إلكترونيات القدرة

نظرة شمولية:

كما هو معروف فالآلة الكهربائية عبارة عن جهاز لتحويل الطاقة الكهروميكانيكية، بحيث تقوم بمعالجة وتوفير الطاقة للحمل، يمكن أن تعمل الآلة الكهربائية نفسها كمحرك لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، أو تعمل كمولد لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، كما وتعمل الآلة الكهربائية جنباً إلى جنب مع محول الطاقة الإلكتروني، ووحدة التحكم المرتبطة به على تشغيل المحرك.
 يتكون محول الطاقة الإلكتروني من أجهزة الحالة الصلبة ويتعامل مع تدفق الطاقة السائبة من المصدر إلى أطراف إدخال المحرك، مكنت التطورات في تكنولوجيا أشباه موصلات الطاقة على مدى العقود العديدة الماضية من تطوير محركات كهربائية مدمجة وفعالة وموثوقة تعمل بالتيار المستمر والتيار المتردد.

وحدة التحكم مصنوعة من متحكم دقيق أو معالج إشارة رقمية وإلكترونيات الإشارة الصغيرة المرتبطة بها، تتمثل وظيفة وحدة التحكم في معالجة أوامر المستخدم وإشارات المستشعر المختلفة لتوليد إشارات تبديل البوابة لمفاتيح تبديل أشباه الموصلات لمحول الطاقة باتباع خوارزمية التحكم في المحرك، وتتضمن إشارات المستشعر موضع دوار الماكينة، تيارات الطور، فولتية ناقل العاكس، ومخرجات درجة حرارة الآلة والعاكس، كما تعد الحماية من الأعطال والتشخيصات، كما تعد أيضاً جزءاً من خوارزمية التحكم في المحرك.
يركز البحث في مجال الآلات والمحركات الكهربائية على تحسين التصميم باستخدام تحليل العناصر المحدودة ثنائية وثلاثية الأبعاد، ويقود التصميم على مستوى الأنظمة مع مراعاة متطلبات التشغيل وفرص التحكم البحث متعدد الأوجه يبحث عن ابتكارات في تكوينات الماكينة، ومفاهيم التحكم في المحركات وتعريفات المعلمات وتحليل الضوضاء والاهتزاز، تم تصميم محركات الأقراص لجعل النظام أكثر كفاءة، ومتحملًا للأخطاء وأكثر سلاسة في التشغيل وأصغر حجماً ومتوافقاً مع التطبيقات.
 تم تطوير أدوات النمذجه والتصميم للمساعدة في تصميم الماكينة ودفع جهود التطوير، ينصب التركيز البحثي الخاص على الآلات والمحركات ذات المغناطيس الدائم والمقاوم.

إلكترونيات القدرة في المركبات:

في غضون قرن واحد تطورت وسائل النقل الشخصية من الحصان والعربة إلى ما يقرب من مليار سيارة خاصة، ومن المتوقع أن تزداد الحاجة إلى التنقل الشخصي بشكل أسرع، حيث يتم انتشال أعداد كبيرة من الناس من دائرة الفقر في البلدان النامية ويطلبون وسائل النقل الخاصة، الانبعاثات من السيارات التي تحرق الزيت تسد هواءنا وتساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري المتعارف عليها، ولكل هذه الأسباب، فإن إيجاد بديل للنفط لوسائل النقل الخاصة أمر حتمي ومتطلب رئيسي، وعلى الرغم من أن العديد من البدائل يمكن أن تدفع السيارة، إلا أن هناك خياراً واحداً متاحاً بسهولة اليوم وه بالتأكيد الكهرباء.

مع إدخال الدفع الكهربائي، تم إدخال نظام دفع جديد تماماً في السيارة يتطلب بحثاً متعدد التخصصات في مكونات النظام، حيث يتكون نظام السيارة الكهربائية من محرك كهربائي ومحولات إلكترونيات الطاقة وأجهزة تخزين الطاقة مثل البطاريات وبالإضافة إلى ذلك، يجب تحسين النظام الكلي لزيادة كفاءة النظام بشكل عام، أخيراً ولتقليل انبعاثات النقل الإجمالية، يجب إعادة شحن جهاز تخزين طاقة السيارة في الأوقات التي يكون فيها إنتاج طاقة الشبكة أكثر كفاءة وغير ملوث.

تركز أبحاث (NCSU) على أنظمة المركبات الكهربائية، وبالذات على توسيع نطاق المركبات من خلال تطوير أنظمة فرعية أكثر كفاءة بما في ذلك أنظمة التخزين ذات كثافة الطاقة والطاقة الأعلى، كما يركز موضوع بحث آخر على تطوير التقنيات الأساسية التي من شأنها تسهيل صناعة الطاقة الكهربائية لإدارة والتحكم بنشاط في كمية كبيرة من شحن المركبات الموصولة بالكهرباء.

