أخبار التكنولوجيا

مولد الموجي التعسفي مع FCML. أخبار إلكترونيات الطاقة.


مولد الموجي التعسفي (AWG) هو مولد ذو سعة إشارة كبيرة ، ومولد موجي عالي التردد يحتاج إلى تبديل محولات الطاقة لتحقيق مواصفات الأداء العابر الصارمة مع عرض النطاق الترددي العالي والكفاءة العالية.

في هذه المقالة ، يتم تقديم تصميم AWG باستخدام محول FCML بثمانية مستويات من مكثفات الطيران. لضمان أن تظل جهود مكثف الطيران متوازنة في حالة مستقرة وظروف عابرة ، يتم تنفيذ نظام تحكم نشط يعتمد على تعويض دورة العمل. هذا يضمن أن مرحلة الطاقة ووحدة التحكم في الجهد يمكن أن تستجيب بسرعة لتغيرات شكل الموجة المرجعية.

الرجاء العثور هنا على المقالة الأصلية

نظرة عامة على مولد الموجي التعسفي

يعد مولد الموجي التعسفي ذو الإشارة الكبيرة وعالي الطاقة جزءًا أساسيًا من المعدات المستخدمة في إنتاج أشباه الموصلات بالإضافة إلى التطبيقات الصناعية والطبية الأخرى التي تتطلب تتبعًا دقيقًا لمجموعة متنوعة من أنماط الموجات ، مثل الخطوة والمنحدر والجيوب. ، أو مجموعات من هؤلاء. بالمقارنة مع منظمات الجهد التقليدية للتيار المستمر أو محولات الموجة الجيبية ، فإن محولات الطاقة ذات الوضع المحول في AWGs لها متطلبات تصميم مختلفة.

نظرًا لكثافة طاقتها العالية ، وبنيتها متعددة الطبقات التي تتيح تردد تبديل فعال أعلى ، وضغط جهد منخفض ، وكفاءة عالية ، ومكثف طيران متعدد المستويات (FCML) [1] اجتذبت الكثير من الاهتمام [2] و [3]. لتحقيق الاستفادة الكاملة من FCML ، يجب أن تكون الفولتية المكثفة متوازنة.

تم اقتراح تصميم AWG استنادًا إلى محول FCML ذي ثمانية مستويات باستخدام أجهزة GaN في هذه المقالة. تتم موازنة جهود مكثف الطيران باستخدام إستراتيجية تحكم نشطة تعتمد على تعويض دورة العمل [4]، ويتم تحقيق أداء التتبع المرجعي السريع باستخدام معوض PID في حلقة جهد الخرج.

تم بناء نموذج أولي لـ FCML من ثمانية مستويات ، ويتم تنفيذ وحدة تحكم رقمية باستخدام مزيج من FPGA ومتحكم دقيق. النموذج الأولي هو 500 واط ، وله جهد دخل 200 فولت ، ونطاق جهد خرج من 25 فولت إلى 180 فولت ، وأقصى تيار خرج 2 أمبير ، ويتحول بشكل متكرر بين 200 و 400 كيلو هرتز. تكون الفولتية المكثف الطائر متوازنة بشكل جيد ويتم تنظيمها عن كثب في التجارب ، ويتم تحقيق نتائج عابرات جهد الخرج (بما في ذلك عابرات الجهد المتكرر ، والجيوب ، والمنحدر ، والجهد التعسفي المتكرر بين 25 فولت و 180 فولت).

تصميم مرحلة الطاقة للمولد الموجي التعسفي

يوضح الشكل 1 مولد الموجي التعسفي القياسي ذي الثماني مستويات FCML بما في ذلك سبعة أزواج من المفاتيح التكميلية ، يعمل كل منها بتردد تبديل fs. يتم استخدام تعديل عرض نبضة تحول الطور (PS-PWM) لتوليد نبضات بوابة التبديل ، مما ينتج عنه تردد فعال قدره 7fs عند عقدة التبديل (Vجنوب غرب) ، مما يتيح تقليل حجم مرشح الإخراج (Lf و Cf). في ظل ظروف التشغيل المثالية ، تكون الفولتية عبر المكثفات الطائرة C1 و C2 و C3 و C4 و C5 و C6 هي 6 فولتفي/ 7 ، 5 فولتفي/ 7 ، 4 فولتفي/ 7 ، 3 فولتفي/ 7 ، 2 فولتفي/ 7 و V.في/ 7 على التوالي.

