المقايضات لكثافة الطاقة العالية
لفترة طويلة ، ركز الباحثون على تقليل حجم الأنظمة الإلكترونية وإمدادات الطاقة وزيادة الكفاءة. هذا بسبب ضيق المساحة والحاجة إلى تقليل استهلاك الطاقة. خذ على سبيل المثال صاروخًا فضائيًا به قيود تتعلق بالفضاء والوزن وآلاف الأنظمة الإلكترونية التي يجب استيعابها في تلك المساحة المحدودة. مع زيادة كمية هذه الأنظمة الإلكترونية ، يلزم المزيد من الدفع لإرسال الوزن الزائد إلى الفضاء. ستتطلب إضافة أجهزة استشعار أكثر تقدمًا وإلكترونيات معتمدة أنظمة أصغر وأكثر كفاءة وخفيفة الوزن. وبالتالي فإن زيادة كثافة الطاقة هي الحل للمشكلة.
كثافة القدرة هي مقدار الطاقة المعالجة لكل وحدة حجم بالواط لكل متر مكعب. يتم حساب كثافة الطاقة للوحة الإلكترونية عن طريق قياس الطاقة التي توفرها اللوحة أو تسحبها أولاً. إنه مقياس القدرة المعالجة (المسحوبة / الموردة) فيما يتعلق بحجم اللوحة. طريقة حساب كثافة القدرة بسيطة إلى حد ما:الخامسا × أناا) ثم قسمة المساحة (الطول × العرض) من اللوحة ومضروبة في ارتفاع أعلى مكون موجود على اللوحة.
تعتمد الوحدات المستخدمة لقياس الحجم وتمثيل الطاقة على التطبيق. على سبيل المثال ، كيلوواط لكل لتر هو رقم شائع للجدارة (FoM) لشواحن البطاريات على متن السيارات الكهربائية لأن محولات الطاقة هذه تعالج الطاقة في نطاق 3 كيلو واط إلى 22 كيلو واط. في الصورة أدناه ، ستكون كثافة طاقة لوحة المحول 1.43 ميجاوات / م3. بالنسبة لأجهزة مثل منظمات الجهد ، عادة ما تكون كثافة التيار هي FoM لأن حجم هذه الأجهزة يعتمد على تيار الخرج ؛ ومن ثم ، لا يعتبر الجهد الكهربائي. وهذا يضمن القياس المناسب ، وتجنب التضخم الاصطناعي لأرقام كثافة الطاقة.
ما يحد من كثافة الطاقة؟
في جميع الأجهزة الإلكترونية ، سواء كانت مصدر طاقة أو منظم جهد ، تشغل المكونات السلبية مثل المحولات والمكثفات والمبددات الحرارية والمحثات أقصى مساحة ، بينما تكون الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات ودوائر التحكم أصغر ومتكاملة. هناك حل بسيط ولكنه مقيد لهذه المشكلة وهو زيادة وتيرة العملية. على سبيل المثال ، عند تصميم محث ، يكون الحث متناسبًا عكسياً مع تردد التشغيل ؛ ومن ثم ، فإن زيادة وتيرة التشغيل ستخفض قيمة الحث وسيقل حجم المحرِّض.
وبالمثل ، تؤدي زيادة التردد أيضًا إلى زيادة عرض نطاق حلقة التحكم ، مما يقلل السعة المطلوبة لتلبية متطلبات الأداء العابر. أيضًا ، يمكن تصميم المحولات الأصغر وتشغيلها بنفس معدلات الجهد والتيار دون تشبع القلب. لكن العامل المحدد الرئيسي هو زيادة خسائر التحويل.
تعمل جميع محولات الطاقة اليوم بترددات تبديل لا تزيد عن نطاق ميغا هرتز. هذا بسبب تأثيرات التسخين غير المرغوب فيها وفقدان الطاقة الناتج عن زيادة خسائر التحويل. هناك أنواع مختلفة من خسائر التحويل ، ويعتمد مدى تأثير خسارة التحويل على العملية على التطبيق.
