كيف يمكن تحسين كفاءة محولات الطاقة؟

كفاءة العاكس الكهربائي مرتبطة مباشرة بالطاقة المولدة من النظام، لذا فهي مؤشر مهم يهتم به العملاء كثيرًا. من الأهمية بمكان زيادة كفاءة تحويل العاكس الكهربائي.

الطريقة الوحيدة لتحسين كفاءة محولات الطاقة هي تقليل الفقد. تأتي الخسائر الرئيسية في المحولات من IGBT و MOSFET وغيرها من أنابيب التبديل الكهربائية، بالإضافة إلى الأجهزة المغناطيسية مثل المحولات والمحاثات، والتي تتعلق بالتيار والجهد والعملية المعتمدة من قبل المواد المختارة.

خسارة IGBT

يمكن تقسيمها إلى خسارة التوصيل وخسارة التبديل. من بينها، تتعلق خسارة التوصيل بالمقاومة الداخلية والتيار المار عبر المكونات، بينما تتعلق خسارة التبديل بتردد التبديل للمكونات والجهد المستمر الذي تتحمله المكونات.

فقدان المحاثة

يمكن تقسيمها إلى خسارة نحاسية وخسارة حديدية. من بينها، تشير الخسارة النحاسية إلى الخسارة الناتجة عن مقاومة ملف الحث. عندما يتم تسخين التيار عند مروره عبر مقاومة ملف الحث، يتم تحويل جزء من الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وتفقد، ونظرًا لأن الملف عادة ما يكون مغطى بسلك نحاسي معزول، يُطلق عليه أيضًا اسم الخسارة النحاسية، والتي يمكن حسابها عن طريق قياس مقاومة الدائرة القصيرة للمحولات. تشمل الخسارة الحديدية جانبين: خسارة الترددي وخسارة التيار الدوامي، والتي يمكن حسابها عن طريق قياس تيار عدم التحميل للمحولات.

تقنيات لتحسين كفاءة العاكسات

في الوقت الحالي، هناك ثلاث طرق تقنية لتحسين كفاءة محولات الطاقة.

• أولاً، يتم استخدام تعديل عرض نبضة متجه الفضاء وطرق التحكم الأخرى لتقليل الفقد.
• ثانياً، تُستخدم مكونات مواد كربيد السيليكون لتقليل المقاومة الداخلية لأجهزة الطاقة.
• ثالثًا، يتم اعتماد تكنولوجيا التوصيل الكهربائي ثلاثي المستويات، وخمسة مستويات، ومتعددة المستويات، وتكنولوجيا التبديل الناعم لتقليل الجهد عند طرفي أجهزة الطاقة وترددات التبديل لأجهزة الطاقة.

1. تعديل عرض نبضة متجه الفضاء (SVPWM)

SVPWM هي طريقة تحكم رقمية بالكامل تتمتع بمزايا عالية في استخدام جهد التيار المستمر وسهولة التحكم، وقد تم استخدامها على نطاق واسع في محولات الطاقة. مع الاستخدام العالي لجهد التيار المستمر، يمكن استخدام جهد حافلة تيار مستمر أقل تحت نفس جهد الخرج، مما يقلل من إجهاد الجهد على أجهزة التبديل الكهربائية، ويقلل من خسائر التبديل على الأجهزة ويحسن كفاءة التحويل لمحولات الطاقة إلى حد ما. في تركيب المتجهات الفضائية، هناك العديد من تركيبات تسلسل المتجهات. من خلال تركيبات وترتيبات مختلفة، يمكن تحقيق تأثير تقليل أوقات التبديل لأجهزة الطاقة، مما يمكن أن يقلل بشكل أكبر من خسائر التبديل لأجهزة الطاقة في محولات الطاقة.

2. اعتماد مكونات مصنوعة من مادة كربيد السيليكون

مقاومة الوحدة لكل مساحة من أجهزة كربيد السيليكون لا تتجاوز واحد في المئة من تلك الخاصة بأجهزة السيليكون، ويمكن لجهاز IGBT (ترانزستور ثنائي القطب مع بوابة معزولة) وأجهزة الطاقة الأخرى المصنوعة من كربيد السيليكون تقليل مقاومة الحالة المشغلة إلى عُشر مقاومة أجهزة السيليكون التقليدية. نظرًا لأن تقنية كربيد السيليكون يمكن أن تقلل بشكل فعال من تيار الاسترداد العكسي للديودات، يمكن أيضًا تقليل خسائر التبديل لأجهزة الطاقة والسعة الحالية المطلوبة للمفتاح الرئيسي. لذلك، فإن الديود المتوازي المضاد مع ديود كربيد السيليكون كمفتاح رئيسي هو الطريقة لتحسين كفاءة محولات الطاقة. مقارنةً بالديود المتوازي المضاد التقليدي سريع الاسترداد، يمكن للديود المتوازي المضاد المصنوع من كربيد السيليكون تقليل تيار الاسترداد العكسي بشكل كبير وتحسين الكفاءة الإجمالية للتحويل بنسبة 1%. بعد استخدام IGBT سريع، يمكن تحسين كفاءة التحويل للآلة بالكامل بنسبة 2% بسبب تسريع سرعة التبديل. عندما يتم دمج ديود كربيد السيليكون المتوازي المضاد مع IGBT سريع، ستتحسن كفاءة محولات الطاقة بشكل أكبر.

3. تقنية التحويل الناعم والتقنية متعددة المستويات

بموجب مبدأ الرنين، يمكن لتقنية التبديل الناعم أن تجعل التيار أو الجهد في أجهزة التبديل يتغير وفقًا لقانون جيب التمام أو شبه جيب التمام. عندما يمر التيار عبر الصفر بشكل طبيعي، يتم إيقاف تشغيل الجهاز، وعندما يمر الجهد عبر الصفر بشكل طبيعي، يتم تشغيل الجهاز، مما يقلل من خسائر التبديل ويحل مشاكل الفصل الحثي وفتح السعة. علاوة على ذلك، لا توجد خسائر تبديل في المفتاح عندما يكون الجهد عند طرفي المفتاح أو التيار المتدفق عبر المفتاح صفرًا، يتم تشغيل المفتاح أو إيقاف تشغيله. تُستخدم المحولات ثلاثية المستويات بشكل رئيسي في سيناريوهات الجهد العالي والقدرة العالية، مما يزيد من الناتج الصفري ويقلل من إجهاد الجهد لأجهزة الطاقة بمقدار النصف مقارنة بالهيكل التقليدي ثنائي المستويات. لهذا السبب، يمكن أن تعتمد المحولات ثلاثية المستويات على حث فلتر ناتج أصغر من المحولات ثنائية المستويات تحت نفس تردد التبديل، مما يمكن أن يقلل بشكل فعال من خسائر الحث والتكلفة والحجم. في الوقت نفسه، يمكن أن تعتمد المحولات ثلاثية المستويات على تردد تبديل أقل، وخسائر تبديل أقل وكفاءة تحويل أعلى من المحولات ثنائية المستويات تحت نفس محتوى التوافقي الناتج.