الاستشعار الحالي لإلكترونيات الطاقة WBG باستخدام ملفات Rogowski المضمنة في PCB

يستخدم الاستشعار الحالي لحماية ومراقبة أداء الدوائر الإلكترونية للطاقة. نظرًا لكثافة الطاقة العالية والتحويل السريع لأجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة (WBG) المعتمدة على كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم، يمثل الاستشعار الحالي بعض التحديات الفريدة. في هذه المقالة، سنلخص بعض التطورات التي تم إحرازها باستخدام استشعار التيار القائم على ملف روجوفسكي، والتي قدمها علي بارسا سيرات من شركة East West Manufacturing في مؤتمر APEC 2024، والذي شارك في تأليفه مع مجموعة من جامعة نورث كارولينا في شارلوت.

المتطلبات والتحديات الرئيسية للاستشعار الحالي

يعد استشعار التيار في إلكترونيات الطاقة أمرًا ضروريًا لمراقبة حالة المعدات، واكتشاف الأخطاء (على سبيل المثال، أحداث التيار الزائد وقصر الدائرة الكهربائية) وبالتالي فهو عنصر حيوي في سلامة النظام وفي التحكم في الأحمال التي تعمل بالطاقة الكهربائية. بعض المتطلبات الأساسية للاستشعار الحالي هي:

• الخطية والدقة على نطاق التحميل الكامل
• عرض النطاق الترددي العالي
• وقت الاستجابة سريع
• العزلة عن التيار الذي يتم استشعاره
• صغر الحجم وسهولة تكامل النظام
• مناعة عالية ضد التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) وعابري الجهد السريع (dV/dt)
• تكلفة منخفضة

عادةً، يتم إنشاء مقايضة بين هذه المعلمات، ويكون المستشعر الأفضل خاصًا بالتطبيق. تُستخدم عادةً ثلاث طرق واسعة للاستشعار الحالي:

• المقاومة: باستخدام قانون أوم، تشمل الأمثلة على ذلك مقاومة التحويل أو استخدام المقاومة المستمرة MOSFET. وهي صغيرة الحجم ورخيصة الثمن وسهلة التنفيذ ولكنها تعاني من فقدان الطاقة وقلة العزلة والحساسية لدرجة الحرارة.
• مقاييس المغناطيسية المستمرة: هنا يمكن استخدام قانون أمبير بالإضافة إلى نظرية ماكسويل المتعلقة بالمجال المغناطيسي بالتيار المستشعر. يستخدم تأثير هول لقياس الجهد عبر فجوة صغيرة، وهو ما يتناسب مع التيار المستشعر. يمكن أن تكون مستشعرات Hall ذات الحلقة المفتوحة صغيرة ومعزولة ورخيصة الثمن وذات استهلاك منخفض للطاقة ولكنها تعاني من انحراف كبير في الكسب مع درجة الحرارة. تشتمل مستشعرات القاعة ذات الحلقة المغلقة على ردود فعل لضبط الانحراف وتتميز بدقة محسنة ولكن مع استهلاك أعلى للطاقة والحجم والتكلفة. تستخدم مستشعرات Fluxgate التشبع المغناطيسي الأساسي لإنشاء مقياس مغناطيسي ذو حلقة مغلقة ودقيقة للغاية لاستشعار التيار المستمر ولكن يمكن أن يكون عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي.
• أجهزة الاستشعار الحثية: استخدم قانون فاراداي للحث لاستشعار التيار المتردد عبر محاثة متبادلة تنشأ بين الملف والموصل المستشعر. أنها توفر العزلة الجوهرية. تستخدم محولات التيار عادةً قلبًا مغناطيسيًا وتستخدم على نطاق واسع نظرًا لحصانتها من الضوضاء والتكلفة المنخفضة. يمكن أن يعانون من التشبع والحجم الأساسي. تستخدم ملفات Rogowski عادةً قلبًا هوائيًا وتعوض عن خسارة الكسب الناتجة باستخدام مُتكامل إلكتروني. إن مزايا نقص التشبع الأساسي وصغر الحجم والخطية الممتازة تجعلها مناسبة تمامًا لاستشعار التيار المتردد. لقد قامت الإصدارات المحمية من ملفات Rogowski بتحسين أداء EMI، مع استبدال عرض النطاق الترددي الأقل. يعتمد استشعار التيار المغناطيسي البصري على ضوء مستقطب يخضع لدوران فاراداي عند عبور مادة مغناطيسية بصرية في مجال مغناطيسي. يتمتع بحصانة عالية ضد التداخل الكهرومغناطيسي وتقلبات درجات الحرارة ولكن يمكن أن يكون له نطاق ترددي منخفض ويكون أكثر تكلفة.

