مكونات تثبيت الجهد لقواطع دوائر الحالة الصلبة

لا غنى عن مكونات تثبيت الجهد لكل من قواطع الدائرة ذات الحالة الصلبة (SSCBs) وقواطع الدائرة الهجينة (HCBs) لحماية مفتاح الحالة الصلبة من أضرار الجهد الزائد وامتصاص الطاقة المتبقية في محاثات حلقة النظام.

تقارن هذه المقالة بين مكونات تثبيت الجهد المختلفة (على سبيل المثال، مقاومات أكسيد المعدن [MOVs]، قمع الجهد العابر [TVS] الثنائيات، والدوائر العازلة القائمة على المكثفات، وما إلى ذلك) من حيث نطاقات جهد التشغيل، وقدرة التيار الزائد، والقدرة على امتصاص الطاقة، والتكلفة والمزيد. يمكن العثور على العرض التقديمي الذي تستند إليه هذه المقالة هنا.

SSCBs وHCBs

توفر SSCBs فوائد عزل الأخطاء السريع للغاية والقدرة على مقاطعة التيار دون إنتاج أقواس. لقد اكتسبت شعبية بسبب التقدم في أجهزة أشباه موصلات الطاقة، مثل دوائر MOSFET من كربيد السيليكون (SiC)، والتي تقلل بشكل كبير من خسائر التوصيل. توفر سداسي كلور البنزين، من خلال دمج المفتاح الميكانيكي ومفتاح الحالة الصلبة، فوائد الحد الأدنى من خسائر التوصيل وانقطاع التيار السريع نسبيًا.

يعد مكون تثبيت الجهد (الشكل 1) ضروريًا لكل من SSCBs وHCBs. إنه يخدم غرضين:

• للحد من ذروة الجهد عبر جهاز أشباه موصلات الطاقة ومنع تلف الجهد الزائد
• لتبديد الطاقة المتبقية في المحاثات الطفيلية للنظام بعد إيقاف تشغيل مفاتيح الحالة الصلبة

الخامس_pk/الخامس_{مرجع سابق} يتم استخدام النسبة لمقارنة مكونات تثبيت الجهد المختلفة وتقييم أدائها.

وسائل التحقق

MOVs هي عناصر تثبيت الجهد السائدة المستخدمة في SSCBs وHCBs. يتم إنشاء هذه المكونات باستخدام مواد مختلفة، مثل أكسيد الزنك وأكسيد السيليكون. عند مستويات الجهد المطبق المنخفضة (تحت جهد التثبيت)، تظهر MOVs خصائص مقاومة عالية. مع زيادة الجهد للوصول إلى جهد التثبيت، تنخفض مقاومة MOVs بسرعة، مما يتيح تدفق التيار.

تعرض MOVs المتوفرة في السوق مجموعة من تكوينات الحزمة، بدءًا من التركيب السطحي الصغير إلى التركيب اللولبي الكبير. توفر هذه الأجهزة أيضًا نطاقات جهد واسعة، مع بعض الأجهزة القادرة على العمل بجهد يصل إلى 3.5 كيلو فولت تيار مستمر. بالإضافة إلى ذلك، فهي تمتلك قدرات كبيرة في زيادة التيار وامتصاص الطاقة. يمكن لـ MOVs أيضًا توصيل التيار والجهد في كلا الاتجاهين وهي غير مكلفة للغاية عند مقارنتها بأجهزة تثبيت الجهد البديلة مثل صمامات TVS.

الثنائيات TVS

يتم استخدام ثنائيات قمع الجهد العابر (TVS) بشكل متكرر كمكونات لتثبيت الجهد في SSCBs أو HCBs. تعمل هذه الثنائيات بشكل مشابه لثنائيات الانهيار الجليدي ولكنها يمكنها تحمل الذروة العالية للتيار والطاقة.

يمكن لثنائيات TVS أن تظهر سلوكًا أحادي الاتجاه أو ثنائي الاتجاه وتمتلك وقت استجابة سريعًا، على غرار MOVs. على النقيض من MOVs، تتمتع الثنائيات TVS بنطاق جهد مقيد (أقل من 530 فولت لجهاز واحد) وقدرة محدودة على التعامل مع تيارات الذروة العالية، حيث لا يمكن الوصول إليها إلا في أجهزة التعبئة والتغليف الصغيرة المثبتة على السطح ومن خلال الفتحات. للحصول على معدل جهد أعلى أو امتصاص كمية أكبر من الطاقة، من الضروري إما توصيل صمامات TVS الثنائية على التوالي أو على التوازي.

أحد العيوب الأخرى في الصمام الثنائي TVS هو تكلفته العالية نسبيًا مقارنة بـ MOVs. يمكن أن يكون الصمام الثنائي TVS أكثر تكلفة بعدة مرات من MOVs، حتى عندما يكون لها نفس احتياجات امتصاص الطاقة والجهد.

دوائر تثبيت الجهد القائمة على المكثفات

المكثف هو أحد مكونات تخزين الطاقة شائعة الاستخدام في إلكترونيات الطاقة. ويمكن أيضًا استخدامه في دائرة تثبيت الجهد لامتصاص أي طاقة متبقية مخزنة في الحث الطفيلي للنظام. تُستخدم دارات التعطيل المعتمدة على المكثفات بشكل شائع في محولات إلكترونيات الطاقة لتقييد معدل تغير الجهد أثناء إيقاف تشغيل جهاز الحالة الصلبة وتخفيف ارتفاعات الجهد.

