كيفية اختيار المُحَوِّل المناسب لمصادر الطاقة ذات التبديل

المكثف هو مكون سلبي شائع لتخزين الطاقة في الدوائر، ويؤدي أدوارًا مثل الترشيح، والرفع، والتقليل في تصميم مصادر الطاقة ذات التبديل. في مرحلة التصميم الأولية، يحتاج المهندسون ليس فقط إلى اختيار قيم مقاومة مناسبة، ولكن أيضًا إلى أخذ التيار الذي يمكن للمكثف تحمله، ومقاومة线圈 المباشرة، والأبعاد الميكانيكية، والخسائر بعين الاعتبار. إذا لم يكونوا على دراية كافية بوظائف المكثفات، فسيكونون غالبًا في موقف سلبي أثناء التصميم وسيستهلكون الكثير من الوقت.

فهم وظائف المكثفات

المكثف هو الحرف "L" في دارة المرشح LC عند خرج مصدر الطاقة ذي التبديل. في تحويل التخفيض (Buck)، يرتبط أحد طرفي المكثف مع الجهد المستمر للإخراج، بينما يتنقل الطرف الآخر بين الجهد الإدخالي وأرضية الدائرة حسب تردد التبديل.

في الحالة الأولى، يتم ربط المكثف بالجهد الإدخالي عبر موسفيت. وفي الحالة الثانية، يتم ربط المكثف بالأرض.
بسبب استخدام هذا النوع من المنظم، هناك طريقتان لربط الملف بالارض: الربط عبر دايود أو عبر موزفيت. إذا تم تبني الطريقة الأولى، يُطلق على المحول النمط غير المتزامن. أما في الحالة الثانية، يُشار إلى المحول كنمط متزامن.

في الحالة 1، يتم ربط أحد طرفي الملف مع الجهد الدخل، والطرف الآخر مع الجهد الخارج. بالنسبة لمحول التخفيض، يجب أن يكون الجهد الدخل أعلى من الجهد الخارج، وبالتالي يتكون انخفاض جهد أمامي عبر الملف.
في الحالة 2، يتم ربط الطرف الذي كان متصلاً بجهد الإدخال بالأرضية. بالنسبة لمحول التخفيض، يكون الجهد الخارج بالضرورة هو القطب الموجب، وبالتالي يتكون انخفاض جهد سلبي عبر الملف.

صيغة حساب جهد الملف

V = L(dI/dt). بما أن التيار عبر المحول الكهرومغناطيسي يزداد عندما يكون الفولتية المارّة عبر المحول موجبة (الحالة 1) ويقل عندما تكون الفولتية سالبة (الحالة 2)، فإن شكل موجة تيار المحول الكهرومغناطيسي كما هو موضح في الشكل 2:

من الشكل أعلاه، يمكننا أن نرى أن التيار الأقصى عبر المحول الكهرومغناطيسي هو التيار المستمر زائد نصف التيار ذروة-ذروة الناتج عن التبديل. يظهر الشكل أيضًا التيار المتذبذب. وفقًا للصيغة المذكورة أعلاه، يمكن حساب التيار الذروة على النحو التالي: حيث ton هو الزمن في الحالة 1، T هو فترة التبديل، و DC هو نسبة التشغيل للحالة 1.

دائرة التحويل المتزامن

دائرة التحويل غير المتزامن

Rs: المقاومة المجمعة للمقاومة المستشعرة للتيار والمقاومة اللفتية للمحول الكهرومغناطيسي. Vf: انخفاض الفولتية الأمامية لـ دايود شوتكي. R: المقاومة الإجمالية في المسار الموصل، والتي يتم حسابها كـ R = Rs + Rm، حيث هي مقاومة حالة التشغيل للمقاطع MOSFET.

تشبع نواة المكثف

من التيار الذروة للمكثف المحسوب، نعلم أنه مع زيادة التيار عبر المكثف، سينخفض استقطابه. يتم تحديد هذا بواسطة الخصائص الفيزيائية لمادة النواة. درجة انخفاض الاستقطاب هي أمر حاسم: إذا كان الانخفاض شديدًا جدًا، فلن يعمل المحول بشكل طبيعي. التيار الذي يفشل عنده المكثف بسبب التيار الزائد يُسمى التيار التشبيعي، وهو معلمة أساسية للمكثف.
إن منحنى التشبع للمكثفات القوية في دوائر المحولات هو أمر بالغ الأهمية ويستحق الانتباه. لفهم هذا المفهوم، يمكنك مشاهدة المنحنى الفعلي المقاس لـ L مقابل التيار المستمر.

عندما يزداد التيار فوق عتبة معينة، ينخفض الاستقطاب بحدة - وهي ظاهرة تُعرف بالتشبع. يمكن أن يؤدي زيادة التيار أكثر إلى فشل المكثف تمامًا.
مع هذه الخاصية التشبع، يمكننا أن نفهم لماذا يحدد جميع المحولات نطاق تغير قيمة الإندكタンس (△L ≤ 20٪ أو 30٪) تحت التيار الخرج المستمر، ولماذا يتضمن مواصفات الإندوكتر معلمة Isat. بما أن التغير في التيار المتذبذب لا يؤثر بشكل كبير على الإندكتانس، فإنه يُفضل في جميع التطبيقات تقليل التيار المتذبذب قدر الإمكان لأنه يؤثر على اهتزاز الجهد الخرج. لهذا السبب، هناك دائمًا قلق كبير بشأن درجة تراجع الإندكتانس تحت التيار الخرج المستمر، بينما يتم إهمال الإندكتانس تحت التيار المتذبذب غالبًا في المواصفات.

