أخبار التكنولوجيا

توفر عوازل الحالة الصلبة المرونة في تصميمات مرحل الحالة الصلبة



توفر مرحلات الحالة الصلبة (SSRs) العديد من المزايا مقارنة بالمرحلات الكهروميكانيكية مثل عدم وجود أجزاء متحركة، وسرعة تحويل أعلى، وموثوقية محسنة من قلة التآكل المادي، وآثار أقدام أصغر، وتكلفة أقل. يعد عازل الحالة الصلبة جزءًا لا يتجزأ من SSR، مما يوفر تحكمًا آمنًا في عناصر المحرك. في هذه المقالة، سنسلط الضوء على ميزات عوازل الحالة الصلبة للمحولات عديمة النواة من شركة Infineon Technology.

عزل الحالة الصلبة

السوق الرئيسية لـ SSR هي: توزيع الطاقة، والتحكم في العمليات، والتدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، وأجهزة تنظيم الحرارة، وشحن المركبات الكهربائية (EV)، ومعدات الاختبار الآلي (ATE)، وما إلى ذلك. دعونا نفكر في مثال السيارة الكهربائية. يجب عزل العاكسات التي تقود محولات الجر ومنطق الجهد المنخفض (LV) الذي يقود محركات البوابة. تعمل محركات البوابة المعزولة على عزل المجال الجانبي الثانوي للجهد العالي الذي يقود العاكسات ومسارات التحكم الأساسية للجهد المنخفض. يتطلب الانتقال إلى فولطية ناقل النظام الأعلى البالغة 800 فولت قدرة عزل تتجاوز هذا الجهد بكثير من أجل التشغيل الموثوق. وبالمثل، يمكن التحكم في الشحن المسبق والتفريغ للمكثفات ذات الجهد العالي عند تشغيل/إيقاف تشغيل السيارة عن طريق عناصر تبديل الجهد المنخفض التي تحتاج إلى العزل عن وصلة التيار المستمر ذات الجهد العالي. هناك حاجة إلى العزل لكل من مسارات الطاقة والإشارة التي تتحكم في مفتاح الجهد العالي. يحتاج نظام إدارة البطارية (BMS) إلى مراقبة مقاومة العزل لأطراف البطاريات ذات الجهد العالي لضمان العزل عن أرضية الهيكل وبالتالي سلامة السيارة. يمكن استخدام المفاتيح المعزولة هنا مرة أخرى.

تتمثل الوظيفة الأساسية الأخرى لعنصر المعزل في تقليل انتقال الضوضاء من، على سبيل المثال، التحويل السريع العابر على الجانب الثانوي إلى مسار التحكم في الجهد المنخفض. يعد هذا أمرًا مهمًا للتبديل السريع لأجهزة الطاقة من كربيد السيليكون (SiC) أو نيتريد الغاليوم (GaN). توفر المناعة العابرة للوضع الشائع (CMTI) متانة عالية للتبديل dv/dt. يشكل الجمع بين وحدة التحكم/السائق المعزولة، إلى جانب أجهزة تبديل جهاز الطاقة معًا العناصر الرئيسية لـ SSR.

يتم استخدام ثلاثة أشكال من عزل الحالة الصلبة بشكل شائع:

  • الأنظمة البصرية: هنا يتم عزل عنصر LED أو الليزر الموجود على الجانب الأساسي كهربائيًا عن الترانزستور الضوئي/الكاشف الموجود على الجانب الثانوي. توفر العزلة البصرية مزايا التداخل الكهرومغناطيسي المنخفض (EMI)، ولكن يمكن أن تكون الموثوقية على المدى الطويل محدودة بسبب تقادم العناصر البصرية.
  • العزلة الاستقرائية: يمكن للمحولات فصل الجوانب الأولية والثانوية. يمكن لهذه الأنظمة توفير سرعة عالية بالإضافة إلى الطاقة. يمكن أن يكون التحكم في التداخل الكهرومغناطيسي من خلال حماية فاراداي أمرًا ضروريًا.
  • عزل سعوي: قوي ويستهلك طاقة منخفضة، مع وجود قيود في نقل الطاقة العالية.

