انتقل إلى المحتوى

توبولوجيا مصدر الطاقة - تنظيم الجهد بواسطة التبديل (معزول)

في توبولوجيا تنظيم الجهد بواسطة التبديل المعزولة، يتم نقل الطاقة عن طريق عناصر المجال المترابطة (المحول) المتبادلة، حيث يتم توصيل القطب المصدر والحمل فقط عن طريق الترابط المغناطيسي، مما يؤدي إلى فصل كهربائي بين المدخل والمخرج.

هيكلية توبولوجيا DC-DC المعزولة

بالنسبة لمحولات DC-DC المعزولة، هناك ثلاثة أنواع شائعة من التوبولوجيا المستخدمة وهي التوبولوجيا العكسية (Flyback) والتوبولوجيا الإيجابية (Forward) والتوبولوجيا الدافعة (Push-pull).

في هذه المحولات المعزولة، يتم نقل الطاقة من المدخل إلى المخرج عن طريق المحول. يتم نقل الطاقة عن طريق عناصر المجال المترابطة (المحول) المتبادلة، حيث يتم توصيل القطب المصدر والحمل فقط عن طريق الترابط المغناطيسي، مما يؤدي إلى فصل كهربائي بين المدخل والمخرج. مثل التحويلات غير المعزولة، يتم تحقيق عملية التنظيم عن طريق تحكم وحدة PWM في جهاز ردود الفعل.

التوبولوجيا العكسية (Flyback)

يمكن للمحول العكسي (Flyback) تحويل جهد المدخل العالي إلى جهد مستقر أقل. عند إغلاق المفتاح \(S_1\) ، يتم تخزين الطاقة في لب المحول ، وعند فتح المفتاح \(S_1\) ، يتم نقل الطاقة إلى الجانب الثانوي. يتم توضيح الهيكلية كما يلي:

ملاحظة: المفتاح \(S_1\) في الصورة هو في الواقع مفتاح إلكتروني (مثل مفتاح MOSFET) ، ولكن لسهولة الفهم ، تم تبسيطه إلى مفتاح عادي.

المبدأ الأساسي:

  1. إغلاق المفتاح \(S_1\) (الخط الأزرق المتصل)
    • في هذا الوقت ، يتم تشكيل حلقة في لفة المبدئ الأولي للمحول \(T_1\) ، ويتزايد تيار اللفة الأولية \(I_{S1}\) الذي يمر عبر لفة اللفة الأولية \(L_P\) بمعدل \(\frac{V_{in}}{L_P}\) ، وفي هذا الوقت لا يوجد تيار يمر عبر لفة اللفة الثانوية \(L_S\) إلى الحمل ، ويتم توفير تيار الحمل من خلال المكثف \(C_1\).
    • الطاقة المدخلة للمحول في هذا الوقت هي: \(\frac{V_{in}*t_{on}}{N}\) (حيث N هو نسبة اللفات)
  2. فتح المفتاح \(S_1\) (الخط الأخضر المتقطع)
    • في هذا الوقت ، نتيجة لانهيار المجال المغناطيسي في المحول \(T_1\) ، يتعكس الجهد في لفة المبدئ الأولي والثانوية ، ويتم نقل الطاقة المخزنة في لفة المبدئ الأولي إلى لفة المبدئ الثانوية ، وأثناء عملية النقل ، يرتفع الجهد في لفة المبدئ الثانوية بسرعة ويصاحبه تيار نبضي ينخفض بمعدل \(\frac{V_{out}}{L_S}\) ويوفر الطاقة للحمل ويشحن المكثف \(C_1\) ، ويعمل الثنائي \(D_1\) كمقوم هنا.
    • الطاقة المخرجة للمحول في هذا الوقت هي: \(V_{out}*t_{off}\)

نظرًا لأن نقل الطاقة في المحول يحترم قانون الحفاظ على الطاقة ، يمكن الحصول على العلاقة التالية:

\[ V_{out}=\frac{1}{N}\cdot\frac{δ}{1-δ} \cdot V_{in} \]

منحنى الموجات في النقاط المختلفة:

يمكن ملاحظة أن الصيغة المستخدمة في تحويل Flyback تختلف عن الصيغة المستخدمة في تحويل Buck-Boost بمعامل 1/N فقط. يتميز Flyback بأنه يمكن زيادة الجهد المخرج بشكل كبير عند نسبة العمل صغيرة جدًا ، لذلك فهو مناسب جدًا لمصادر الطاقة ذات الجهد العالي المخرج. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إضافة عدة لفات ثانوية لتحقيق عدة مخارج مختلفة ، ويمكن أن تكون الأقطاب متباينة ، مما يجعلها مناسبة للتصميم ذي التكلفة المنخفض.

يعتبر Flyback عيبًا أنه يجب اختيار لب محول الفجوة المغناطيسية بعناية ، ولا ينبغي أن يدخل في حالة التشبع ، لأنه إذا كانت ظاهرة التشبع شديدة ، فسيؤدي ذلك إلى تقليل كفاءة المحول بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك ، فإن فقدان التيار الدوامي في اللفات هو أيضًا مشكلة بسبب تيار الذروة العالي. هذين المشكلتين تحددان نطاق التردد الفعلي الذي يمكن للمحول العمل فيه. أخيرًا ، عندما يتم فتح S1 في اللحظة الأولى ، ستظهر ذروة حسية كبيرة على لفة المبدئ الأولي ، وهذا سيضع ضغطًا كبيرًا على مفتاح MOSFET.

