انتقل إلى المحتوى

توبولوجيا مصدر الطاقة - تنظيم الجهد بواسطة التبديل (غير معزول)

مصدر الطاقة بواسطة التبديل هو نوع من مصادر الطاقة التي تستخدم نسبة زمن توصيل وفصل المفتاح الإلكتروني للحفاظ على جهد الإخراج المستقر. يتكون مصدر الطاقة بواسطة التبديل الحديث عادةً من تحكم بعرض النبضات (PWM) ومكونات MOSFET.

مفهوم أساسي لتنظيم الجهد بواسطة التبديل

  • مدة دورة كاملة: \(T_{s}\)
  • وقت توصيل المفتاح الإلكتروني: \(T_{on}\)
  • نسبة العمل \(\delta=\frac{T_{on}}{T_{s}}\)

توازن الفولت-ثانية للملف: يجب أن يكون عدد الفولت-ثواني لوقت توصيل المفتاح (مرحلة ارتفاع التيار) متساويًا تقريبًا لعدد الفولت-ثواني لوقت فصل المفتاح (مرحلة انخفاض التيار) في الحالة المستقرة.

مبدأ المساواة في الطاقة: في ظل عدم الاهتمام بالكفاءة ، تكون قدرة الإدخال لمصدر الطاقة بواسطة التبديل مساوية لقدرة الإخراج ، أي ضرب الجهد والتيار المدخليين يساوي ضرب الجهد والتيار الخارجيين. من الناحية المباشرة ، يمكن لمحول الجهد الهابط توفير تيار أكبر من المدخل ، بينما يكون تيار الخرج لمحول الجهد الصاعد أقل من التيار المدخل.

المكونات الرئيسية والخصائص لتنظيم الجهد بواسطة التبديل

المكونات الرئيسية المستخدمة في تنظيم الجهد بواسطة التبديل هي المفتاح الإلكتروني والملف الكهربائي والمكثف.

المفتاح الإلكتروني

متطلبات المفتاح الإلكتروني هي تحقيق إغلاق وفتح سريع ، كلما كان أسرع ، كان أفضل. عادة ما يتم استخدام الترانزستورات الثلاثية أو المكثفات القوية أو المكثفات IGBT.

الملف الكهربائي

يستخدم الملف الكهربائي كعنصر تخزين الطاقة في تحويل DC-DC لتنعيم التيار (لذلك يُطلق عليه أيضًا اسم ملف تخنيق). يتميز التيار الذي يمر عبر الملف الكهربائي بتواصل في التدفق المغناطيسي (يمكن تفسيره على أنه العزم الدوراني). في العادة ، يعمل الملف الكهربائي في منطقته الخطية ، حيث يكون قيمة الملف الكهربائي ثابتة ولا تتغير مع جهد الطرف والتيار المار. يتميز الملف الكهربائي بالخصائص التالية:

  1. عندما يمر تيار \(I\) في الملف \(L\) ، يحتفظ بطاقة \(\frac{1}{2}LI^2\).
  2. عندما يكون جهد الطرفين للملف \(L\) ثابتًا ، لأن \(V=L\frac{di}{dt}\) ، بدون مقاومة داخلية ، فإن معدل تغير التيار في الملف الكهربائي هو \(\frac{di}{dt}=\frac{V}{L}\) ، أي أن التيار في الملف الكهربائي يزداد بشكل خطي.
  3. عندما يتم قطع الدائرة الأصلية فجأة للملف الكهربائي الذي يخزن الطاقة ، سيحافظ الملف الكهربائي على المجال المغناطيسي ثابتًا ، أي أن التيار لا يمكن أن يتغير فجأة ، أو بمعنى آخر ، قيمة الفولت-ثانية لا تتغير.

يمكن تمثيل الطاقة المخزنة في الملف الكهربائي على النحو التالي:

\[ P(L)=\frac{LI^2f}{2} \]

يمكن ملاحظة أن الطاقة المخزنة في الملف الكهربائي تتناسب طرديًا مع تردد التبديل. إذا تم زيادة تردد التبديل ، فيمكن تقليل حجم الملف الكهربائي.

المكثف

يستخدم المكثف في تحويل DC-DC أيضًا لتخزين الطاقة ونقل الطاقة الكهربائية ، ولكن على عكس خصائص التردد للملف الكهربائي ، يستخدم بشكل رئيسي لامتصاص التموج وتنعيم موجة الجهد لجعل الجهد الخارجي مستقرًا. يُطلق عليه أيضًا اسم المكثف الخارجي.