اختيار الإندوكتور المناسب لمصادر الطاقة ذات التبديل

المكثفات تُستخدم بشكل شائع كمكونات في مصادر الطاقة ذات التبديل. نظرًا للفارق الطوري بين التيار والجهد، فإن الخسارة نظريًا هي صفر. غالبًا ما تُستخدم المكثفات كعناصر تخزين طاقة، ولها خاصية "مقاومة الوارد واحتفاظ بالصادر"، وتُستخدم عادةً مع المكثفات في دوائر التصفية عند المدخل والمخرج لتنعيم التيار.
بصفتها مكونات مغناطيسية، تواجه القدرات بشكل طبيعي مشكلة التشبع المغناطيسي. بعض التطبيقات تسمح بتشبع القدرات، وبعضها يسمح بالتشبع بدءًا من قيمة تيار معينة، بينما تحظر الأخرى ذلك بشدة، مما يتطلب التمييز في الدوائر الخاصة. في معظم الحالات، تعمل القدرات في "المنطقة الخطية"، حيث تظل قيمة القدرة ثابتة ولا تتغير مع الجهد أو التيار عند الأطراف. ومع ذلك، فإن وحدات الطاقة ذات التبديل لديها مشكلة غير قابلة للتغاضي عنها: تُدخل ملفات القدرات معلمتين موزعتين (أو طفيلية). الأولى هي مقاومة التدوير التي لا مفر منها، والثانية هي السعة المتفرقة المرتبطة بعملية التدوير والمواد. يكون تأثير السعة المتفرقة ضئيلًا عند الترددات المنخفضة، لكنه يصبح أكثر وضوحًا مع ارتفاع التردد. عندما يتجاوز التردد قيمة معينة، قد تظهر القدرة خصائص سعوية. إذا تم "تجميع" السعة المتفرقة كموصل واحد، يكشف الدائرة المكافئة للقدرة عن سلوكها السعوي فوق تردد معين.

عند تحليل الحالة التشغيلية لمكثف في دائرة، يجب أخذ الخصائص التالية بعين الاعتبار:
1. عندما يتدفق تيار I عبر مكثف L، تكون الطاقة المخزنة في المكثف: E=0.5 × L× I2(1)
2. في دورة التبديل، العلاقة بين تغير تيار المكثف (قيمة الذروة إلى الذروة لتيار الريببل) والجهد عبر المكثف هي:
V=(L × di)/dt(2)، وهذا يدل على أن حجم تيار الريببل مرتبط بقيمة المكثف.
3. يمر المكثفات أيضًا بعمليات الشحن والتفريغ. يكون التيار عبر المكثف متناسبًا مع تكامل الجهد (فولت-ثانية) عليه. طالما يتغير جهد المكثف، فإن معدل تغير التيار di/dt سيتغير أيضًا: الجهد الأمامي يؤدي إلى ارتفاع التيار بشكل خطي، بينما الجهد العكسي يؤدي إلى انخفاضه بشكل خطي.

اختيار المكثفات لمحولات الطاقة من نوع Buck

عند اختيار مكثف لمحول طاقة من نوع Buck، من الضروري تحديد الجهد المدخل الأقصى، الجهد المخرج، تردد التبديل الكهربائي، التيار المتذبذب الأقصى، ودورة العمل. يلي وصف لحساب قيمة المكثفة لمحول طاقة من نوع Buck. أولاً، افترض أن تردد التبديل هو 300 كيلوهرتز، نطاق الجهد المدخل هو 12 فولت ± 10٪، التيار المخرج هو 1 أمبير، والتيار المتذبذب الأقصى هو 300 ميليأمبير.

رسم تخطيطي لدائرة محول الطاقة من نوع Buck

الجهد المدخل الأقصى هو 13.2V، والدورة الزمنية المقابلة هي: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3)، حيث Vo هو الجهد المخرج وVi هو الجهد المدخل. عندما يكون الترانزستور الذاهب شغالاً، يكون الفرق الجهد على المحول الكهربائي: V = Vi - Vo = 8.2 V(4). عندما يكون الترانزستور الذاهب مقفلاً، يكون الفرق الجهد على المحول الكهربائي: V＝-Vo－Vd＝-5.3V(5). dt＝D/F(6). تعويض المعادلات (2)، (3)، و(6) في المعادلة (2):

اختيار المحولات لمحطات الطاقة الذاهبة من النوع الرافع

حساب قيمة الإندكタンس لوحدة تزويد الطاقة بالتيار المتردد من نوع boost، باستثناء أن العلاقة الصيغة بين دورة التشغيل والجهد على المحول الكهربائي تتغير، فإن العمليات الأخرى هي نفسها طريقة حساب وحدة تزويد الطاقة بالتيار المتردد من نوع buck. افتراضًا أن تردد التبديل هو 300 كيلوهرتز، نطاق الجهد المدخل يتراوح بين 5 فولت ± 10٪، التيار المخرج هو 500 ميلي أمبير، والكفاءة هي 80٪، التيار المتذبذب الأقصى هو 450 ميلي أمبير، والدورة الزمنية المقابلة هي: D = 1 - Vi/Vo = 1 - 5.5/12 = 0.542 (7).