الشكل 1: محول متعدد المستويات (FCML) ذو ثمانية مستويات

يجب تصميم مكثف مرشح الخرج Cf لتقليل وقت الاسترداد المؤقت tr ، كما هو موضح في الشكل 2. من ميزان شحن المكثف:

فورمولا 1.
فورمولا 1

حيث: ipk هو تيار مكثف الذروة أثناء الانتعاش العابر. يتم الحصول على الحد الأدنى من وقت الاسترداد المحتمل عندما تكون جميع FETs قيد التشغيل في نفس الوقت لفترة زمنية معينة t1 ، ثم يتم إيقاف تشغيلهما معًا لفترة زمنية معينة t2.

وهكذا ، t1 = (ipk / m1) ، حيث m1 = (V.في-الخامسالمرجع 1) / Lf. وبالمثل ، t2 = (ipk / m2) ، حيث m2 = (V.المرجع 1/ Lf). من (I) ، يمكن الحصول على tr على النحو التالي:

الصيغة 2.
الصيغة 2

حيث: V.المرجع 1 هو الجهد الأولي قبل تغيير خطوة في الجهد المرجعي ΔVالمرجع. يمكن الحصول على القيمة المطلوبة لـ Cf مباشرة من (2) للحد الأدنى المطلوب من tr مع أقصى قدر ممكن من ΔVالمرجع.

مولد الموجي التعسفي تيار استجابة عابر وشكل موجة الجهد عبر المكثف.
الشكل 2: أشكال التيار والجهد للمكثف أثناء الاستجابة العابرة

الشكل 2: أشكال التيار والجهد للمكثف أثناء الاستجابة العابرة

موازنة الجهد والتحكم في جهد الخرج

يوضح الشكل 3 أ و 3 ب مخطط كتلة الدائرة المستخدمة لموازنة مكثف الطيران ووحدة التحكم في جهد الخرج. يتم تنظيم جهد الخرج إلى V المطلوبالمرجع عن طريق ضبط خرج التحكم Vيخدع. توفر حلقات موازنة الجهد المكثف الطائر تعديلات طفيفة في شكل ΔVيخدع إلى خرج التحكم الكلي لكل زوج من خلايا التبديل نصف الجسر.

يتم إعطاء الفولتية المنع (حالة إيقاف التشغيل) لجميع FETs من خلال:

الفورمولا 3 تظهر الفولتية على FETs.
الفورمولا 3

من (3) ، يمكننا أن نرى أنه يمكن التحكم في الجهد عبر C1 من خلال تعديلات صغيرة على دورات العمل لأزواج المفاتيح (S1 ، / S1) و (S2 ، / S2). نفس الشيء ينطبق على المكثفات الطائرة الأخرى C2-C6.

تم تصميم معوض PID النموذجي لحلقة جهد الخرج ، بينما يتم استخدام معوضات PI في حلقات موازنة مكثف الطيران. يتم استخدام مخطط PS-PWM التقليدي ، متبوعًا بدارات المزلاج والوقت الميت لتوليد إشارات البوابة (u1 و u2 و u3 و u4 و u5 و u6 و u7) لكل زوج مفتاح فردي.

مخطط كتلة لمولد الشكل الموجي التعسفي مخطط التحكم في موازنة الجهد الكهربائي المكثف الطائر.
الشكل 3 أ: مخطط التحكم في موازنة جهد المكثف الطائر
مخطط كتلة للمولد الموجي التعسفي تنفيذ التحكم الرقمي لمحول مكثف الطيران.
الشكل 3 ب: تنفيذ وحدة التحكم الرقمية

نتائج تجريبية

يظهر النموذج الأولي لمولد الموجي التعسفي المستند إلى ثمانية مستويات FCML في الشكل 4. المعلمات والمواصفات للتحقق التجريبي هي Vفي= 200 فولت ، الخامسا= 25-180 فولت ، R = 100Ω ، Lf = 10µH ، Cf = 6.8nF ، fs = 200-400 كيلوهرتز ، و C1 ، C2 ، .. ، C6 = 10µF.

