تحديات دمج الاستشعار الحالي في محولات WBG
يشير استشعار التيار في إلكترونيات الطاقة إلى مجموعة من التقنيات لقياس التيارات الكهربائية بدقة كافية. يعد الاستشعار الدقيق للتيار ذا أهمية قصوى في محولات الطاقة لتنفيذ الحماية والتحكم وضمان الموثوقية.
تجعل محولات الطاقة ذات فجوة النطاق الواسعة من الصعب تطوير مخطط واحد لاستشعار التيار نظرًا لمساحتها وحجمها المحدودين، وسرعة الكشف العالية المطلوبة وانبعاثات التداخل الكهرومغناطيسي العالية (EMI) الناتجة.
يسلط مقال نشره علي بارسا سيرات وباباك باركهيده من جامعة نورث كارولينا في شارلوت في يوليو 2023، الضوء على التحديات الرئيسية التي تواجه دمج أجهزة الاستشعار الحالية في محولات الطاقة في الضفة الغربية وقطاع غزة. إن المفاضلات المختلفة في مطابقة جميع المتطلبات تجعل من الصعب تنفيذ طريقة واحدة للاستشعار الحالي تنطبق على جميع الحالات. استكشف المؤلفون طرقًا لتحسين أداء أجهزة الاستشعار الحالية ذات المخطط الواحد.
تقنيات الاستشعار الحالية
وظيفة حساس التيار هي قياس التيارات الكهربائية سواءً AC أو DC. في تطبيقات الطاقة، يمكن أن يخدم الإشراف على التيار الكهربائي عدة أغراض، مثل اكتشاف الظروف الخاطئة ومراقبة الأداء ومراقبة التغيرات الشاذة في سلوك النظام. لقد تم تطوير طرق مختلفة للاستشعار الحالي، ولكل منها إيجابيات وسلبيات. أهمها موضحة أدناه.
مقاومات التحويلة
مقاومة التحويل هي عنصر منخفض المقاومة يتم توصيله على التوالي مع مسار التيار مع انخفاض الجهد عبره بما يتناسب طرديًا مع التيار (قانون أوم). يمكن أن تكون مقاومات التحويل مثبتة على السطح، أو محورية، أو أثر نحاسي، أو بعض خلايا MOSFET (بمعنى FETs) أو حتى مقاومة MOSFET. يقع المحث أيضًا ضمن هذه الفئة، بشرط إضافة مُكامل لتحويل الجهد إلى تيار. وتشمل العيوب عدم وجود العزل الكهربائي، والعناصر الطفيلية مثل الحث المتسلسل على آثار الطاقة، وفقدان الطاقة وتغير الحساسية بسبب التغيرات في درجات الحرارة.
المحولات الحالية
تتكون محولات التيار من ملف أولي يتدفق من خلاله التيار، وملف ثانوي يتناسب فيه التيار مع التيار الأولي. من خلال تغيير نسبة الدوران واختيار الخصائص الأساسية، يمكن أن تكون محولات التيار متعددة الاستخدامات ومناسبة لظروف مختلفة. ومع ذلك، في حين أن المحولات الحالية تظهر تكلفة منخفضة، ومناعة جيدة وعزلة ممتازة، فإنها تخضع لتشبع القلب، مما يحد من الدقة، واعتماد النفاذية على درجة الحرارة التي تنخفض عند الترددات الأعلى.
لفائف روجوفسكي
على غرار محولات التيار، فإنها بدلاً من ذلك تستخدم ملفات ذات قلب هوائي ولكنها تحتاج إلى جهاز تكامل للتعويض عن الكسب المنخفض عند التردد المنخفض الذي توفره قلوب الهواء. هذه الملفات المرنة مناسبة لقياس تيارات التيار المتردد فقط. وهي لا تتطلب عزلًا كلفانيًا وغالبًا ما تستخدم في مراقبة جودة الطاقة.
أجهزة استشعار تأثير هول
يستغل مستشعر تأثير هول، الذي يكتشف كلاً من التيار المتردد والتيار المستمر، الجهد الكهربي عبر موصل (بضع عشرات من الميكروفولت) الناتج عن مجال مغناطيسي عمودي على تدفق التيار. ولتجنب التداخل من المجالات الخارجية، فإنها تحتاج إلى نوى عالية النفاذية ومضخم صوت منخفض الضوضاء، مع الأخذ في الاعتبار الإشارة المنخفضة المستوى المولدة. كما أنها تتمتع بسرعات استجابة أقل من 100 كيلو هرتز، مما يستلزم وجود محول تيار لتحسين عرض النطاق الترددي، خاصة في الحلقات المغلقة.