رسم تخطيطي لوحدة تزويد الطاقة بالتيار المتردد من نوع boost

عندما يتم تشغيل المفتاح، يكون الفرق الجهد على المحول الكهربائي: V = Vi = 5.5 فولت (8)، عندما يتم إطفاء المفتاح، يكون الفرق الجهد على المحول الكهربائي: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 فولت (9)، تعويض الصيغ 6/7/8 في الصيغة 2 يعطي:

يرجى ملاحظة أن محولات التقوية على عكس محولات التخفيض لا تزود التيار المستمر للحمل من الملف电磁. عندما يكون الترانزستور المبادل في حالة التشغيل، يتدفق تيار الملف عبر الترانزستور إلى الأرض، بينما يتم توفير تيار الحمل بواسطة المكثف الخرج. لذلك، يجب أن يخزن المكثف الخرج طاقة كافية لتزويد الحمل خلال هذه الفترة. ومع ذلك، عندما يكون المفتاح مقفلاً، فإن تيار الملف ليس فقط يزود الحمل بل أيضاً يقوم بشحن المكثف الخرج.
بشكل عام، زيادة قيمة الإندكتانس تقلل من الاضطرابات في الخرج ولكنها تضعف استجابة مصدر الطاقة الديناميكية. لذلك، يجب اختيار الإندكتانس الأمثل بناءً على متطلبات التطبيق المحدد. الترددات العالية للمبادلة تسمح باستخدام قيم إندكتانس أصغر، مما يقلل من حجم الملف ويوفّر مساحة على لوحة الدوائر. وبالتالي، فإن مصادر الطاقة الحديثة تعمل بترددات أعلى لتلبية الطلب على المنتجات الإلكترونية الأصغر حجماً.

تحليل وتطبيق مصادر الطاقة المبديلة

حول قانون لينز: في دارة تعمل بالتيار المستمر، بسبب التحديد الذاتي للملف، يتم إحداث قوة حث كهربائية (EMF) تقاوم زيادة التيار. لذلك، في لحظة التشغيل، يكون التيار في الدارة فعليًا صفرًا، ويحدث انخفاض الجهد الكامل عبر الملف. ثم يزداد التيار تدريجيًا بينما ينخفض جهد الملف إلى الصفر، مما يشير إلى نهاية الحالة العابرة. في تشغيل المحول المبديل، يجب ألا يدخل الملف حالة التشبع لضمان تخزين ونقل الطاقة بكفاءة. يعمل الملف المشبع مثل مسار مباشر للتيار المستمر، ويفقد قدرته على تخزين الطاقة، مما يضعف وظائف المحول. عندما تكون تردد التبديل ثابتًا، يجب أن تكون قيمة التحديد كافية لمنع التشبع تحت التيارات القصوى.

تحديد القدرة المغناطيسية في مصادر الطاقة ذات التبديل: عند ترددات التبديل الأقل، بما أن فترات التشغيل/الإيقاف أطول، يتطلب الأمر قيمة قدرة مغناطيسية أكبر للحفاظ على الإخراج المستمر. هذا يسمح للملف بتخزين المزيد من طاقة الحقل المغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك، فإن فترات التبديل الأطول تؤدي إلى تحديث الطاقة بشكل أقل تكرارًا، مما يؤدي إلى تذبذبات تيار نسبية أصغر. يمكن تفسير هذا المبدأ باستخدام الصيغة: L = (dt/di) * uL حيث D = Vo/Vi (دورة العمل)، dt = D/F (فترة التشغيل)، F = تردد التبديل، و di = تذبذب التيار. بالنسبة لمحولات الانخفاض، D = 1 - Vi/Vo؛ وللمحولات الارتفاع، D = Vo/Vi. بإعادة الترتيب، نحصل على: L = D * uL / (F * di). عندما يتناقص F، يجب زيادة L تناسبيًا. وعلى العكس، زيادة L مع الحفاظ على باقي المعلمات ثابتة تقلل من di (تذبذب التيار). عند الترددات الأعلى، يؤدي زيادة القدرة المغناطيسية إلى رفع الممانعة، مما يؤدي إلى زيادة فقدان الطاقة وتقليل الكفاءة. بشكل عام، مع تردد ثابت، يؤدي زيادة L إلى تقليل التذبذب في الإخراج ولكن يضعف الاستجابة الديناميكية (بطء التكيف لتغيرات الحمل). لذلك، يجب اختيار القدرة المغناطيسية المثلى بناءً على متطلبات التطبيق لموازنة تقليل التذبذب والأداء المتغير.