نموذج أولي لمولد الموجي التعسفي FCML ذو الثماني مستويات يظهر وحدة التحكم ولوحات FCML.
الشكل 4: نموذج أولي من ثمانية مستويات FCML

يتم التحقق من نهج الموازنة النشط عن طريق إضافة عدم تطابق توقيت أكبر عن قصد لإحداث بعض عدم التوازن في الفولتية المكثف الطائر.

يظهر الشكل الموجي لجهد عقدة التبديل في الحالة المستقرة تحت اختلال التوازن الناجم عن قصد في الفولتية المكثف ومع تعطيل حلقات الموازنة في الشكل 5 أ ، بينما يوضح الشكل 5 ب ، ج ، ود الأشكال الموجية لجهد عقدة التبديل في الحالة المستقرة مع النشط تم تمكين حلقات الموازنة.

أشكال موجة عقدة التبديل من مولد الموجي التعسفي يوضح موازنة جهد المكثف النشط.  يظهر الشكل 5 (أ) مع تعطيل حلقة الموازنة ، بينما تظهر 5 (ب) و (ج) و (د) مع تمكين الموازنة.
الشكل 5: الأشكال الموجية لجهد عقدة التبديل التي توضح موازنة جهد مكثف الطيران النشط

الشكل 5: الأشكال الموجية لجهد عقدة التبديل التي توضح موازنة جهد مكثف الطيران النشط

الأشكال الموجية التجريبية تحت خطوات انتقالية متكررة في جهد الخرج بين 30V و 180V عند V.في= 200V و R = 100Ω ، مع تغييرات الخطوة في V.المرجع كل 20 ثانية موضحة في الشكل 6 أ. يوضح الشكل 6 ب الاستجابات لتغير منحدر سن المنشار في V.المرجع من 25 فولت إلى 160 فولت بتردد 40 كيلو هرتز ، ومعدل كبير يبلغ 5.4 فولت / µs. وبالمثل ، يوضح الشكل 6 ج الاستجابات للتغير الجيبي في الجهد المرجعي من 25 فولت إلى 180 فولت بتردد مرجعي قدره 20 كيلو هرتز.

تتبع أشكال موجات الأداء من مولد الموجي التعسفي لتغيير الخطوة ، والموجات المرجعية للموجة ذات السن المنشار والجيوب.
الشكل 6: تتبع الأداء لمختلف الأشكال الموجية المرجعية

تظهر النتائج التجريبية أن النموذج الأولي قادر على تتبع أشكال موجية مرجعية مختلفة مع عرض نطاق تتبع عالي.

مراجع

[1] TA Meynard و H. Foch ، “تحويل متعدد المستويات: فرامات عالية الجهد ومحولات مصدر الجهد” ، في Proc. IEEE PESC ، ص 397-403 ، المجلد 1 ، 1992.

[2] TA Meynard ، M. Fadel and N. Aouda ، “نمذجة المحولات متعددة المستويات ،” IEEE Transactions on Industrial Electronics ، المجلد. 44 ، العدد 3 ، ص 356-364 ، يونيو 1997.

[3] تي مودر ، إن بالو ، تي فولكس ، سي بارث ، ر. بيلاوا بودغورسكي ، “تصميم العاكس متعدد المستويات القائم على GaN معشق 9 مستويات لتطبيقات الطائرات الكهربائية ،” في معاملات IEEE على إلكترونيات الطاقة ، المجلد. 35 ، لا. 11 ، ص 12153-12165 ، نوفمبر 2020.

[4] م.خزراي ، هـ. سيباهفاند ، ك. كورزين وم. فردوسي ، “مخطط موازنة جهد مكثف معمم لمحولات مكثف متعدد المستويات” ، IEEE APEC ، ص 58-62 ، 2010.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *