoza, J.; Melín, P.; Baier, C.; Rivera, M. 
Review of current control techniques for a cascaded H-Bridge STATCOM. In 
Proceedings of the 2015 IEEE International Conference on Industrial Technology 
(ICIT), Seville, Spain, 17–19 March 2015.  
16. Nikam, D.S.; Kalkhambkar, V.N. STATCOM and Multilevel VSC 
Topology: A Review. In Proceedings of the 2018 International Conference on 
99 
Current Trends towards Converging Technologies (ICCTCT), Coimbatore, India, 
1–3 March 2018.  
17. Shinde, O.K.; Pulavarthi, V.R.S.V.B. STATCOM converters and 
control: A review. In Proceedings of the 2017 International Conference on Data 
Management, Analytics and Innovation (ICDMAI), Pune, India, 24–26 February 
2017.  
18. Elserougi, A.A.; Massoud, A.M.; Ahmed, S. A transformerless 
STATCOM based on a hybrid Boost Modular Multilevel Converter with reduced 
number of switches. Electr. Pow. Syst. Res. 2017, 146, 341–348. 
19. Pires, V.F.; Cordeiro, A.; Foito, D.; Silva, J.F. A STATCOM Based 
on a Three-Phase, Triple Inverter Modular Topology for Multilevel 
Operation. IEEE Trans. Power. Deliver. 2019, 34, 1988–1997. 
20. Mehouachi, I.; Abbes, M.; Chebbi, S. Design of a high power D-
STATCOM based on the isolated dual-converter topology. Int. J. Elec. 
Power. 2019, 106, 401–410.  
21. Liu, J.; Su, C.; Wang, X.; Fang, W.; Niu, S.; Cheng, L. Abnormality 
in power system transient stability control of BESS/STATCOM. J. 
Eng. 2017, 2017, 1040–1044.  
22. Hussain, I.; Kandpal, M.; Singh, B. Grid integration of single stage 
SPV-STATCOM using cascaded 7-level VSC. Int. J. Elec. Power. 2017, 93, 238–
252. 
23. Pezeshki, H.; Arefi, A.; Ledwich, G.; Wolfs, P. Probabilistic Voltage 
Management Using OLTC and dSTATCOM in Distribution Networks. IEEE 
Trans. Power. Deliver. 2018, 33, 570–580.  
24. Wang, L.; Chang, C.; Kuan, B.; Prokhorov, A.V. Stability 
Improvement of a Two-Area Power System Connected With an Integrated 
Onshore and Offshore Wind Farm Using a STATCOM. IEEE Trans. Ind. 
Appl. 2017, 53, 867–877.  
100 
25. Satpathy, A.S.; Kastha, D.; Kishore, K. Control of a STATCOM-
assisted self-excited induction generator-based WECS feeding non-linear three-
phase and single-phase loads. IET Power Electron. 2019, 12, 829–839.  
26. Wang, L.; Liu, W.S.; Yeh, C.C.; Yu, C.H.; Lu, X.Y.; Kuan, B.L.; Wu, 
H.Y.; Prokhorov, A.V. Reduction of Three-Phase Voltage Unbalance Subject to 
Special Winding Connections of Two Single-Phase Distribution Transformers of a 
Microgrid System Using a Designed D-STATCOM Controller. IEEE Trans. Ind. 
Appl. 2018, 54, 2002–2011.  
27. Ma Packaging Technologies: Challenges, Advances, and Emerging 
Issues. IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron. 2020, 8, 239–255. 
28. Sheng, H.; Chen, Z.; Wang, F.; Millner, A. Investigation of 1.2 kV 
SiC MOSFET for high frequency high power applications. Proceedings of 2010 
Twenty-Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition 
(APEC), Palm Springs, CA, USA, 21–25 February 2010.  
29. Jones, E.A.; Wang, F.F.; Costinett, D. Review of Commercial GaN 
Power Devices and GaN-Based Converter Design Challenges. IEEE J. Emerg. Sel. 
