أخبار التكنولوجيا

محول DC-DC Boost في الفئة E.


هناك العديد من الأنواع المختلفة لمحولات DC / DC ، ولكل منها طريقة تشغيل فريدة. يتضمن الاقتراح المقترح في هذه المقالة تحليل محول تعزيز DC / DC يعمل في الفئة E باستخدام محرك إشارة ثنائي التردد. يسمح هذا الحل بضبط طاقة الخرج إذا تغير الحمل. من أهم ميزات الدائرة أنها يمكن أن تضمن كفاءة عالية جدًا في ظل جميع ظروف التشغيل. يسمح محول التعزيز الذي تم فحصه في هذه المقالة بأن يكون جهد خرج التيار المستمر أعلى من جهد الدخل DC بأقصى قدر من الكفاءة.

الحمل الثابت والحمل المتغير في الفئة E.

عندما يتم تصميم محول من الفئة E لحمل قيم بدقة ، فإنه لا يتحكم في ضبط معلمات الإخراج. تكون خصائص إشارة الخرج ثابتة وتعمل دائمًا في ظل نفس الظروف. من ناحية أخرى ، إذا كان سيتم استخدام أحمال مختلفة ، فيجب ترتيب سلسلة من عناصر التحكم لضبط إشارة الخرج بشكل مثالي. عندما تتغير مقاومة الخرج ، تتغير أوضاع تشغيل الدائرة ، كما هو الحال مع أشكال موجة الإشارات. الكفاءة ليست ثابتة دائمًا وتتنوع حسب نوع الحمولة المطبقة. باستخدام محولات الفئة E ، من الممكن الحصول على أشكال موجية خاصة تمر عبر الصفر قبل لحظة التبديل. بهذه الطريقة ، تكون خسائر التبديل منخفضة جدًا. في محولات الفئة E ، يمكن زيادة تردد التبديل بشكل كبير مقارنة بالمحولات التقليدية ، حتى بعامل 50 ، مما يسمح بتحقيق كفاءات عالية.

نظرًا لهذا الجانب ، يمكن أن تظل أحجام الدوائر صغيرة ، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في الوزن والبصمة والتكلفة النهائية. يتم أيضًا تقليل جانب EMI بشكل كبير. في التبديل العادي ، تقوم مفاتيح التبديل الإلكترونية بمقاطعة التيار خلال لحظات قصيرة جدًا ، مما يسبب ضغطًا كبيرًا على المكونات الإلكترونية. يجب أن تتحمل الفولتية العالية والتيارات العالية في وقت واحد ، مما يتسبب في تبديد كبير للطاقة والضغط ، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة وانخفاض الكفاءة.

من خلال اعتماد دوائر الطنين في المحولات ، يمكن تشكيل أشكال الموجة لإنشاء ظروف تبديل الجهد الصفري والتبديل والتيار الصفري. من خلال تقليل تبديد الطاقة (من الناحية المثالية إلى الصفر) ، وزيادة تردد التبديل والقضاء على الارتفاعات العابرة ، يتم زيادة كفاءة النظام الإجمالية للحصول على EMI منخفضة للغاية.

تحكم ثنائي التردد في محولات التعزيز

تعمل محولات الفئة E عادةً في حالة تحميل واحدة لأنها مصممة للعمل فقط في ظل ظروف تشغيل محددة. عادة ، يتم توفير نوع معين من الحمل ، وفي هذه الحالة ، يعمل المحول بأقصى قدر من الكفاءة ، مع نقطة تشغيل مثالية واحدة فقط. عن طريق تغيير الحمل ، تتغير أشكال موجة الدائرة ، وبالتالي ، لم يعد التشغيل الأمثل مضمونًا. يؤدي تغيير الحمل إلى انخفاض كبير في كفاءة النظام.

لحل هذه المشكلات ، من الممكن تعديل تيار الخرج باستخدام التحكم في التردد المزدوج ، والذي يتم من خلاله ضمان نقطة التشغيل المثلى دائمًا ، ويتم الحفاظ على كفاءة النظام بأكمله عند قيم عالية جدًا. في تبديل المحولات ، فإن أهم المكونات هي المحاثات. لحسن الحظ ، في تنفيذ هذه الدائرة ، لا يلزم استبدال هذه المكونات ، ويمكن تحقيق نقطة التشغيل المثلى بالتساوي من خلال اعتماد ترددين مختلفين للتبديل. يجب اتخاذ احتياطات محددة عند تنفيذ محول دفعة مزدوج التردد من الفئة E ، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1: التخطيطي العام لمحول تعزيز فئة E بتردد مزدوج