يمكن تمثيل الطاقة المخزنة في المكثف على النحو التالي:

\[ P(C)=\frac{CV^2f}{2} \]

على غرار الملف الكهربائي ، يمكن تقليل حجم المكثف عن طريق زيادة تردد التبديل. ومع ذلك ، يجب ملاحظة أن زيادة تردد التبديل قد يؤدي عادةً إلى زيادة الضوضاء ، لذا يجب التوازن بين الحجم والتردد.

الثنائي

في تحويل DC-DC غير المتزامن ، نستخدم الثنائي لتوفير دائرة تدفق مستمرة للملف الكهربائي عند فصل المفتاح ، لذلك يُطلق عليه أيضًا اسم الثنائي المستمر. أما في تحويل DC-DC متزامن ، فسيتم استخدام المفتاح الإلكتروني بدلاً من الثنائي المستمر.

هيكلية توبولوجيا DC-DC غير المعزولة

عند العمل ، تشترك مصدر الإدخال وحمل الإخراج في مسار تيار واحد.

باستخدام المفتاح الإلكتروني والملف الكهربائي والمكثف والثنائي ، يمكن تكوين أبسط نوع من DC-DC بنمط PWM. ينقسم بشكل رئيسي إلى ثلاث فئات: تحويل الجهد الهابط Buck ، تحويل الجهد الصاعد Boost ، تحويل الجهد الهابط والصاعد Buck-Boost. سيتم شرحها بالتفصيل أدناه. بالإضافة إلى ذلك ، هناك أيضًا تحويل الجهد الهابط والصاعد المعاكس المزدوج Cuk (تُنطق تشوك) وتحويل الجهد الهابط والصاعد المعاكس المزدوج SEPIC (ZETA) ، ولكن نظرًا لاستخدامها القليل ، لن يتم شرحها بالتفصيل.

تحويل الجهد الهابط

  1. عند إغلاق المفتاح \(S_1\) (الخط الأزرق المتصل)
    • في هذه الحالة، يكون الثنائي \(D_1\) قطعًا، والتيار يمر عبر الملف الكهربائي \(L_1\) ويوفر الطاقة للحمل \(R_L\)، وفي الوقت نفسه يتم تخزين الطاقة الكهربائية في الملف الكهربائي \(L_1\) والمكثف \(C_1\). قبل أن يتشبع الملف الكهربائي، يزداد التيار بشكل خطي (لا يمكن أن يتغير التيار في الملف الكهربائي بشكل مفاجئ) ولا يمكن أن يصل الجهد الناتج إلى قيمة الجهد الداخلي على الفور.
    • في هذه الحالة، الجهد الناتج في الاتجاه الصحيح للملف الكهربائي هو: \((V_{in}-V_{out})* T_{on}\)
  2. عند فتح المفتاح \(S_1\) (الخط الأخضر المنقط)
    • بسبب العزل الذاتي للملف الكهربائي \(L_1\)، لا يمكن تغيير اتجاه وحجم التيار. في هذه الحالة، يتدفق التيار عبر الدائرة التي يوفرها الثنائي الموصل \(D_1\) للاستمرار في توفير الطاقة للحمل الناتج. في هذه الحالة، يشارك المكثف $C_1 أيضًا في التفريغ.
    • في هذه الحالة، الجهد الناتج في الاتجاه المعاكس للملف الكهربائي هو: \(V_{out} * T_{off}\)

وفقًا لتوازن الجهد في الملف الكهربائي (أي الحفاظ على الطاقة)، يمكن الحصول على المعادلة التالية:

\[ V_{out}=\delta*V_{in} \]

منحنى الموجة لكل نقطة:

من خلال التحكم في نسبة العرض إلى الفترة (PWM)، يتم إغلاق وفتح المفتاح الإلكتروني \(S_1\) بشكل مستمر، وفي هذه الحالة، يكون التيار الداخل متقطعًا. ولكن بفضل تأثير الملف الكهربائي والمكثف والثنائي الموصل المتوازي، يكون التيار الناتج نسبيًا مستمرًا ومستقرًا.