تغليف أنظمة الطاقة الإلكترونية:

يشمل تغليف أنظمة الطاقة الإلكترونية (بما في ذلك تغليف إلكترونيات الطاقة)، تقنيات تركز على التنفيذ المادي لأنظمة الطاقة الإلكترونية وأنظمة تخزين الطاقة.

يطور المهندسون الكهربائيون الدوائر والمخططات ولكن ما يتم تسليمه في النهاية إلى العميل عبارة عن دوائر كهربائية فيزيائية مصممة بشكل متزامن ومدمجة في نظام أجهزة، كما ويجب أن تتوافق أنظمة الأجهزة هذه مع المقاييس، مثل الطاقة والوزن وكثافة الحجم، كذلك معايير الحكومة والصناعة والموثوقية.

من المعروف أن هذا البحث واسع النطاق ومتعدد التخصصات مع دراسات معمقة في المكونات والدوائر الكهربائية والمغناطيسية والحرارية والميكانيكية، حيث تركز أبحاث (NCSU )على طوبولوجيا عالية التردد وعالية الكثافة تستخدم أشباه موصلات طاقة فائقة السرعة، والمواد وعمليات التصنيع لإنشاء مثل هذه الهياكل.

التطبيقات موجودة في أنظمة طاقة متكاملة جديدة من رقاقة إلى سفينة، بما في ذلك أنظمة طاقة الشبكة الذكية الأرضية والمحولات ومحركات السيارات الكهربائي، ومزودات طاقة عالية الأداء لأنظمة توزيع الطيران والاتصالات والتيار المستمر، وواقيات الأخطاء فائقة السرعة باستخدام أحدث أشباه الموصلات (SiC) و(GaN).

سيجد المهتمون بهذا المجال أنه من المفيد أن يكون لديهم دراسة أولية وشاملة في إلكترونيات الطاقة والفيزياء ذات الاهتمامات القوية في نقل الحرارة أو المواد أو الميكانيكا الإنشائية.

إلكترونيات القوى:

إلكترونيات الطاقة (القوى) هي التقنية المرتبطة بالتحويل الفعال والتحكم وتكييف الطاقة الكهربائية بوسائل ثابتة من شكل الإدخال المتاح، وصولاً إلى شكل الإخراج الكهربائي المطلوب.

يمكن العثور على محولات الطاقة الإلكترونية حيثما كانت هناك حاجة لتعديل شكل الطاقة الكهربائية (أي تعديل الجهد أو التيار أو التردد)، بالتزامن مع الإلكترونيات “الكلاسيكية”، تُستخدم التيارات الكهربائية والجهد لنقل المعلومات، بينما مع إلكترونيات الطاقة، تحمل القوة بعض الأمثلة على استخدامات أنظمة الطاقة الإلكترونية وهي محولات التيار (المستمر الى التيار المستمر)، والمستخدمة في العديد من الأجهزة المحمولة، مثل: الهواتف المحمولة أو أجهزة المساعد الرقمي الشخصي، كذلك محولات (التيار المتردد الى التيار المستمر)، في أجهزة الكمبيوتر، وأجهزة التلفزيون تُستخدم إلكترونيات الطاقة على نطاق واسع، من أجل التحكم في تدفق الطاقة.

يشمل البحث في هذا المجال تطبيقات إلكترونيات الطاقة للتحكم في نقل وتوزيع الطاقة على نطاق واسع، بالإضافة إلى دمج مصادر الطاقة الموزعة والمتجددة في الشبكة، تمتلك (NCSU) أيضاً برنامجاً قوياً للتطبيقات الناشئة لأجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة، والتي توفر درجات حرارة عالية وكفاءة أعلى وكثافة طاقة أعلى.

الدوائر المتكاملة لإدارة الطاقة:

تُستخدم الدوائر المتكاملة لإدارة الطاقة، كذلك لإدارة تدفق الطاقة الدقيقة في الأجهزة المحمولة، مثل مضخمات طاقة الهاتف الخلوي وشاشة (LED)، ووحدة المعالجة المركزية والذاكرة الحيوية والرسومات والإدخال والإخراج عالية السرعة، بالإضافة لمداخل (USB)، أضف إلى ذلك، يتم مراقبة حالات الجهد المنخفض أو حالات الأعطال الأخرى لمنع تلف النظام، وتعمل ميزة التشغيل الناعم على تقليل الضغط على مكونات مصدر الطاقة وزيادة موثوقية المنتج، يتم التنفيذ عادةً باستخدام الدوائر المتكاملة التناظرية، ولكن هناك اتجاه قوي للتحرك نحو تنفيذ الإشارات الرقمية أو المختلطة.

