تعمل محولات ACF على زيادة كفاءة الطاقة

مع قبول السوق السريع للشحن السريع ومعايير USB-PD ، تتزايد الحاجة إلى تحسين كثافة الطاقة لمهايئات السفر. في المحولات المغلقة بالكامل ، يجب أن يكون أي تقليل في الحجم من خلال ابتكارات التغليف أو التبديل عالي التردد مصحوبًا بتحسين في الكفاءة للحفاظ على درجات حرارة المكونات وعلبة المحول.

يتم التخلص من جميع خسائر الحث والتسرب من خلال طوبولوجيا المشبك النشط – flyback (ACF) ، والتي تتيح التبديل الناعم للجهد الصفري تحت جميع حالات الخط والحمل. يمكن لـ ACF المحسّن تمكين تبديل الترددات التي تكون أعلى عدة مرات مع زيادة الكفاءة باستخدام مفاتيح تبديل نيتريد الغاليوم ذات الوضع المحسن.

مزايا محولات ACF

تتميز محولات ACF بالعديد من المزايا مقارنة بوضع التوصيل المتقطع (DCM) والمحولات شبه الرنانة. يتم تحقيق حصانة أكبر من الضوضاء بسبب نهج المشبك النشط ، مما يجعل من السهل استخدام المقومات المتزامنة ذاتية الدفع (SRs) ويسمح باستخدام MOSFETs ذات التصنيف المنخفض.

يتم توفير الفائدة الإضافية لإعادة تدوير طاقة تسرب المحولات مع تقليل إجهاد مفتاح الجهد أيضًا من خلال تضمين دائرة المشبك النشط. نظرًا لأن الطاقة الممغنطة والمتسربة يتم إعادة تدويرها وإعادتها إلى المصدر ، فقد يزيد مصممو محولات الطاقة من كفاءة العملية. على هذا النحو ، تتمتع محولات ACF بخسائر أقل في EMI ، وخسائر تحويل أقل وكفاءة أعلى على أثر دائرة أصغر مقارنةً بمحولات DCM ومحولات شبه الرنين. تتيح خسائر التبديل المنخفضة أيضًا عمليات عالية التردد لمحول ACF.

فوائد ZVS و PFC

توفر إضافة دارات المشبك النشط في طوبولوجيا محول flyback آلية لتحقيق تبديل الجهد الصفري (ZVS) في المفاتيح الرئيسية والمساعدة. تستخدم جميع المفاتيح التي تعمل في ظل حالة ZVS محثًا ومكثفًا إضافيًا ينتج عنه تشغيل عالي التردد. باستخدام تقنية ZVS ، يمكننا تحقيق خسائر تبديل منخفضة وتردد محسن.

يخضع محول flyback للتحكم في الشحن لتحقيق تصحيح عامل القدرة (PFC). يمكن تشغيل محول flyback في وضع التوصيل المستمر (CCM) مع عامل قدرة الوحدة باستخدام التحكم في الشحن. يتم تقديم جودة وكفاءة طاقة محسّنة نتيجة للحفاظ على بساطة دائرة flyback مع زيادة قدراتها في التعامل مع الطاقة.

تتميز GaN FETs بالعديد من المزايا التي تتفوق على السيليكون FETs في محولات ACF. إنهم يؤدون أداءً جيدًا بشكل استثنائي في التطبيقات عالية التردد بسبب السعة المنخفضة للبوابة. يمكن أن يؤدي تردد التشغيل العالي إلى تقليل حجم المحاثات وغيرها من العناصر السلبية الداعمة لأنظمة الطاقة عالية الكفاءة وعالية الكثافة ، مما يقلل من إجمالي تكاليف النظام. علاوة على ذلك ، يؤدي استخدام GaN FETs في المفاتيح الجانبية الأولية والثانوية SRs إلى تأثير غير خطي منخفض السعة ، مما يعطينا سلوك تبديل محسن وكفاءة نظام ACF عبر نطاق تحميل واسع. تتميز GaN FETs أيضًا بحركة إلكترون أعلى وجهد محرك بوابة أقل مقارنة بأجهزة السيليكون وكربيد السيليكون.

ACF متكامل مبسط مع تصميم مزود طاقة PFC

مواصفات تصميم الدائرة كالتالي:

• نطاق جهد الإدخال: 90-265 فولت تيار متردد
• معامل القدرة (PF):> 0.9 حتى 240 فولت تيار متردد
• جهد الخرج الاسمي: 5-28 فولت
• تيار الخرج الاسمي: 6.5 أ
• قدرة الخرج الاسمية: 182 واط
• طاقة الخرج القصوى: 336 واط (2 مللي ثانية)

يظهر الرسم التخطيطي للدائرة في الشكل أدناه.

