كفاءة محول الطاقة مرتبطة مباشرة بالطاقة المولدة من النظام، لذا فهي مؤشر مهم يهتم به العملاء كثيرًا. من الأهمية بمكان زيادة كفاءة تحويل محول الطاقة.
الطريقة الوحيدة لتحسين كفاءة محولات الطاقة هي تقليل الخسائر. تأتي الخسائر الرئيسية في المحولات من IGBT، MOSFET وأنابيب التبديل الكهربائية الأخرى، بالإضافة إلى الأجهزة المغناطيسية مثل المحولات والمحاثات، والتي ترتبط بالتيار، الجهد والعملية التي تعتمد على المواد المختارة.
| المكون | النوع | العوامل | الإجراءات |
| IGBT | خسارة التبديل (ديناميكية) | تردد التبديل، جهد التيار المستمر | مستوى متعدد، استراتيجية التحكم |
| خسارة التوصيل (ثابتة) | التيار، مقاومة المكون الداخلية | التبديل الناعم، مكون جديد | |
| المحاثة | خسارة الحديد (خسارة بدون حمل) | السعة، المقاومة المغناطيسية | تحسين تردد التبديل والمواد الموصلة مغناطيسيًا |
| خسارة النحاس (خسارة الحمل) | التيار، المقاومة الداخلية | مواد موصلة جيدة |
خسارة IGBT
يمكن تقسيمها إلى خسارة التوصيل وخسارة التبديل. خسارة التوصيل مرتبطة بالمقاومة الداخلية والتيار المار عبر المكونات، بينما خسارة التبديل مرتبطة بتردد تبديل المكونات وجهد التيار المستمر الذي تتحمله المكونات.
خسارة المحاثة
يمكن تقسيمها إلى خسارة النحاس وخسارة الحديد. خسارة النحاس تشير إلى الخسارة الناتجة عن مقاومة لفائف المحاثة. عندما يسخن التيار أثناء مروره عبر مقاومة لفائف المحاثة، يتحول جزء من الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية ويفقد، وبما أن اللفائف عادة ما تكون ملفوفة بأسلاك نحاسية معزولة، فإنها تسمى أيضًا خسارة النحاس، والتي يمكن حسابها بقياس مقاومة الدائرة القصيرة للمحولات. خسارة الحديد تشمل جانبين: خسارة التهيج وخسارة التيار الدوامي، والتي يمكن حسابها بقياس التيار بدون حمل للمحولات.
تقنيات تحسين كفاءة المحولات
حاليًا، هناك ثلاث طرق تقنية لتحسين كفاءة محولات الطاقة.
- أولاً، استخدام تعديل عرض النبضة المتجهة الفضائية وغيرها من طرق التحكم لتقليل الخسائر.
- ثانيًا، استخدام مكونات مصنوعة من مواد كربيد السيليكون لتقليل المقاومة الداخلية لأجهزة الطاقة.
- ثالثًا، اعتماد تقنيات التوبولوجيا الكهربائية متعددة المستويات مثل ثلاث مستويات وخمس مستويات، وتقنية التبديل الناعم لتقليل الجهد عند طرفي أجهزة الطاقة وترددات التبديل.
1. تعديل عرض النبضة المتجهة الفضائية (SVPWM)
SVPWM هي طريقة تحكم رقمية بالكامل تتميز بارتفاع معدل استخدام جهد التيار المستمر وسهولة التحكم، وقد تم استخدامها على نطاق واسع في محولات الطاقة. مع الاستخدام العالي لجهد التيار المستمر، يمكن استخدام جهد ناقل التيار المستمر أقل تحت نفس جهد الخرج، مما يقلل من إجهاد الجهد على أجهزة التبديل الكهربائية، ويقلل من خسائر التبديل على الأجهزة ويحسن كفاءة تحويل محولات الطاقة إلى حد معين. في تركيب المتجه الفضائي، هناك العديد من تراكيب تسلسل المتجهات. من خلال تراكيب وترتيبات مختلفة، يمكن تحقيق تقليل عدد مرات التبديل لأجهزة الطاقة، مما يقلل بشكل أكبر من خسائر التبديل لأجهزة محولات الطاقة.
2. استخدام مكونات مصنوعة من مادة كربيد السيليكون
الممانعة لكل وحدة مساحة لأجهزة كربيد السيليكون هي فقط واحد بالمئة من تلك الخاصة بأجهزة السيليكون، ويمكن لأجهزة IGBT (ترانزستور بوابة معزولة ثنائي القطب) وغيرها من أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون تقليل ممانعة التشغيل إلى عُشر أجهزة السيليكون التقليدية. نظرًا لأن تقنية كربيد السيليكون يمكنها تقليل تيار الاسترداد العكسي للديودات بفعالية، يمكن أيضًا تقليل خسائر التبديل لأجهزة الطاقة والتيار المطلوب للمفتاح الرئيسي. لذلك، الديود الموازي العكسي المصنوع من كربيد السيليكون كمفتاح رئيسي هو الطريقة لتحسين كفاءة محولات الطاقة. مقارنةً بالديود الموازي العكسي التقليدي سريع الاسترداد، يمكن للديود المصنوع من كربيد السيليكون تقليل تيار الاسترداد العكسي بشكل كبير وتحسين الكفاءة الإجمالية للتحويل بنسبة 1%. بعد استخدام IGBT السريع، يمكن تحسين كفاءة التحويل للجهاز بالكامل بنسبة 2% بسبب تسريع سرعة التبديل. عند دمج ديود كربيد السيليكون الموازي العكسي مع IGBT السريع، ستتحسن كفاءة محولات الطاقة بشكل أكبر.
3. التبديل الناعم وتقنية المستويات المتعددة
وفقًا لمبدأ الرنين، يمكن لتقنية التبديل الناعم جعل التيار أو الجهد في أجهزة التبديل يتغير وفقًا لقانون جيبي أو شبه جيبي. عندما يعبر التيار الصفر بشكل طبيعي، يتم إيقاف تشغيل الجهاز، وعندما يعبر الجهد الصفر بشكل طبيعي، يتم تشغيل الجهاز، مما يقلل من خسائر التبديل ويحل مشاكل فصل الحث وفتح السعة. علاوة على ذلك، لا توجد خسائر تبديل في المفتاح عندما يكون الجهد عند طرفي المفتاح أو التيار المار عبر المفتاح صفرًا، ويتم تشغيل أو إيقاف المفتاح. تُستخدم محولات الطاقة ذات الثلاث مستويات بشكل رئيسي في السيناريوهات ذات الجهد العالي والطاقة العالية، مما يزيد من خرج المستوى الصفري ويقلل من إجهاد الجهد على أجهزة الطاقة إلى النصف مقارنة بالهيكل التقليدي ذي المستويين. لهذا السبب، يمكن للمحولات ذات الثلاث مستويات استخدام محاثة فلتر خرج أصغر من محولات المستويين تحت نفس تردد التبديل، مما يقلل بشكل فعال من خسائر المحاثة والتكلفة والحجم. في الوقت نفسه، يمكن لمحولات الطاقة ذات الثلاث مستويات استخدام تردد تبديل أقل، وخسائر تبديل أقل، وكفاءة تحويل أعلى مقارنة بمحولات المستويين تحت نفس محتوى التوافقيات في الخرج.