ملفات Rogowski المدمجة بدون درع ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يوضح الشكل 1 مخططًا أساسيًا لمستشعر تيار ملف Rogowski. يتكون المستشعر من الملف والإنهاء والمتكامل ومرشح التمرير العالي. يتم توضيح استجابة التردد في الشكل 1. للاستخدام في الاستشعار عالي التردد، يتم استخدام مقاوم إنهاء صغير (R_ر) يستخدم، ويعمل على تخفيف الضوضاء المقترنة ويوفر التكامل الذاتي للملف. يتم تداول عرض النطاق الترددي والحساسية بقيمة R_ر. مكثف ملف طفيلي صغير (C_س) له مزايا. انخفاض ر_ر و ج_س يمكنهما معًا تخفيف تحولات ضوضاء التبديل الناتجة عن dV/dt من الاقتران إلى قياسات الحواس وتحسين قوة EMI دون الحاجة إلى الحماية. يعوض المتكامل الكسب المنخفض للملف الهوائي. يمكن أن يضمن التصميم الدقيق للمستشعر بأكمله مطابقة الكسب وتردد الزاوية للملف والمتكامل. يجب أن يكون للمضخم التشغيلي معدلات كبيرة سريعة بما يكفي للتعامل مع تبديل النبضات مع وجود تشويه توافقي منخفض. يمكن التخلص من الفولتية DC وجهد التشغيل أمبير منخفض التردد عن طريق استخدام عناصر مختارة بشكل مناسب في مرشح التمرير العالي. تعوض الحلقة المغلقة مع المتكامل التناظري التغيرات الحرارية. عادةً ما يكون نطاق استشعار ملف Rogowski محدودًا بمصدر طاقة المرجع؛ على سبيل المثال، حساسية 10 مللي فولت/أمبير على مصدر ±5-فولت تترجم إلى نطاق كامل ±500-A.

يمكن دمج ملف PCB Rogowski مباشرةً في لوحة الطاقة أو لوحة التشغيل ويتم إنتاجه بكميات كبيرة بتكلفة منخفضة. وهنا المساحة المتوفرة هي التي ستحدد الحجم والشكل؛ ومع ذلك، يمكن تحسين هيكل التعبئة ليناسب مساحة معينة لضمان الأداء الأمثل. يمكن استخدام مسار العودة للملف لإلغاء الإشارات المستحثة المتولدة خارج حلقة الملف وبالتالي تحسين دقة المستشعر.

استشعار التيار ثنائي الاتجاه باستخدام ملفات Rogowski

تستخدم طريقة اللف التفاضلي نفس الموصل المطوي في ملفين بحيث تتدفق التيارات في الملفين في اتجاهين متعاكسين، وبالتالي تحييد إشارات الوضع المشترك. يوضح الشكل 2 طريقة الملف التفاضلي التقليدية التي تستخدم مخطط توزيع مربع/حلقي، بالإضافة إلى تقنية معدلة اقترحها المؤلفون في هذه الدراسة.

المشكلة المرتبطة باستخدام الملف المزدوج هي زيادة السعة الطفيلية. الحل هو استخدام المزيد من طبقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتقليل الطفيليات. عن طريق تقليل عدد ومساحة التقاطعات بين اللفات الأمامية والعودة وكذلك زيادة المسافة بين اللفات المتجاورة، C_س يمكن تخفيضها وتحقيق نطاق تردد أوسع. أظهرت النمذجة C_س تخفيض من 44 pF إلى 27 pF مع مخطط اللف المقترح. في الواقع، تبين أن المقايضة المرتبطة بمحاثة متبادلة أصغر (وبالتالي الكسب) تخلق ميزة في فرق الحساسية الأقل عند استخدام الملف في الاستشعار ثنائي الاتجاه. إن التوزيع الأكثر تناسقاً للملف المقترح يسمح للملف بمواجهة نفس المعاوقة في كلا الاتجاهين. يعمل انخفاض مستوى الضجيج الناتج عن الطفيليات السفلية على تحسين تبديل القياسات الحالية.

استندت تجربة اختبار هذا المستشعر المدمج في PCB مع الملف المعدل الموضح في الشكل 2 إلى إعداد اختبار مزدوج النبض مع تبديل وحدات SiC MOSFET عند 100 كيلو هرتز و500 فولت، مع وضع مستشعرات ملف Rogowski في اتجاهين متعاكسين. وتمت مقارنة كلا المخططين المتعرجين الموضحين في الشكل 2.

كما هو موضح في الشكل 3، فإن أداء اللف المزدوج أفضل، مع نتائج أكثر تناسقًا. تتم مقارنة مخرجات المستشعر بمسبار التيار التجاري.

يتميز ملف Rogowski المدمج في ثنائي الفينيل متعدد الكلور بمزايا التوحيد الممتاز والعزل وسهولة التكامل والتكلفة في الاستشعار الحالي. تحقق التصميمات المرجعية المعتمدة على مستشعرات ملف Rogowski خطية بنسبة 0.058%، مع دقة غير معايرة تبلغ 2%، وعرض نطاق ترددي يبلغ 20 ميجاهرتز ووقت استقرار سريع يبلغ 50 نانوثانية. يمكن أن يؤدي استخدام الملف المزدوج التفاضلي إلى تقليل العناصر الطفيلية داخل الملف وتحسين الدقة وكذلك المناعة ضد الضوضاء. العيب الوحيد لملف Rogowski هو عدم القدرة على قياس التيار المستمر. تم اقتراح العديد من الطرق للتغلب على هذا القيد، بما في ذلك استخدام مستشعر هجين يجمع بين ملف Rogowski ومستشعر بوابة التدفق الصغير.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

ظهر مقال الاستشعار الحالي لإلكترونيات الطاقة WBG باستخدام ملفات Rogowski PCB المضمنة بدون حماية للمرة الأولى في Power Electronics News.