Top. Power Electron. 2016, 4, 707–719.  
30. Spaziani, L.; Lu, L. Silicon, GaN and SiC: There’s room for all: An 
application space overview of device considerations. In Proceedings of the 2018 
IEEE 30th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 
(ISPSD), Chicago, IL, USA, 13–17 May 2018.  
31. Viswan, V. A review of silicon carbide and gallium nitride power 
semiconductor devices. IJRESM 2018, 1, 224–225.  
32. Bosshard, T.R.; Kolar, J.W. Performance comparison of a GaN GIT 
and a Si IGBT for high-speed drive applications. Proceedings of 2014 International 
Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014—ECCE ASIA), Hiroshima, 
Japan, 18–21 May 2014.  
101 
33. High-Performance SiC MOSFET Technology for Power Electronics 
Design. Available online: https://www.eeweb.com/profile/eeweb/articles/high-
performance-coolsic-mosfet-technology-for-power-electronics-design (accessed 
on 13 April 2020). 
34. Adappa, R.; Suryanarayana, K.; Swathi Hatwar, H.; Ravikiran Rao, 
M. Review of SiC based Power Semiconductor Devices and their Applications. In 
Proceedings of the 2019 2nd International Conference on Intelligent Computing, 
Instrumentation and Control Technologies (ICICICT), Kannur, Kerala, India, 5–6 
July 2019.  
35. Papers, Articles and Presentations. Available 
online: https://gansystems.com/design-center/papers/ (accessed on 31 March 
2020). 
36. Observations about the Impact of GaN Technology. Available 
online: https://www.powerelectronicsnews.com (accessed on 31 March 2020). 
37. Use SiC and GaN Power Components to Address EV Design 
Requirements. Available online: https://www.digikey.tw/en/articles/use-sic-and-
gan-power-components-ev-design-requirements (accessed on 13 April 2020). 
38. Application Notes. Available online: https://gansystems.com/design-
center/application-notes/ (accessed on 14 April 2020). 
39. IGBT & SiC Gate Driver Fundamentals. Available 
online: https://www.ti.com/lit/wp/slyy169/slyy169.pdf?ts=1594784799613&ref_
url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F (accessed on 22 April 
2020). 
40. Jyotheeswara Reddy, K.; Sudhakar, N. High Voltage Gain Interleaved 
Boost Converter With Neural Network Based MPPT Controller for Fuel Cell 
Based Electric Vehicle Applications. IEEE Access 2018, 6, 3899–3908.  
41. Liang, Z.; Kang, C.; Shengbin, C.; Ling, L.; Huanhuan, M.; Kaiwen, 
W. The Bidirectional DC/DC Converter Operation Mode Control Algorithm Based 
102 
on RBF Neural Network. In Proceedings of the 2019 IEEE Innovative Smart Grid 
Technologies—Asia (ISGT Asia), Chengdu, China, 21–24 May 2019.  
42. Yin, Y.; Liu, J.; Sánchez, J.A.; Wu, L.; Vazquez, S.; Leon, J.I.; 
Franquelo, L.G. Observer-Based Adaptive Sliding Mode Control of NPC 
Converters: An RBF Neural Network Approach. IEEE Trans. Power 
Electr. 2019, 34, 3831–3841.  
43. Методичні рекомендації до підготовки магістерської роботи 
бакалавра для здобувачів освітнього ступеня магістр спеціальності 141 
«Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» усіх форм навчання 
[Електронний ресурс] / [Упоряд.: Ситник О.О., Яценко І.В., Самойлик О.В.]; 
М-во освіти і науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. – Черкаси: ЧДТУ, 
2021. – 32 с. 
44. Бузикін І.І., Ситник О.О. «Особливості застосування 
швидкодіючих напівпровідникових приладів на основі структур нітриду 
галію (GaN)» // Збірник тез доповідей студентської науково-практичної 
конференції ЧДТУ, 22-24 квітня, Черкаси. 2025. – С. 127.
Репозиторій ЧДТУ