يمكن استخدام نفس المحرِّضات في هذه الدائرة دون الحاجة إلى استبدالها. بدلاً من ذلك ، يتم الحصول على نقطة التشغيل المثلى عند كلا الترددين ببساطة عن طريق تغيير قيمة المكثفات المتصلة بالتوازي مع المفاتيح الإلكترونية. يتم الحصول على أقصى قدر من الكفاءة فقط إذا ظل ناتج تيار الخرج وتردد تبديل الترانزستور ثابتًا. يُشتق هذا الحل من التعزيز أحادي التردد ، حيث لا توجد مفاتيح إلكترونية تعمل بالتناوب على توصيل وفصل زوج المكثفات الإضافية. من السهل ملاحظة أنه عندما تكون أجهزة التبديل هذه في حالة توصيل ، فإنها تسمح بتوصيل مكثفات إضافية بالتوازي لزيادة السعة لتلك الموجودة بالفعل في المخطط. شرط آخر تتطلبه الدائرة هو أن المنتج يجب أن يظل ثابتًا لحماية أقصى قدر من الكفاءة عند ترددي التحويل:

محول DC / DC دفعة الرنين في الفئة E مع التحكم ثنائي التردد

تشغيل الدائرة

على عكس المخطط الذي يحتوي على تردد تشغيل واحد فقط ، يحتوي هذا المفتاح على مفتاحين متسلسلين ، مع وجود مكثفين يحملان اسم Cinv1 و Crec1 ، مما يسمح بتغيير السعة الإجمالية. إذا تم إغلاق المفاتيح ، تتم إضافة سعات Cinv1 و Crec1 إلى مكثفات Cinv2 و Crec2 ، على التوالي. في هذه الحالة ، يعمل المحول بتردد أقل. من ناحية أخرى ، إذا تم فصل السعات الإضافية ، فإن المحول يعمل بتردد أعلى. لاحظ أن المفاتيح الإضافية عبارة عن ترانزستورات MOS. ومع ذلك ، فإن واحد في السلسلة مع Cinv2 هو N-channel ، في حين أن واحد في السلسلة مع Crec2 هو P-channel. يعمل المحول بأحد ترددين للتبديل ، اعتمادًا على جهد الدخل وظروف الحمل ، بالطريقتين التاليتين:

  • إذا كان جهد الدخل مرتفعًا ، أو كان الحمل خفيفًا ، فإن الدائرة تتبنى تردد التبديل الأعلى بحيث يمكن تقليل خسائر الانتقال أثناء التشغيل والإيقاف وخسائر التوصيل الناتجة عن مغو الرنين.
  • عندما يكون الجهد منخفضًا ، أو يمتلك الحمل مقاومة منخفضة ، تتبنى الدائرة أقل تردد تبديل.

في مرحلة التصميم ، يجب اختيار جهد تشغيل الإدخال والإخراج ، حيث يعمل المحول. وبالمثل ، يجب على المصمم اختيار أقصى قوتين تبددهما الحمل ، عند الترددين. باستخدام هذه ، يمكن حساب تيارات الفرعين ، INV و REC ، بسهولة. يعد تحديد المكونات الحثية دقيقًا للغاية ، حيث يجب أيضًا مراعاة الترددين المعنيين. توضح الرسوم البيانية في الشكل 2 أشكال موجة الجهد بين الصرف ومصدر المفتاح الإلكتروني V (D ، S) والجهد بين الكاثود والأنود للديود V (K ، A).

يجب اتباع الخطوات التالية للحصول على ظروف عمل جيدة على الترددين المختارين. عادة ، من الأفضل تفضيل تردد واحد أعلى مرتين من الآخر:

  • اختر جهد الدخل والجهد الناتج.
  • حدد القوى النسبية القصوى عند الترددين المعنيين.
  • احسب التيارات النسبية.
  • اختر المحاثات وحدد قيم q ذات الصلة على الترددين.
  • احسب خسائر التحويل.
  • قم بتحسين النتائج عن طريق تعديل قيم المكونات بشكل طفيف.

يتم إجراء التحجيم الأول للمكونات بتردد معين ؛ يتم إجراء الحجم الثاني ، مع ذلك ، بضعف التردد. يتم حساب خسائر التبديل مرة أخرى ، وأخيراً ، يتم إجراء مزيد من التحسين. هذا أبعد ما يكون عن إجراء بسيط.