في حالة SSCBs، يمكن لدائرة snubber، التي تعتمد على المكثفات، أن تحد بشكل فعال من معدل تغير الجهد (dV / dt) أثناء عملية إيقاف تشغيل مفتاح أشباه الموصلات. تعتبر هذه القدرة مهمة بشكل خاص بالنسبة لـ SSCBs التي تستخدم الثايرستور. توجد أنواع مختلفة من دوائر جهاز الاستشعار، بما في ذلك تلك التي تتكون من المكثفات فقط، جهاز التحكم عن بعد RC وجهاز التحكم عن بعد RCD، والذي يشتمل على مقاوم وصمام ثنائي ومكثفات.

نتائج تجريبية

تتمتع أجهزة MOV بالعديد من الفوائد، بما في ذلك نطاق واسع من جهود التشغيل (ما يصل إلى 3.5 كيلو فولت تيار مستمر لكل جهاز)، وقدرات التيار العالي وامتصاص الطاقة، وتكلفة معتدلة مقارنة بمكونات تثبيت الجهد البديلة.

ومع ذلك، فإن نسبة جهد التثبيت الأقصى إلى جهد التشغيل الأقصى (V_pk/الخامس_{مرجع سابق}) لهذا المكون مرتفع بشكل كبير (> 1.63) مقارنةً بثنائيات TVS (> 1.59). تم اقتراح العديد من التقنيات لتقليل نسبة ذروة الجهد إلى جهد الخرج (V_pk/الخامس_{مرجع سابق}) من وسائل التحقق. يتضمن ذلك تنفيذ مفتاح نشط قابل للتعديل بشكل متسلسل مع MOV أو توصيل MOV بتكوين حر مع جهاز الحالة الصلبة.

تتميز الثنائيات TVS بجهد تثبيت أقل مقارنةً بـ MOVs. ومع ذلك، فهي ذات نطاق جهد مقيد (أقل من 530 فولت لجهاز واحد) وقدرة محدودة للتعامل مع تيار الذروة (تتوفر فقط الأجهزة الصغيرة المثبتة على السطح والحزمة عبر الفتحة). للحصول على معدل جهد أكبر أو امتصاص كمية أكبر من الطاقة، من الضروري ربط المزيد من صمامات TVS الثنائية إما على التوالي أو على التوازي.

أحد العيوب الأخرى في الصمام الثنائي TVS هو تكلفته الأكبر بكثير مقارنة بـ MOVs. يمكن أن تكون الثنائيات TVS أكثر تكلفة بعدة مرات من MOVs، حتى عندما يكون لها نفس احتياجات امتصاص الطاقة والجهد. يمكن أن تعمل دوائر الصنبور القائمة على المكثفات كمكونات لتثبيت الجهد في SSCBs. إحدى الخصائص المفيدة لهذه الدوائر هي قدرتها على التحكم في إيقاف التشغيل dV/dt، وبالتالي تقليل ضغوط الطاقة على مفاتيح الحالة الصلبة أثناء انقطاع تيار العطل.

توجد أنواع مختلفة من دارات snubber القائمة على المكثفات، مثل snubber RC و RCD snubber. أحد المخاوف المتأصلة في دائرة snubber القائمة على المكثف هو حدوث تذبذبات التيار بعد إيقاف تشغيل جهاز الحالة الصلبة. لحل هذه المشكلة، تقترح الأدبيات استخدام دائرة عازلة تتكون من توصيل متسلسل لمحرك MOV ومكثف. تعمل هذه الدائرة على منع التذبذب بشكل فعال عن طريق اختيار MOVs بعناية بمستوى الجهد المناسب.

مراجع

¹بارك وآخرون. (2019). “الجهد الزائد لقمع دائرة Snubber لقواطع دوائر الحالة الصلبة مع الأخذ في الاعتبار محاثات النظام.” المؤتمر الدولي العاشر حول إلكترونيات الطاقة وECCE آسيا (ICPE 2019–ECCE Asia)، الصفحات من 2647 إلى 2652.

²يي وآخرون. (2021). “التصميم الأمثل لمفتاح IGCT المعياري لمقاومة الجهد الزائد وأكسيد المعدن لقمع الجهد الزائد في قاطع دائرة التيار المستمر الهجين.” مجلة IEEE للموضوعات الناشئة والمختارة في إلكترونيات الطاقة، 9(4)، الصفحات من 4126 إلى 4136.

³ماجنوسون وآخرون. (2013). “حول استخدام مقاومات أكسيد الفلز كدائرة عازلة في قواطع الحالة الصلبة.” IEEE PES ISGT أوروبا 2013، الصفحات من 1 إلى 4.

⁴تشو وآخرون. (2017). “تحليل أداء دوائر RCD وMOV في نظام شبكة صغيرة DC ذات جهد منخفض.” مؤتمر ومعرض إلكترونيات الطاقة التطبيقية IEEE (APEC)، الصفحات من 1518 إلى 1521.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

ظهرت مكونات تثبيت الجهد لقواطع دوائر الحالة الصلبة لأول مرة على Power Electronics News.