مكثف تبديل الجهد الكهربائي العالي DC-DC

توضيح أهمية مكثف تبديل الجهد الكهربائي العالي DC-DC

تعتبر مكاسب عالية الجهد محولات (DC-DC) مطلوبة بشكل خاص في بعض التطبيقات مثل الأنظمة المتصلة بالشبكة الكهروضوئية منخفضة الطاقة والأجهزة التي تعمل بخلايا الوقود وتطبيقات التنقل، بحيث يمكن العثور على أصول نمو “محولات المكثفات المبدلة” (SC) في الإلكترونيات الدقيقة، وذلك بمرور الوقت، بحيث تم تكييف هذه التكنولوجيا لتطبيقات الطاقة ووجدت مكاناً مهماً لنفسها في مجال إلكترونيات القدرة، حيث لا يزال يجري البحث عن تطويرها.

كما أنه يمكن تحقيق المحول ذي الكسب العالي الجهد بشكل فعال باستخدام المحولات المختلطة ذات المكثفات المبدلة والمحاثات، وذلك بالإضافة إلى محولات (SC) رنين خام نقية، بحيث يعتمد تشغيل محولات (SC) على نقل الطاقة عبر المكثفات في الدوائر الكهربائية، والتي يتم إعادة تكوينها باستخدام مفاتيح تبديل أشباه الموصلات.

كما أنه يسمح تطبيق المحاثات الرنانة لها بتحقيق التيارات المتذبذبة أثناء عملية إعادة شحن المكثفات المحولة وعملية تبديل التيار الصفري (ZCS)، لذلك يمكن تحقيق محاثة رنانة ذات حجم منخفض مناسب كمكون طفيلي، بالإضافة إلى ملف مستوٍ ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو خنق هوائي، كما يمكن لمحول (SC) حثي أقل أن يعمل في درجات حرارة عالية للمكونات والبيئة، والتي قد تكون خاصية مهمة في بعض التطبيقات.

بحيث ترتبط الفوائد الأخرى للمحولات الكهربائية القائمة على (SC) بمنطق التحويل البسيط وطوبولوجيا معيارية، ومع ذلك؛ فإن دوائر (SC) لها عيوب تتعلق بالعدد الكبير من المفاتيح وكسب الجهد المستمر وخسائر (Coss) العالية.

تعمل غالبية محولات (SC) بكسب جهد ثابت، خاصة في التطبيقات التي تتطلب نسبة تحويل عالية نسبياً ومع ذلك في بعض الهياكل يمكن تغيير كسب الجهد لتحقيق مستويات مختلفة من جهد الخرج، كما يتم إنجازه على مستويات [n + 1] (حيث n هو عدد خلايا التبديل في مضاعف الجهد) عن طريق اختيار عدد خلايا نشط مناسب.

يتم تقديم كسب الجهد المتغير لمحول (SC) مع دقة كسور، حيث أن المحولات الحالية وطرق التنظيم المستمر لكسب الجهد الذي يتحقق من خلال تغيير تردد التبديل، في الحالة الخاصة لمحول السلم، بحيث يساعد تعديل تردد التبديل في الحصول على عامل مساعد لكسب الجهد المنظم بسلاسة في النطاق من (1) إلى (3).

مبدأ العملية مكثف تبديل الجهد الكهربائي العالي

يتكون المحول المقترح والمعروض في الشكل التالي (1) من مكثفتين مبدلتين وخمسة مفاتيح وخمسة ثنائيات والمخرج بنقطة وسطية.

المبدأ الأساسي للعملية في وضع (ZCS) وكسب الجهد العالي

المكثفات المبدلة (C2 ، C3) تشحن وتفريغ في الدوائر بمشاركة “المحاثات الرنينية” التي توفر شكل موجة تيار متذبذب وإمكانية تشغيل (ZCS)، وذلك كما هو موضح فيها الشكل (2) والشكل (3)، بحيث يمكن تحقيق التحول من وضع (ZCS) إلى وضع (ZVS) عن طريق زيادة تردد تبديل الترانزستورات.

في استراتيجية التشغيل الأساسية، يعمل المحول بكسب الجهد [GUmax = 6]، ولتحقيق ذلك، تتكون كل فترة تبديل كاملة (TS) من ست مراحل متتالية (الشكل 2)، والتي تم وصفها على النحو التالي:

المرحلة الأولى: (الفترة الفرعية TS1 ، الوضع M1) يتم شحن مكثف التبديل العلوي (C2) من المصدر.

المرحلة الثانية: (الفترة الزمنية TS2 ، وضع M2)؛ فإنه يتم شحن مكثف التبديل السفلي (C3) من المصدر

المرحلة الثالثة: (الفترة الزمنية TS3 ، وضع M3)، يتم شحن مكثف الخرج (C4) في الدائرة المكونة من المصدر والمكثفات (C2) و (C3) متصلة على التوالي.

المرحلتان الرابعة والخامس: في الفترات الزمنية (TS4) و (TS5)، يتم شحن (C2) و (C3)، وذلك كما في (TS1) و [TS2 (M1، M2)].

المرحلة السادسة: (الفترة الزمنية TS6 ، الوضع M4)، يتم شحن مكثف الخرج (C5) في الدائرة المكونة من المصدر والمكثفات(C2) و (C3) متصلة على التوالي.

تتكون مرحلة إخراج المحول من مكثفين (C4 ، C5). لتحقيق الحد الأقصى من الجهد الكهربائي، يتم شحن المكثفات (C4) و (C5) بشكل فردي (الشكل (2)، الوضعان M3 و M4)، لذلك؛ فإن جهد الخرج النهائي هو مجموع الفولتية عبر المكثفات (C4 و C5).

يعمل المحول باستخدام نمط التبديل بالترتيب التالي للأوضاع (M1-M2-M3-M1-M2-M4)، وذلك لمزيد من التحليل، يتم افتراض السعة المتساوية ومتوسط ​​قيمة الجهد على (C4) و (C5)، علاوة على ذلك يُفترض أيضاً أن سعة مكثفات الرنين (C2 ، C3) تساوي بعضها البعض، بالإضافة إلى محاثة المحاثات الرنانة L1)، L2)، بالإضافة إلى ذلك ونظراً لحقيقة أن مقاومة الدائرة بأكملها صغيرة نسبياً؛ فقد تم إهمال قيمتها في حسابات أخرى.

العملية في وضع تبديل الجهد الصفري (ZVS)

يسمح (ZVS) أثناء عملية تنشيط الترانزستور بتخفيض كبير في تبديد شحنة خرج المحول (Qoss)، بحيث يؤدي إلى الحد من تبديل الخسائر ذات الصلة، كما تعتمد هذه الخسائر بشدة على ضغوط الجهد عبر الترانزستورات، وهناك كمية الطاقة المشتتة على كل ترانزستور ترتفع مع زيادة الجهد، لذلك تزداد أهمية مشكلة تقليل (Qoss) جنباً إلى جنب مع العامل المساعد لكسب الجهد وتكتسب أهمية أكبر عندما يعمل المحول بأعلى كسب جهد (GU = 6)، وهذه الحالة مع تقديم (ZVS)، وذلك كما في الشكل التالي (4).

يوضح مفهوم تشغيل (ZVS) الوارد في الشكل السابق، حيث أن المفاتيح (Q1 و Q2 و Q3)، حيث تعمل في (ZVS) عند تنشيطها، كما أنه يمكن تحقيق (ZVS)، وذلك أثناء التشغيل مع زيادة الجهد الكهربائي المنخفض أيضاً، وهناك فاتورة غير مدفوعة، بحيث يقدم الجدول التالي (1) انتقالات لمكاسب الجهد المختلفة باستخدام عملية (ZVS) المشار إليها.

العملية مع كسب الجهد الكهربائي المتغير

يمكن أن يعمل المحول بالعديد من العوامل المساعدة لكسب الجهد. يعتمد الكسب الذي تم الحصول عليه (GU) على استراتيجية التبديل المستخدمة، وذلك لتحقيق القدرة على التشغيل مع نسب كسب جهد عديدة، بحيث ينبغي استخدام أساليب تحويل إضافية (الشكل 5)، حيث يتم عرض مكاسب الجهد المحتملة التي يمكن تحقيقها باستخدام الأوضاع (M1 – M10) في الجدول التالي (2).

وأخيراً؛ فإنه من المفهوم المقدم وتحليل العملية ونتائج المحاكاة والتجارب التي تم إجراؤها، يمكن تأكيد العديد من الميزات التالية للمحول المقترح:

• يستخدم المحول خمسة مفاتيح ويكسب الجهد ستة أضعاف، وهي نسبة مفيدة مقارنة بطوبولوجيا (SC) المعمول بها.

• يكون ضغط الجهد على المفاتيح أقل بكثير من جهد الخرج، وهي خاصية إيجابية من وجهة نظر التكلفة والحجم والكفاءة، وذلك في المحول بجهد الخرج (420) فولت تم استخدام ثلاثة مقومات شوتكي، بحيث تم أيضاً عرض التشغيل باستخدام (MOSFETs) ذات الجهد المنخفض (أجهزة 200 فولت ذات طرق منخفضة جدًا (قيد التشغيل)).

• يمكن تنفيذ (ZVS) لبعض عمليات التحويل مما يقلل من خسائر (Coss) ويمكن أن يكون مهماً بشكل خاص للتشغيل مع كسب الجهد العالي، بحيث يسمح التشغيل بتردد التبديل فوق تردد الطنين بتحسين الكفاءة وتقليل (EMI) المرتبط بعمليات التحويل.