مخططات الذبذبات للجهد V (D ، S) و V (K ، A) في الدائرة التي تعمل بالتردد المنخفض.
الشكل 2: مخطط الذبذبات للجهود V (D ، S) و V (K ، A) في الدائرة التي تعمل عند التردد المنخفض

ينتج عن الدائرة المصممة جيدًا كفاءة عالية جدًا ، وقيم الذروة للجهدتين اللتين تم فحصهما مسبقًا ليست حرجة وتدعمها معظم الأجهزة في السوق. تعادل قيمة متوسط ​​الإنتاج الحالي متوسط ​​تيار IREC. يجب مراعاة المكونات المقاومة الطفيلية المتسلسلة مع المكونات التفاعلية (المكثفات والمحاثات) عند تصميم الدائرة. هذه المقاومة الطفيلية قابلة للتغيير فيما يتعلق بالتردد ؛ في الواقع ، هم أكثر صلة بالترددات العالية. لجعل دائرة واحدة تعمل على الترددين ، من الضروري الجمع بين تصميمين متكافئين لتنفيذ محول تعزيز من الفئة E يمكنه العمل على الترددين.

كما ذكرنا من قبل ، إذا كان جهازي التبديل المتسلسلين مع المكثفات Cinv1 و Crec1 مفتوحين ، يمكن أن تعمل الدائرة بتردد أعلى. على العكس من ذلك ، إذا تم إغلاق هذه المفاتيح الإلكترونية ، فإن الدائرة تعمل بتردد أقل. في مثل هذه الترددات ، فإن وجود مقاومة طفيلية متغيرة وفقًا للتردد نفسه أمر لا مفر منه. ستكون هذه التفاعلات ضئيلة فيما يتعلق بالمكثفات ، بينما بالنسبة للمحثات ، قد تصل إلى قيم مهمة بسبب انخفاض Q.

في الرسم البياني في الشكل 3 ، توجد خطوة صغيرة على مخطط الذبذبات تتعلق بجهد V (D ، S) ، فقط في اللحظة التي يتم فيها تشغيل الجهاز الإلكتروني ودخوله في التوصيل. لا يمكن إلغاء هذه الخطوة تمامًا وينتج عنها زيادة صغيرة جدًا في الطاقة المشتتة في التبديل ، وهو أمر مقبول تمامًا وغير مهم.

يتم تشكيل خطوة صغيرة جدًا على إشارة VDS أثناء تبديل الترانزستور ، وهو أمر مقبول تمامًا.
الشكل 3: يتم تشكيل خطوة صغيرة جدًا على إشارة V (D ، S) أثناء تبديل الترانزستور ، وهو أمر مقبول تمامًا.

خاتمة

تظهر النتائج التجريبية أنه باستخدام منهجية التردد المزدوج هذه ، تتحسن كفاءة التحويل بنسبة 6٪ إلى 7٪ على الأقل. من خلال إجراء تحليل وتصميم جيد ، تتصرف الدوائر كما هو مخطط لها ، وتحقق أهدافها المرجوة. من المثير للاهتمام مقارنة أشكال موجة الجهد في نهايات MOSFET والصمام الثنائي ، عند ترددي التبديل ، للتحقق من كفاءة النظام. من المفيد أيضًا تحليل التيارات التي تمر عبر محاثات LINV و LREC.

تُظهر الرسوم التذبذبية في الشكل 4 ، على التوالي ، نبضة التنشيط للمفتاح الإلكتروني وإشارتين في نهايتي مكوني أشباه الموصلات (أول خطي تذبذب أعلاه) عند التردد الأساسي. يُظهر الرسمان الذبذبات الآخران (السفلي) ، على التوالي ، نبضة التنشيط للمفتاح الإلكتروني وإشارتين له في طرفي مكوني أشباه الموصلات ، بتردد مزدوج. يستخدم الوضع الثاني للعملية ضعف التردد ونصف التيار عند الحمل. هذه النتائج ، بمثل هذه الترددات العالية ، لا يمكن أن تتحقق عادة بالحلول التقليدية.

تعتبر محولات DC / DC من الفئة معقدة وحاسمة للغاية ، ولكنها توفر فوائد هائلة من خلال السماح بدفع الأحمال ذات الطبيعة المختلفة والمقاومة. من خلال الترتيبات الخاصة والتعديلات الجوهرية للدائرة ، ومع الزيادة الهائلة في تعقيد النظام ، يمكن أيضًا تنفيذ محول DC / DC لثلاثة أنواع من الأحمال.

الرسوم البيانية للإشارات على ترددي التشغيل.
الشكل 4: الرسوم البيانية للإشارات عند ترددي التشغيل
كتاب PEN الإلكتروني - مارس 2023.

قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

اترك تعليقاً

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