أجهزة أشباه موصلات القدرة:

أجهزة أشباه موصلات الطاقة هي أجهزة أشباه موصلات تستخدم كمفاتيح أو مقومات في الدوائر الإلكترونية للطاقة (مصدر طاقة وضع التبديل على سبيل المثال)، وتسمى أيضاً أجهزة الطاقة، أو عند استخدامها في الدوائر المتكاملة تسمى الطاقة المرحلية.

بعض أجهزة الطاقة الشائعة هي الصمام الثنائي للطاقة، الثايرستور، (MOSFET وIGBT)، (بوابة معزولة ترانزستور ثنائي القطب)، يعمل الصمام الثنائي للقدرة أو (MOSFET)، على مبادئ مماثلة لنظيره منخفض الطاقة، ولكنه قادر على حمل كمية أكبر من التيار وعادة ما يكون قادراً على دعم جهد أكبر للانحياز العكسي في حالة إيقاف التشغيل.

تشمل احتياجات البحث في هذا المجال من ناحية زيادة القدرة القصوى على معالجة الطاقة لأجهزة الطاقة، ومن ناحية أخرى تشمل الحاجة إلى زيادة السرعة التي يمكن تبديلها الى أشباه موصلات الطاقة، هي أيضاً المفتاح في تحديد كفاءة تحويل الطاقة، وينصب تركيز أبحاث (NCSU) على أجهزة الطاقة التي تستخدم مواد أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة مثل (SiC وGaN).

تركز المشاريع البحثية على تحليل هياكل أجهزة الطاقة باستخدام المحاكاة العددية، وتطوير نماذج تحليلية تعتمد على فيزياء نقل أشباه الموصلات، يتم تشجيع الطلاب على التحقق من صحة التحليل النظري باستخدام التوصيف الكهربائي للأجهزة المتاحة تجارياً، ومن خلال تصنيع هياكل الأجهزة الجديدة، يسمح تأثير التحسينات في خصائص جهاز الطاقة على تطبيقات محددة بفهم المفضالات بين خصائص الحالة، وقدرة الحجب العكسي وأداء التبديل.

أنظمة القوى:

تتكون أنظمة الطاقة الكهربائية من مكونات تنتج الطاقة الكهربائية وتنقل هذه الطاقة إلى المستهلكين، يتكون نظام الطاقة الكهربائية الحديث بشكل أساسي من ستة مكونات رئيسية:

• محطات توليد الطاقة التي تولد الطاقة الكهربائية.
  
• المحولات التي ترفع أو تخفض الفولتية حسب الحاجة.
  
• خطوط نقل لنقل الطاقة.
  
• محطات فرعية يتم فيها خفض الجهد لنقل الطاقة عبر خطوط التوزيع.
  
• خطوط التوزيع.
  
• محولات التوزيع التي تخفض الجهد الكهربائي إلى المستوى المطلوب للمعدات الاستهلاكية.

يعتبر إنتاج ونقل الكهرباء فعالاً وغير مكلف نسبياً، على الرغم من أنه على عكس أشكال الطاقة الأخرى، لا يتم تخزين الكهرباء بسهولة، وبالتالي يجب إنتاجها بناءً على الطلب.

تركز أبحاث (NCSU)، على أنظمة الطاقة الكهربائية وعلى دراسة التقنيات الناشئة مثل إلكترونيات الطاقة وتخزين الطاقة ومصادر الطاقة المتجددة والموزعة على تشغيل نظام الطاقة الكهربائية والتحكم والحماية، كما يتم تنسيق البحث من خلال مركزين رئيسيين:

• يركز مركز أنظمة إيصال وإدارة الطاقة الكهربائية المتجددة المستقبلية (FREEDM)، على تطوير شبكة ذكية ستمكن أي شخص من دمج تقنيات الطاقة المتجددة الجديدة في شبكة الطاقة من أجل مستقبل آمن ومستدام، كما أنه يتضمن البحث والتطوير واعتماد إلكترونيات جديدة للطاقة والاتصالات وتقنيات التحكم لإثبات مثل هذا النظام ووضع نموذج أولي له.
  

• يركز مركز طاقة النقل المتقدم (ATEC) على تطوير التقنيات الأساسية والتمكينية، والتي من شأنها تسهيل صناعة الطاقة الكهربائية لإدارة والتحكم بنشاط في كمية كبيرة من المركبات الهجينة الموصولة بالكهرباء (PHEV) والمركبة الكهربائية (PEV).