المحول الكهربائي الرافع للجهد باستخدام المحاثات المقترنة

يقترح هذا الطرح محول (DC/DC) عالي الجهد من خلال الجمع بين محث مقترن ومعدل مضاعف للجهد، بحيث يعمل جانب الإدخال للمحول المقترح بطريقة متداخلة مع اثنين من المحاثات المقترنة المتصلة بالتوازي، كما ويتكون جانب الإخراج من مقوم مضاعفة الجهد الكهربائي، حيث يتم دمج مقومين في سلسلة واحدة.

التركيز على أهمية المحول الكهربائي الرافع للجهد والمحاثات المقترنة

حالياً تعتبر الطاقة العالمية المستخدمة للفحم والنفط آخذة في النضوب بسرعة، وبسبب تأثيرات الاحتباس الحراري تركز العديد من البلدان على الأبحاث حول الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة خلايا الوقود، وبشكل عام تنتمي هذه الطاقات المتجددة إلى مصادر الطاقة ذات الجهد المنخفض والتيار العالي، والتي تتطلب محولاً عالي الصعود في دائرة المرحلة الأمامية للتطبيق.

لذلك يتطلب محول (DC / DC) عالي الصعود كثافة عالية للقدرة الكهربائية وكفاءة بالإضافة إلى زيادة الجهد الكهربائي العالي، بحيث تستخدم محولات التعزيز والدعم التقليدية على نطاق منتشر بسبب الكفاءة العالية والبنية التركيبية البسيطة، وعندما يزداد كسب الجهد لمحول التعزيز التقليدي؛ يحد مكون المقاومة الطفيلية من كسب الجهد ويسبب خسارة خطيرة.

وفي تطبيقات الجهد العالي الناتج؛ فإنه يؤدي إجهاد الجهد العالي على المفاتيح والصمامات الثنائية إلى تدهور أداء الجهاز، مما يتسبب في خسائر فادحة في التبديل وخسائر التوصيل ومشكلات الاسترداد العكسي، لذلك في تطبيقات (DC / DC) عالية الصعود؛ يجب أن ينتشر ضغط الجهد عبر الأجهزة عن طريق تقليل دورة العمل واستخدام الأجهزة ذات الجهد المنخفض.

التركيب الدقيق للمحول الكهربائي رافع الجهد (DC/DC)

محول (DC/DC) المعزول من (fly-back) هو طوبولوجيا شائعة الاستخدام بهيكل بسيط، بحيث يمكن أن يزيد من كسب الجهد وله أداء عزل كهربائياً، وعادة ما يكون إجهاد الجهد لجهاز أشباه الموصلات مرتفعاً بسبب تحريض التسرب للمحول، كما تم اقتراح عدة طرق لإعادة تدوير طاقة محاثة التسرب لمحول ولخفض إجهاد الجهد لجهاز أشباه الموصلات.

ومع ذلك؛ فإن محول التيار (DC/DC) المعزول يتطلب محولاً كبيراً للحصول على مكاسب عالية الجهد، وهناك مشكلة تتمثل في زيادة فقد التوصيل عن طريق تدفق تيار إدخال كبير وتموج تيار من خلال مفتاح واحد، كذلك تم اقتراح محولات (DC / DC) المتشابكة لتطبيقات الطاقة العالية والكفاءة العالية، والتي يمكن أن تقلل من تموج الإدخال الحالي والحجم الكلي للنظام.

أيضاً لا يقتصر المحول الكهربائي “المشذب” المقترن (DC / DC) على مزايا التكنولوجيا المشذرة فحسب؛ بل يعيد أيضاً تدوير طاقة محث التسرب للمحث المقترن إلى جانب الخرج، كما ويحقق كسباً عالياً للجهد الكهربائي باستخدام نسبة المنعطفات.

مبادئ التشغيل لمحول (DC/DC) عالي الخطوة المقترح

يوضح الشكل التالي (2) مخطط الدائرة المكافئ لمحول الصعود المرتفع المقترح، كما يوضح الشكل (3) المدخلات والمخرجات الجهد والتيار الكهربائي للدائرة المقترحة بالإضافة إلى اتجاهات التبديل والصمام الثنائي (Vin، Iin، Vo، Io، iS1، iS2، iDa، iDb، iDo1، iDo2)، كذلك المحاثات المقترنة (L1 ، L2) متصلة بالتوازي مع جانب الإدخال.

كذلك تكون مقسمة إلى محاثات ممغنطة (Lm1 ، Lm2)، كذلك محاثات تسرب (Lk1 ، Lk2 ، Ls)، وهي ملفات أولية (Np1 ، Np2) وثانوية اللفات (Ns1 ،Ns2)، بحيث يتكون (VMR) الرباعي من الثنائيات (Da  Db  Do1  Do2) والمكثفات (Ca ،Cb ،Co1 ،Co2)، والتي يتم توصيلها في سلسلة مع جانب الإخراج.

كما يعمل محول الخطوة المرتفع المقترح في وضع التوصيل المستمر (CCM) ويكون لمحث التسرب قيمة أكبر من الصفر.، بحيث تكون دورة العمل (D) للمفاتيح أكبر من (0.5) ويتم تشذيرها مع تحول طور (180) درجة، بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام الشروط التالية لتبسيط مبدأ تشغيل الدائرة:

• يتم تجاهل مكون المقاومة للعناصر النشطة والسلبية ويتم النظر في السعة الطفيلية للمفاتيح (S1 ، S2).

• المكثفات (Ca ،Cb ،Co1 ،Co2) كبيرة بما يكفي، لذلك يعتبر جهد المكثف ثابتاً خلال فترة التبديل (Ts).

• محاثات التسرب (Lk1،Lk2،Ls) للمحثات المقترنة (L1،L2)، بحيث تعتبر مع نسبة المنعطفات (N = Np1 /) وأيضاً (Ns1 = Np2 / Ns2).

تحليل أداء الحالة المستقرة لمحول DC/DC عالي الخطوة المقترح

مكاسب التصعيد العالية

في هذا الفصل، تم تبسيط تحليل الحالة المستقرة (الوضع 1)، (الوضع 2)، (الوضع 3)، (الوضع 4) من خلال تجاهل محفز التسرب (Lk1 = Lk2 = Ls≈0) للمحول المقترح، كما وتم توضيح أشكال الموجة الرئيسية هذه في الشكل التالي (4).

بالإضافة إلى ذلك ونظراً لأن الأسلوب (1) والأسلوب (3) لهما نفس وضع التشغيل؛ فإن التدفق المثالي للتيار الكهربائي يكون حسب اتجاه المسار المحدد، بحيث يتم تمثيل الفترة التي تكون فيها المفاتيح (S1 ، S2) في وضع التشغيل بواسطة الأساسي (Np1 ،Np2) والثانوية (Ns1 ،Ns2) الفولتية للمحثات المقترنة.

إجهاد الجهد الكهربائي

ضغط الجهد للمفاتيح (S1 ،S2) منخفض مقارنة بجهد الخرج (Vo)، ويصبح أقل عندما تزداد نسبة المنعطفات (N) للمحثات المقترنة، بحيث يتميز المحول المقترح بخاصية انخفاض ضغط الجهد للمفاتيح (S1 ،S2) عند زيادة كسب الجهد (M).

كما يتم الحفاظ على ضغط الجهد للثنائيات (Da ،Db ،Do1 ،Do2) عند نصف جهد الخرج (Vo) بغض النظر عن نسبة المنعطفات (N).

الشكل التالي يوضح خصائص إجهاد الجهد لأجهزة أشباه الموصلات طبقاً للمعادلات، بحيث يمكن أن يقلل إجهاد الجهد المنخفض لهذه الأجهزة من فقد التوصيل، وبالتالي من الممكن تحسين أداء التشغيل عن طريق اختيار جهاز أشباه الموصلات بمقاومة منخفضة للتشغيل والجهد المقنن المنخفض.

مقارنة أداء الدائرة الرئيسية

يكون المحول المرتفع المقترح ضمن المحولات المماثلة للأنظمة الاعتيادية، وذلك في جوانب مختلفة، بحيث يحتوي محول الخطوة العالية المقترح على نفس عدد العناصر أو أقل بنسبة تصل إلى (63٪) من المحولات المماثلة، كذلك عدد المفاتيح أقل بمقدار اثنين مقارنة بالمحول الذي تمت مقارنته، لذلك إذا كان عدد المفاتيح كبيراً، بحيث يصبح تكوين دائرة التشغيل معقداً ويزداد الحجم والسعر بسبب برنامج تشغيل البوابة الإضافي وتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

بالنهاية اقترح هذا البحث محول (DC / DC) من النوع غير المحول مع كسب عالي للجهد من خلال الجمع بين المحث المقترن وتكنولوجيا الرباعي، بحيث يعتبر محول الخطوة العالية المقترح فعالاً للغاية لأنه لا يحصل فقط على كسب جهد إضافي من خلال نسبة المنعطفات للمحث المقترن، ولكن أيضاً يعيد تدوير الطاقة في محث التسرب إلى جانب الخرج.

وفي المحول المقترح؛ فإنه يمكن دمج تقنية تربيع الجهد المكدس على جانب الإخراج مع محث مقترن لزيادة الكفاءة من خلال تمكين اختيار أجهزة أشباه الموصلات التي تحبس الفولتية المنخفضة والمقاومة للمفاتيح والصمامات الثنائية من خلال أداء المشبك بلا خسارة، ومع ذلك كما يتضح من تحليل الحالة المستقرة، بحيث تسبب محاثات التسرب للمحثات المقترنة خسائر تبديل بسبب طفرات الجهد عند إيقاف تشغيل المفتاح.