نوع Boost للتحويل الكهربائي

نوع Boost للتحويل الكهربائي يمكنه تحويل جهد منخفض إلى جهد مستقر أعلى. يكون توبولوجيا هذا النوع كما يلي:

المبدأ الأساسي:

  1. عند إغلاق المفتاح \(S_1\) (الخط الأزرق المتصل)
    • يمر التيار عبر الملف الكهربائي \(L_1\)، وقبل أن يتشبع الملف الكهربائي، يزداد التيار بمعدل \(\frac{V_{in}}{L_1}\)، ويتم تخزين الطاقة الكهربائية على شكل طاقة مغناطيسية في الملف الكهربائي. في هذه الحالة، يتم توفير الطاقة للحمل \(R_L\) من خلال المكثف \(C_1\)، ولنفترض أن الجهد على طرفي الحمل في هذه الحالة هو \(V_0\). نظرًا لإغلاق المفتاح \(S_1\)، فإن الثنائي الموصل \(D_1\) متصل بالأرض، وبالتالي لا يمكن للشحنة الكهربائية المخزنة في المكثف أن تمر عبر الثنائي الموصل.
    • في هذه الحالة، الجهد الناتج في الاتجاه الصحيح للملف الكهربائي هو: \(V_{in}* T_{on}\)
  2. عند فتح المفتاح \(S_1\) (الخط الأخضر المنقط)
    • نظرًا لعدم تغيير التيار على الملف الكهربائي \(L_1\) بشكل مفاجئ، يتم تحويل الطاقة المغناطيسية المخزنة في الملف الكهربائي إلى تيار خرج، وينخفض بمعدل \(\frac{V_{out}-V_{in}}{L_1}\) بشكل خطي مع مصدر الطاقة \(V_{in}\)، ويتم توفير الطاقة للمكثف \(C_1\) والحمل \(R_L\) عبر الاتصال التوالي. عندما يكون الجهد التوالي أعلى من \(V_0\)، يكون المكثف \(C_1\) في حالة الشحن؛ عندما يكون الجهد التوالي مساويًا لـ \(V_0\)، يكون التيار المتدفق للشحن هو صفر؛ عندما يكون \(V_0\) في انخفاض، يتم تفريغ المكثف للحفاظ على استقرار \(V_0\).
    • في هذه الحالة، الجهد الناتج في الاتجاه المعاكس للملف الكهربائي هو: \((V_{out}-V_{in})* T_{off}\)

وفقًا لتوازن الجهد في الملف الكهربائي \(V_{in}* T_{on}=(V_{out}-V_{in})* T_{off}\)، يمكن الحصول على المعادلة التالية:

\[ V_{out}=\frac{\delta}{1-\delta}*V_{in} \]

(يتم تحقيقها فقط عندما يكون \(V_{in}<V_{out}\))

منحنى الموجة لكل نقطة:

نظرًا لأن الجهد على طرفي الحمل \(V_0\) عند الاتصال التوالي أعلى من الجهد الأصلي \(V_{in}\)، يمكن تحقيق الزيادة في الجهد.

نوع Buck-Boost للتحويل الكهربائي

نوع Buck-Boost للتحويل الكهربائي يمكنه تحويل جهد الإدخال إلى جهد مستقر معكوس، ويمكن أن يكون قيمة الجهد الناتج أعلى أو أقل من قيمة الجهد الإدخال. يكون توبولوجيا هذا النوع كما يلي:

المبدأ الأساسي:

  1. تشغيل مفتاح \(S_1\) (الخط الأزرق المتصل)

    • يتدفق التيار عبر الملف الكهربائي \(L_1\) وقبل أن يتشبع الملف، يزداد التيار بمعدل \(\frac{V_{in}}{L_1}\) بشكل خطي. يتم قطع الثنائي \(D_1\) في الاتجاه المعاكس، مما يمنع تدفق التيار من مصدر الطاقة إلى الحمل. خلال هذه الفترة، يتم توفير الطاقة المخزنة في المكثف \(C_1\) للحمل.
    • في هذا الوقت، الجهد العابر للملف هو: \(V_{in}* T_{on}\).

  2. فصل مفتاح \(S_1\) (الخط الأخضر المتقطع)

    • نظرًا لعدم إمكانية تغير التيار في الملف \(L_1\) فجأة، ينخفض التيار بمعدل \(\frac{V_{out}}{L_1}\) بشكل خطي. لذلك، يتدفق التيار عبر مسار الخط الأخضر المتقطع لتوفير الطاقة للحمل وشحن المكثف \(C_1\)، ويتم توصيل الثنائي \(D_1\) في الاتجاه الموجب. ينخفض التيار العابر للملف بشكل خطي. نظرًا لاتجاه تدفق التيار، يكون الجهد المخرج معكوسًا بالنسبة للأرض، لذا فإن الناتج من هذه الهيكلة هو عكس الطور.
    • في هذا الوقت، الجهد العابر للملف في الاتجاه المعاكس هو: \(-V_{out}* T_{off}\).

بناءً على توازن الجهد العابر للملف \(V_{in}* T_{on}=-V_{out}* T_{off}\)، يمكننا الحصول على المعادلة التالية:

\[ V_{out}=\frac{-\delta}{1-\delta}*V_{in} \]

منحنى الموجة لكل نقطة:

يتميز محول الجهد الصاعد والهابط بأنه يمكن أن يكون الجهد المدخل أقل أو أعلى من الجهد المستقر المخرج. يمكن استخدامه في دوائر تزويد البطارية الفعلية، مثل حالة تحتاج النظام إلى مصدر طاقة بقوة 12 فولت، والبطارية مشحونة بالفعل بقوة 13 فولت ومفقودة بقوة 11 فولت.

وضعية الاستمرار وغير الاستمرار لمحول الباك والبوست

وضعية الاستمرار (CCM) وغير الاستمرار (DCM) تشير إلى ما إذا كان التيار في الملف سينخفض إلى الصفر أم لا. إذا كانت الحمل كبيرة، فإن التيار في الملف لن ينخفض إلى الصفر، ويسمى هذا الوضع الاستمراري. وعلى العكس، إذا كان الحمل صغيرًا وكان لدى المحول وقت كافٍ لشحن المكثف على النهاية الخارجية، فإن التيار في الملف سينخفض إلى الصفر. عند بدء دورة جديدة، سيبدأ التيار في الملف من الصفر ويزداد بشكل خطي، ويسمى هذا الوضع غير الاستمراري.

الحالة الحرجة للانتقال من الوضعية الاستمرارية إلى غير الاستمرارية هي \(\frac{1}{2}\Delta i_L=I_{out}\). عندما يكون \(\frac{1}{2}\Delta i_L<I_out\)، فإنه يكون في الوضعية الاستمرارية؛ وعلى العكس، إذا كانت الحالة الحرجة أقل من ذلك، فإنها تكون في الوضعية غير الاستمرارية.

في حالة الحمل المنخفض، يؤدي انتقال من الوضعية الاستمرارية إلى غير الاستمرارية إلى تغيير في العلاقة بين الجهد المدخل والجهد المخرج:

لذلك، من أجل البقاء في وضعية الاستمرارية، يختار العديد من مراقبي التحويل الصاعد والهابط زيادة تردد عملهم في حالة الحمل المنخفض.

التحويل المتزامن وغير المتزامن

الفرق بين التحويل المتزامن وغير المتزامن يكمن في استخدام ثنائي الانتعاش (الثنائي القابل للتوصيل في الاتجاهين) أو مكبر القناة المجالية (المفتاح المجالي) كمحمي للتيار العكسي للمنظم العكسي. كما هو موضح في الشكل أدناه، الجانب الأيسر هو غير المتزامن والجانب الأيمن هو المتزامن:

في وضعية المتزامن، يجب أن يكون إشارة تشغيل مكبر القناة المجالية غير متزامنة مع إشارة PWM.

تتميز الوضعية المتزامنة مقارنةً بالوضعية غير المتزامن بأن مقاومة \(R_{DS(on)}\) لمكبر القناة المجالية صغيرة جدًا وتوجد فقدانات جهد إيجابية صغيرة. في حالة التيار العالي وجهد الإدخال الأرضي، ستكون الكفاءة أعلى. بالإضافة إلى ذلك، يكون تعبئة مكبر القناة المجالية للطاقة العالية عادة أصغر من ثنائي الانتعاش، لذا يمكن توفير المساحة.

من ناحية أخرى، العيوب المرتبطة بالوضعية المتزامنة هي وجود دوائر تشغيل إضافية ودوائر توقيت لمنع توصيل المفاتيح المجالية في نفس الوقت، مما يزيد من التكلفة. بالإضافة إلى ذلك، في حالة الحمل المنخفض، ستؤدي شحن وتفريغ سعة البوابة لمكبر القناة المجالية إلى استهلاك طاقة إضافية، لذا فإن الكفاءة في الواقع أقل من الوضعية غير المتزامنة.

المراجع والشكر

تمت ترجمة هذه المشاركة باستخدام ChatGPT، يرجى تزويدنا بتعليقاتكم إذا كانت هناك أي حذف أو إهمال.