التوبولوجيا الإيجابية (Forward)

يمكن للتوبولوجيا الإيجابية Forward توليد جهد مستقر باستخدام وظيفة النسبة بين اللفات. يتم توضيح الهيكلية كما يلي:

المبدأ الأساسي:

  1. عند إغلاق المفتاح \(S_1\) (الخط الأزرق المتصل)،

    • يتكون حلقة في لفة المبدأ الأولي للمحول \(T_1\) ، ويزداد تيار اللفة الأولية \(I_{S1}\) الذي يمر عبر لفة الاستجابة الكهربائية \(L_P\) بمعدل \(\frac{V_{in}}{L_P}\) . نظرًا لأن اللفة الأولية واللفة الثانوية متصلتان ببعضهما البعض ، فإن زيادة التيار في اللفة الأولية ستؤدي إلى توليد تيار استجابة في اللفة الثانوية ، ويكون الجهد المستجيب على طرفي اللفة الثانوية هو \(\frac{V_{in}}{N}\) . يزداد التيار في اللفة الثانوية بمعدل \(\frac{V_{in}}{L_1 N}\) ، ويتم توصيله بالمقوم الثنائي \(D_1\) والاستجابة الكهربائية \(L_1\) ، ويتم توفير الطاقة النهائية للحمل \(R_L\) والتكثيف الناتج \(C_1\).
    • في هذا الوقت ، يكون الطاقة المستهلكة من المحول هي: \((\frac{V_{in}}{N}-V_{out})\cdot t_{on}\) (حيث N هو نسبة اللفات).

  2. عند فتح المفتاح \(S_1\) (الخط الأخضر المنقط)،

    • عندما يرتفع الجهد عبر طرفي التكثيف \(C_1\) إلى الحد الأعلى المحدد ، سيتم إنشاء إشارة راجعة "إيقاف" (عادةً ما يتم تنفيذها بواسطة جهاز مقوم ضوئي) تجعل المفتاح \(S_1\) يفتح ويقطع تيار الطاقة المصدر. في هذا الوقت ، يحافظ لفة الإعادة والمقوم الثنائي \(D_3\) معًا على المجال المغناطيسي في المحول (ولكنه سيؤدي أيضًا إلى انخفاض التيار بمعدل \(\frac{V_{in}}{L_P}\)). ستظهر جهد طرفي اللفة الثانوية عكس القطبية ، وسينخفض التيار العكسي بمعدل \(\frac{V_{out}}{L_1}\) ، ومن خلال المقوم الثنائي المتواصل \(D_2\) والاستجابة الكهربائية \(L_1\) ، يتم توفير الطاقة للحمل \(R_L\) والتكثيف الناتج \(C_1\). عندما ينخفض الجهد عبر طرفي التكثيف \(C_1\) إلى الحد الأدنى المحدد ، ستنشأ إشارة راجعة "تشغيل" تجعل \(S_1\) يغلق مرة أخرى وتبدأ دورة جديدة.
    • في هذا الوقت ، يكون الطاقة المستخرجة من المحول هي: \(V_{out}\cdot t_{off}\).

وفقًا لقانون الحفاظ على نقل الطاقة في المحول (أي قانون الحفاظ على الطاقة) ، يمكننا الحصول على التالي: \((\frac{V_{in}}{N}-V_{out})*t_{on}=V_{out}\cdot t_{off}\) ، ومن ذلك نحصل على:

\[ V_{out}=\frac{δ}{N} \cdot V_{in} \]

منحنيات الموجة في النقاط المختلفة:

الفرق بين Forward و Flyback هو أن Forward ينقل الطاقة بشكل مستمر من اللفة الأولية إلى اللفة الثانوية دون الحاجة إلى تخزين الطاقة في فجوة النواة المغناطيسية للمحول. وبالتالي ، لم يعد هناك حاجة لوجود فجوة في النواة المغناطيسية ، وبالتالي لا يتسبب في فقدان الطاقة وإشعاع EMI. نظرًا لأن فقدان المغناطيسية للمواد الحديدية لم يعد مشكلة خطيرة في Forward ، يمكن أن يكون للملف الكهربائي ملف كبير ، ويمكن بالتالي تقليل التيار الذروي ، مما يقلل بدوره من الخسائر في الملف الكهربائي والمقوم الثنائي ، ويقلل أيضًا من تيار التموج في المدخل والمخرج.

لذلك ، في نفس الطاقة الناتجة ، يكون Forward أكثر كفاءة من Flyback ، ولكن العيب هو أن التكلفة مرتفعة نسبيًا ، ويتطلب وجود حمل أدنى للحفاظ على عدم دخول وضع غير مستمر ، لأن طريقة نقل الطاقة في وضع غير مستمر تختلف تمامًا.

نظام القفل النشط Active Clamp

🚧

نظام الدفع والجذب Push-Pull

🚧

المراجع والشكر

تمت ترجمة هذه المشاركة باستخدام ChatGPT، يرجى تزويدنا بتعليقاتكم إذا كانت هناك أي حذف أو إهمال.