عامل مقيد آخر لزيادة كثافة الطاقة هو الأداء الحراري للجهاز. يلعب الأداء الحراري دورًا مهمًا في كثافة الطاقة الإجمالية للجهاز. لكي يعمل الجهاز بشكل صحيح ، من الضروري إخراج الحرارة المتولدة لمنع ارتفاع درجة الحرارة. بسبب الاتجاه المتزايد للتصغير ، انخفضت المساحة المتاحة لتوجيه الحرارة للحفاظ على درجات الحرارة المحيطة. مع تحسن حجم العبوة وحجم القالب وكثافة الطاقة الإجمالية ، يتدهور الأداء الحراري المتوقع ما لم يتم إيلاء اهتمام خاص للحفاظ عليه وزيادته.
فهم خسائر التحويل
كما ذكرنا من قبل ، هناك أنواع مختلفة من خسائر التحويل ، ويعتمد نوع الخسارة على التطبيق. بالنظر إلى محول باك ، تتم مناقشة العوامل المحددة الرئيسية المرتبطة بكل مكون من مكونات الخسارة أدناه:
- الخسائر المتعلقة بالرسوم. في محول باك ، يتطلب شحن وتفريغ السعة الطفيلية قدرًا من الطاقة. يتناسب فقدان الطاقة عند البوابة والمفتاح طرديًا مع تكرار التشغيل ، لذلك من خلال تقليل التردد ، يمكننا تقليل فقد الطاقة ، وهو أمر غير مرغوب فيه لزيادة كثافة الطاقة. ومن ثم ، هناك مفاضلة بين خسائر التوصيل وخسائر التحويل.
- خسائر الاسترداد العكسي. يحدث تيار الاسترداد العكسي عندما يتم إجراء الصمام الثنائي الخاص بـ MOSFET من جانب الجهد المنخفض أثناء تشغيل MOSFET ذي الجهد العالي. ومن ثم ، يلزم وجود تيار لإزالة ناقلات الأقلية في الثنائيات الجانبية ذات الجهد المنخفض ، مما يساهم في تبديل الخسائر.
- تشغيل وإيقاف الخسائر. يمكن أن يتسبب محاثة الحلقة الطفيلية في محول باك في خسائر متعلقة بالتبديل. عندما تقوم MOSFET من جانب الجهد العالي بتوصيل تيار الحث ويتم إيقاف تشغيله ، يتسبب التيار العابر di / dt في حدوث طفرات في الجهد. كلما زادت قيمة di / dt ، انخفضت خسائر التبديل. ومن ثم ، يجب التحكم في سرعة التحويل الخاصة بـ MOSFET بعناية لتشغيل محول باك بأقصى قدر من الكفاءة.
كيفية تحقيق كثافة طاقة عالية
يمكن أن يؤدي استهداف إحدى الخسائر المذكورة أعلاه إلى تحسين كثافة القدرة إلى حد معين فقط ، وبعد ذلك يجب استهداف كل عامل محدد فردي بشكل فردي. استخدام أحدث المركبات مثل نيتريد الغاليوم هو الطريق إلى الأمام. استخدمت شركة Texas Instruments خصائص GaN المتمثلة في الاسترداد العكسي الصفري ، وشحن الإنتاج المنخفض ، ومعدل الدوران العالي لتقديم خسائر أقل بشكل كبير وتحقيق تردد تبديل أعلى.
بصرف النظر عن المركبات الأحدث ، فإن زيادة الأداء الحراري لحزمة IC يؤثر بشكل مباشر على كثافة الطاقة. طورت TI تقنية حزمة HotRod ، والتي تحل محل الحزم المستخدمة عادةً من نوع السلك الرباعي المسطح بدون الرصاص مع حزمة على شكل رقاقة قلاب ، مما يتيح تقليلًا كبيرًا في محاثة الحلقة الطفيلية ، مما يساعد على تقليل الحرارة أنتجت. وبالتالي ، يمكن عرض كثافة الطاقة بطرق مختلفة ، اعتمادًا على التطبيق ، ولكن يمكن تحقيق الهدف النهائي لزيادة كثافة الطاقة عن طريق تقليل حجم الجهاز.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