أجهزة استشعار تدفق
يعتمد المبدأ الكامن وراء أجهزة استشعار بوابة التدفق، المستخدمة للكشف عن التيار المتردد والتيار المستمر، على سلوك التشبع لبعض المواد المغناطيسية. لقد تم بناؤها بنواة عالية النفاذية ولفائف أولية وثانوية ولفائف إثارة لتشبع القلب مغناطيسيًا. يتم تمرير التيار الذي يتم قياسه من خلال الملف الأولي، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا في القلب. عندما يصل هذا المجال إلى مستوى معين، يصبح القلب مشبعًا، وفي هذه الحالة يتم حث جهد كبير في الملف الثانوي مع إشارة واضحة للتيار المراد قياسه. عادةً ما يُعتبر مستشعر بوابة التدفق هو مقياس المغناطيسية الأكثر دقة بين جميع أجهزة كشف المجال المغناطيسي المتاحة اليوم على الرغم من تكلفته المتزايدة وتعقيده. في الآونة الأخيرة، أتاحت التطورات التكنولوجية الجديدة تصنيع أنظمة على الرقائق تكون أكثر كفاءة وأقل تكلفة.
قانون فاراداي للحث
يربط هذا المبدأ القوة الدافعة الكهربائية المستحثة (EMF) بمعدل تغير التدفق المغناطيسي الذي يمكن التعبير عنه أيضًا المجالات الكهرومغناطيسية = –م × دي/dt، أين م هي الحث المتبادل بين الملف والموصل. تعتبر هذه الطريقة أكثر ملاءمة للترددات الأعلى (أي di/dt الأعلى) ولكنها لا تزال أقل من تردد رنين الملف.
مخاوف بشأن دمج أجهزة الاستشعار الحالية في أنظمة الطاقة في الضفة الغربية وقطاع غزة
يعد تطوير نظام واحد للكشف عن التيار لإلكترونيات الطاقة WBG للكشف بدقة عن مجموعة واسعة من الأنواع الحالية أمرًا صعبًا للغاية. الأسباب الرئيسية هي صغر الهندسة والحجم، والطلب على سرعات الاستشعار العالية، والتغيرات في درجات الحرارة المحيطة وارتفاع إشعاع EMI الناجم عن أجهزة الطاقة الحديثة سريعة التبديل، والتي يمكن أن تؤدي إلى اكتشاف خاطئ وقياسات غير دقيقة. يجب مراعاة العوامل التالية عند تقييم دمج الاستشعار الحالي في محولات الطاقة:
- عزل
- الغزو
- الحجم والضخامة
- القدرة على قياس عرض النطاق الترددي والتيار المستمر
- مناعة الضوضاء EMI
- دقة
- قدرة نطاق الاستشعار
- الانجراف الحراري
- استهلاك الطاقة والخسائر
- يكلف
وسيتم مناقشة العديد من هذه في الفقرات التالية.
عزل
يتطلب استشعار التيار المعتمد على أومية فقط عزلًا كهربائيًا، وهو ما يمثل مصدر قلق كبير في إلكترونيات الطاقة، حيث قد يكون فرق الجهد في الوضع المشترك كبيرًا بين مكونات الدائرة المختلفة. وبالتالي، فإن استخدام مستشعرات التحويل مثل FETs يقتصر على تطبيقات الجهد المنخفض أو مراقبة تيار التبديل المنخفض الجانب في إلكترونيات الطاقة.
أجهزة الاستشعار الغازية
تعتبر مقاومة التحويل غازية بمعنى أنه يجب وضعها على التوالي مع الدائرة. لا يزال من الممكن قياس التيار باستخدام أجهزة استشعار غير جراحية أو غير تلامسية. على سبيل المثال، قد يستخدم مستشعر التيار غير التلامسي تقنيات مقاومة مغناطيسية، حيث يتمثل المفهوم في إنشاء مجال مغناطيسي يمكن اكتشافه باستخدام مقياس المغناطيسية.
بالنسبة لتطبيقات استشعار التيار عالي الجهد التي تتطلب السلامة والدقة، تعد كاشفات المسبار الحالية هي الخيار الأمثل، لأنها لا تغير التخطيطات المثالية لإلكترونيات الطاقة المعتمدة على WBG، كما يحدث في العاكسات ثلاثية الطور. في المقابل، تشكل تقنيات استشعار التيار المقاوم تحديات كبيرة بسبب اتصالها الكهربائي، ناهيك عن وجود عناصر طفيلية على آثار الطاقة وفقدان الحرارة، مما يحد من استجابة العنصر لتيار الاستشعار. ومن الواضح أيضًا أن مجسات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو RC تمثل بدائل أفضل، لأنها غير غازية، كما أن الحث المدخل لا يكاد يذكر (عدد قليل من الهنريات النانوية).