المحولات عديمة النواة

قدمت شركة Infineon Technologies تقنية المحولات عديمة النواة (CT) في عام 2003. وتستخدم هذه التقنية حلزونات معدنية مفصولة بعزل ثاني أكسيد السيليكون. وبالتالي، فهو متوافق مع تصنيع CMOS، مما يسمح بسهولة دمج وظائف التصفية والتحكم والحماية داخل نفس القالب. بالمقارنة مع optocouplers، يقدم CT العديد من المزايا:

  • يمكن تشغيل المدخلات ذات المعاوقة العالية مباشرة عن طريق إخراج منافذ منفذ وحدة التحكم الدقيقة (MCU)، بينما تحتاج المحركات الضوئية عادةً إلى ترانزستور إضافي لتشغيل مؤشر LED.
  • وترتبط الخسائر الأعلى بالتيارات الأعلى اللازمة لتشغيل مشغل البوابة الضوئية، في حين يمكن تشغيل مسارات إشارة الأشعة المقطعية بتيارات منخفضة جدًا. يتم تضخيم فرق الخسارة هذا عند ترددات التبديل الأعلى.
  • تتيح سعة الإدخال المنخفضة لـ CT أيضًا ترددات تحويل أعلى.
  • تعد التطبيقات متعددة القنوات أسهل مع التصوير المقطعي نظرًا لتوفر مقاومة دخل عالية.

بالمقارنة مع المحولات ذات القلب، لا يعاني المحول المقطعي المحوسب من تشبع النواة المغناطيسية وقيود التردد الناتجة عن فقدان النواة.

عوازل الحالة الصلبة

في مؤتمر APEC، قدمت شركة Infineon مجموعة منتجات من عوازل الحالة الصلبة المعتمدة على التصوير المقطعي المحوسب (SSI). يمكن استخدام أجهزة SSI هذه لتشغيل ترانزستورات الطاقة OptiMOS التي يتم التحكم فيها بواسطة MOS من Infineon™ وكولموس™ لتقليل استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 70% مقارنة بمحولات SSR باستخدام مفاتيح Triac والمقومات التي يتم التحكم فيها بالسيليكون (SCRs). علاوة على ذلك، تتيح أجهزة SSI هذه استخدام مقاومة أقل بكثير على الحالة (Rديسون) مقارنةً بأجهزة SSR التي يتم تشغيلها بصريًا، والتي يمكن أن تترجم إلى عمر أطول وطاقة أعلى. يمكن استخدام أجهزة SSI هذه لإنشاء وحدات SSR مخصصة قادرة على التحكم في الأحمال التي تزيد عن 1000 فولت و100 أمبير. وتتكون العائلة الجديدة من iSSI20R02H وiSSI20R03H، بالإضافة إلى iSSI20R11H وiSSI30R11H وiSSI30R12H. دعونا نلقي نظرة على بعض ميزات المنتج بمزيد من التفاصيل.

الشكل 1: مخطط تخطيطي لـ iSS130R11H (المصدر: Infineon Technologies).
الشكل 1: مخطط تخطيطي لـ iSSI30R11H (المصدر: Infineon Technologies)

يظهر الشكل 1 الرسم التخطيطي للجزء iSS130R11H. دبوس IN هو الإدخال المنطقي لهذا الجزء. يمكن تشغيله مباشرة بواسطة أطراف منفذ MCU في وضع غير مقلوب، بينما يعمل طرف VCC1 كمصدر دخل، وينطبق الشيء نفسه على iSSI20R11H وiSSI30R12H. تحتوي أجزاء iSSI20R0xH على دبابيس IN واحدة تستخدم كمدخل وإمداد ولا تحتوي على دبوس VCC1 منفصل. جانب الإدخال الخاص بـ SSI متوافق مع 3.3 فولت. يشكل طرف OUT، المشار إليه بـ GND2، مخرج محرك البوابة. يمكن استخدام دبابيس MCx لقط ميلر الديناميكي عن طريق توصيل عقدة تصريف مفاتيح الطاقة بدبابيس MCx بمكثف مناسب. وبالتالي فإن عابر dV / dt الذي يتم رؤيته عند الصرف يقترن بمحرك بوابة التحكم في SSI ومن ثم يستخدم لمنع التشغيل الطفيلي لمفتاح الطاقة. تتيح دبابيس TC/CS استشعار درجة الحرارة والتيار. يعمل طرف BUF، المتوفر فقط على iSS120R11H وiSSI30R11H وiSSI30R12H، كمخزن مؤقت لمحرك البوابة لتنفيذ تشغيل سريع عن طريق استخدام مكثف خارجي متصل بهذا الدبوس. لا يتطلب جانب الإخراج لعائلة SSI هذه مصدر طاقة معزولًا مخصصًا.