نظر فريق هندسة التطبيقات في Power Integrations في التحديات أثناء عملية التصميم واقترح المعلمات التالية لتحسين التصميم:

• نظرًا لخسائر التحويل المنخفضة لتكوين ACF ، يمكن تحقيق تصميم طاقة الذروة بأقصى تردد تبديل.
• لا يزال تخفيض نقطة ضبط الجهد الأكبر لـ PFC إلى 360 فولت يلبي متطلبات PF حتى 240 فولت تيار متردد.
• يتيح تكوين ACF نسبة دوران عالية للمحول (ن_ص ÷ ن_س) مما يساعد على تقليل إجهاد الجهد SR FET أثناء ذروة الطاقة.
• قم بتوصيل مثبط الجهد العابر (TVS) عبر SR FET بحيث يتم تحديد جهد المواجهة في TVS ليكون أقل من SR FET V_DS أثناء التشغيل العادي. لا يؤثر تصنيف TVS المنخفض على الكفاءة بسبب انخفاض جهد SR FET أثناء العمليات العادية.

بناء الدوائر لمحولات ACF

مع الأخذ في الاعتبار العوامل المذكورة أعلاه ، تم تصميم محول ACF باستخدام الدوائر المتكاملة التالية:

• HiperPFS-5 عبارة عن IC متطور للتحكم PFC مع مفاتيح 750-V GaN مدمجة تم تطويرها بواسطة Power Integrations (PowiGaN) ، محسّن لـ PF عالي يصل إلى 0.96 (يمكن تحقيقه عند تحميل 20٪) وكفاءة تصل إلى 98.3٪ من 10٪ إلى 100٪ نطاق الحمل.
• ClampZero عبارة عن IC ذو مشبك نشط مزود بمفتاح جهد عالي متكامل متحيز ذاتيًا وقادر على العمل في وضعي CCM و DCM. كما أنها تمتلك مقاييس متكاملة لاستشعار درجة الحرارة والإغلاق الحراري الهستيري.
• InnoSwitch4-CZ عبارة عن محول تيار متردد بجهد ثابت / تيار ثابت غير متصل بالإنترنت مع مفتاح أساسي 750-V PowiGaN ومحرك المشبك النشط والتصحيح المتزامن. يقترن مع ClampZero active-clamp IC لتطبيقات ZVS. تصل إلى 95٪ من الكفاءة ولا تستهلك أكثر من 30 ميغاواط بدون تحميل.

جميع الدوائر المتكاملة المذكورة أعلاه تستخدم تقنية PowiGaN. ينص موقع Power Integrations على الويب على أن “محولات PowiGaN تحل محل الترانزستورات السيليكونية التقليدية على الجانب الأساسي من وحدات التبديل المتوافقة مع تقنية flyback المدمجة للغاية من PI ، مما يقلل من خسائر التبديل ويمكّن أجهزة الشحن والمحولات وإمدادات الطاقة ذات الإطار المفتوح والتي تكون أكثر كفاءة وأصغر وأخف وزناً من بدائل السيليكون “.

من خلال عملية التحميل الكامل ، يُظهر محول ACF المزود بـ PFC كفاءة تتراوح من 92٪ إلى 96٪ عبر نطاق جهد الدخل.

مراجع

¹Saturno، D.، & Manango، M. (مارس 2023). “ذروة تحسين الطاقة باستخدام تبديل الجهد الصفري ، محول Flyback النشط المشبك مع تصحيح معامل القدرة.” [PowerPoint Presentation] مؤتمر إلكترونيات القوى التطبيقية (APEC).

²واتسون ، آر ، لي ، إف سي ، وهوا ، جي سي (يناير 1996). “استخدام دائرة المشبك النشط لتحقيق التبديل الناعم في محولات flyback.” معاملات IEEE على إلكترونيات الطاقة ، المجلد. 11، No. 1، pp. 162–169، doi: 10.1109 / 63.484429.

³لين وآخرون. (2005). “تحليل وتصميم وتنفيذ محول flyback النشط المشبك.” 2005 المؤتمر الدولي لإلكترونيات الطاقة وأنظمة المحركات ، ص 424-429 ، دوى: 10.1109 / PEDS.2005.1619724.

⁴Xue، L.، & Zhang، J. (2017). “flyback المشبك النشط باستخدام GaN power IC لتطبيقات محول الطاقة.” 2017 مؤتمر ومعرض إلكترونيات الطاقة التطبيقية IEEE (APEC) ، الصفحات 2441-2448 ، دوى: 10.1109 / APEC.2017.7931041.

⁵تانغ وآخرون. (1993). “تصحيح عامل القدرة باستخدام محول flyback الذي يستخدم التحكم في الشحن.” وقائع المؤتمر والمعرض السنوي الثامن لإلكترونيات الطاقة التطبيقية ، ص 293-298 ، دوى: 10.1109 / APEC.1993.290617.

⁶ليو ، P.-H. (2018). “مقارنة محولات Flyback القائمة على GaN و Silicon FET.” [White paper].شركة Texas Instruments. مستنسخة من ندوة 2018 Texas Instruments Power Supply Seminar SEM2300 ، الموضوع 3. رقم TI الأدبي: SLUP380.

Saumitra Jagdale هي مؤسسة Open Cloudware