القدرة على قياس عرض النطاق الترددي والتيار المستمر
يرتبط عرض النطاق الترددي للاستشعار الحالي بنطاق التردد الذي يمكن للمستشعر من خلاله قياس التيارات بدقة. عادةً ما تكون أجهزة الاستشعار الحالية ذات النطاق الترددي العالي مطلوبة في إلكترونيات الطاقة WBG نظرًا لقدرة التبديل الأسرع وحواف التشغيل/الإيقاف الأكثر وضوحًا، حيث يجب أن يكون عرض النطاق الترددي عريضًا بما يكفي لالتقاط المكونات عالية التردد لأشكال الموجات الحالية. من ناحية أخرى، يمكن أن تحتوي أشكال موجات تيار التبديل على مكونات تمتد من التيار المستمر إلى ترددات عالية للغاية، والمستشعر الوحيد للتيار أحادي المخطط القادر على قياس التيار المستمر حتى عشرات الميجا هرتز (أو جيجاهيرتز) هو التحويلة المحورية، التي لديها مشاكل متعلقة إلى العزلة والغزو. بشكل عام، يجب استخدام مجموعة من طرق الاستشعار المتعددة لاكتشاف نطاق واسع من الترددات.
تبديل مناعة EMI
واحدة من أهم العقبات التي تعترض الاستشعار وتكييف الإشارة في إلكترونيات الطاقة WBG هي التعامل مع di / dt و dV / dt. يؤدي التبديل عالي التردد والتشغيل/إيقاف التشغيل فائق السرعة إلى انبعاثات الترددات اللاسلكية وإشعاع EMI وفقدان إضافي وفولتية بوابة زائفة، مع ارتفاع خطر اقتران dV/dt السعوي. يمكن أن تتداخل هذه المشكلات مع تشغيل العناصر الأخرى وتقلل من الأداء والموثوقية بشكل عام. للتحايل على هذه المشكلات، من الضروري تصميم دوائر الاستشعار بشكل صحيح وتحسين تخطيط المحول عن طريق تقليل معدلات di/dt العالية. من الأفضل عدم استخدام مكونات غير معزولة وغزوية، خشية أن تؤدي العناصر الطفيلية إلى تفاقم مشكلات EMI.
استهلاك الطاقة
يعتمد استهلاك الطاقة في المستشعر الحالي على خسائر التوصيل عن طريق تسخين الجول إذا كان مقاومًا للتحويل، أو قد يكون ذلك بسبب تشغيل مصدر الطاقة إذا كان مستشعرًا غير تلامسي مثل مستشعرات بوابة التدفق الموجودة على الرقاقة. يعد استهلاك الطاقة لأجهزة الاستشعار أمرًا بالغ الأهمية إذا كانت هذه المكونات موجودة داخل محولات الطاقة المنخفضة عالية الكفاءة. تعد أجهزة الاستشعار منخفضة الطاقة أكثر ملاءمة، لأنها تتطلب الحد الأدنى من مصدر الطاقة دون الحاجة إلى نظام تبريد.
الحماية والسيطرة والتوصيف
للحصول على حماية مثمرة ضد التيارات الضارة، يجب أن يكتشف مستشعر التيار الفعال التيارات بدقة كافية عند السرعات العالية، لأنه كلما كان اكتشاف الخطأ أسرع، زادت سرعة إجراءات الحماية المضادة لدوائر إلكترونيات الطاقة. علاوة على ذلك، فإن المعايرة غير الكاملة يمكن أن تعني قراءة خاطئة، مما قد يؤدي إلى تشغيل قواطع الدائرة دون داعٍ مع ما يترتب على ذلك من عواقب سلبية.
تعتمد معظم أنظمة التحكم المستخدمة في إلكترونيات الطاقة على حلقات التحكم الحالية، حيث يمكن للنظام الحفاظ على المستوى المطلوب من التيار ضد تغيرات الحمل والإمداد. ومن الأمثلة على ذلك النظام المرتبط بالشبكة الكهروضوئية الذي يتطلب أجهزة استشعار تيار دقيقة لضمان اتصال الشبكة الموثوق به والسلس.
في توصيف أجهزة الطاقة المصنوعة من السيليكون وWBG، تعد تيارات التبديل أحد القياسات المستخدمة على نطاق واسع لفئة كبيرة من التقييمات، مثل تقييم المقاومة أو تحليل التبديل العابر من خلال أجهزة اختبار النبض المزدوج. تعد المعلومات التي تم جمعها من هذه القياسات أمرًا حيويًا لتصميم محولات الطاقة وتحسينها.
الجدول 1 عبارة عن ملخص للدرجات المرمزة بالألوان (الأخضر الداكن = جيد جدًا؛ الأخضر الفاتح = جيد؛ الأصفر = مقبول؛ البرتقالي = ضعيف؛ الأحمر = سيئ جدًا) المنسوبة إلى أجهزة استشعار تيار مختلفة، بعضها مذكور في المقالة، مع فيما يتعلق بمتطلبات التكامل في محولات الطاقة.
ظهرت تحديات دمج الاستشعار الحالي في محولات WBG لأول مرة على Power Electronics News.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