الشكل 2: مقارنات خصائص التشغيل لـ SSI باستخدام: (أ) مكثف مخزن مؤقت لإنشاء تشغيل سريع، و(ب) محرك مباشر لا يستخدم مكثف المخزن المؤقت (المصدر: Infineon Technologies).
الشكل 2: مقارنات خصائص التشغيل لـ SSI باستخدام: (أ) مكثف مخزن مؤقت لإنشاء تشغيل سريع، و(ب) محرك مباشر لا يستخدم مكثف المخزن المؤقت (المصدر: Infineon Technologies)

ويصور الشكل 2 خيارات التشغيل المتاحة. ومع الشحن المتراكم على مكثف المخزن المؤقت الخارجي، يمكن تحقيق تشغيل أسرع بكثير مقارنة بخيار القيادة المباشرة. أناتشغيل سريع يمكن أن يكون محرك تيار التشبع أعلى بمقدار 1000 مرة من ذلك الذي تم تحقيقه باستخدام المحرك المباشر، مما يؤدي إلى وقت صعود سريع (tص، بسرعة) ، بقيمة ورقة بيانات نموذجية تبلغ 530 ns مقارنة بوقت صعود محرك الأقراص المباشر tص من 8 أشخاص، يتميزون بشروط محددة مدرجة في ورقة البيانات. يتم تحقيق إيقاف التشغيل الطبيعي عن طريق استنفاد FET داخل SSI الذي يقوم بتفريغ عقدة بوابة ترانزستور الطاقة، مع تحديد أبعاد تيار الحوض لتفريغ CoolMOS™ ترانزستورات S7 ببضعة ميكروثانية.

توفر عائلة SSI حماية من التيار الزائد (OC) عن طريق قياس الجهد عبر مقاومة تحويلة خارجية. يؤدي هذا إلى تشغيل جهاز مقارنة في محطة CS أو CS/TS. يؤدي حدث OC إلى إيقاف تشغيل سريع لمفتاح الطاقة. يتم تحقيق الحماية من درجة الحرارة الزائدة (OT) لترانزستور الطاقة المقاد من خلال مصدر SSI لتيار ثابت يخلق جهدًا يعتمد على درجة الحرارة عند مستشعر درجة الحرارة الخارجي، والذي تتم قراءته في محطة TS أو TS/CS.

يتميز SSI بالعزل المقوى وفقًا للمواصفة IEC 60747-17، مع الشهادة المخطط لها. عزل المدخلات والمخرجات (Vايزو) ، المخطط للحصول على شهادة UL1577، تم تحديده عند 5700 Vrms، مع الحد الأقصى لجهد العزل العابر المقدر (VIOTM) عند 8000 فولت.

يمكن استخدام لوحة التقييم Eval-ISSI30R12H، الموضحة في الشكل 3، كمحول تيار متردد. ويتميز iSS130R12H SSI مع اثنين من CoolMOS ™ IPT60T022S7 دوائر الطاقة MOSFETs. تم تصنيف هذه اللوحة بـ 7A كحد أقصىRMS و+/- 320 فولت لجهد التيار المتردد الذي يتم تبديله.

الشكل 3: رسم تخطيطي لوحدة Eval-ISS130R12H (المصدر: Infineon Technologies).
الشكل 3: رسم تخطيطي لوحدة Eval-ISSI30R12H (المصدر: Infineon Technologies)

التدوينة عوازل الحالة الصلبة توفر المرونة في تصميمات مرحل الحالة الصلبة ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

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