مقارنة بين محول الرنين نصف الجسر ومحول Flyback نصف الجسر

مقارنة بين محول الرنين نصف الجسر ومحول Flyback نصف الجسر

مع تطور تبديل مصادر الطاقة، تم تطوير وتطبيق تقنية التبديل الناعم على نطاق واسع، وتمت دراسة العديد من طوبولوجيا الدوائر عالية الكفاءة، بشكل رئيسي طوبولوجيا التبديل الناعمة من نوع PFM وطوبولوجيا التبديل الناعمة من نوع PWM.

في السنوات الأخيرة، مع التطبيق الواسع النطاق لجهاز أشباه الموصلات من الجيل الثالث GAN والتطوير المستمر لإمدادات الطاقة PD، أتاح هذا فرصة أخرى لتطوير محولات الطاقة. بالنسبة للمحولات نصف الجسر، إذا تم تصميمها بشكل صحيح، يمكن تحقيق تحويل التبديل الناعم، بحيث يتمتع مصدر طاقة التحويل بكفاءة أعلى ويقلل بشكل كبير من حجم مصدر الطاقة.

1 مبادئ عمل المحولين

1.1 محول ارتداد نصف الجسر

يوضح الشكل 1 والشكل 2 على التوالي مخطط الدائرة وشكل موجة العمل لمحول flyback نصف الجسر.

يتضمن الشكل 1 وحدتي MOSFET متكاملتين للطاقة (S1 وS2)، حيث تكون دورة العمل لـ S1 هي D ودورة العمل لـ S2 هي (1-D)؛ مكثف حظر التيار المستمر Cr، الذي يتم استخدام جهده كمصدر طاقة عند تشغيل S2؛ محول مركزي Tr، الذي تكون دوراته الأولية هي Np والمنعطفات الثانوية هي Ns؛ صمام ثنائي مقوم الإخراج D1 ؛ مكثف مرشح الإخراج Cout؛ وأنبوب مقوم الإخراج مقاومات امتصاص الذروة والمكثفات R1 و C1.

كما يتبين من الرسم التخطيطي، فإن الجزء الأساسي من محول flyback نصف الجسر هو نفس محول نصف الجسر غير المتماثل التقليدي (AHB)، والجزء الثانوي هو نفس محول flyback. مبدأ عمل الحالة المستقرة لمحول الطيران الخلفي نصف الجسر هو كما يلي.

1) عند تشغيل S1 وإيقاف تشغيل S2، يتعرض الجانب الأساسي للمحول لجهد أمامي، ولا يعمل الجانب الثانوي Ns؛ يتم قطع الصمام الثنائي D1. المحول يخزن الطاقة.

2) عند تشغيل S2 وإيقاف تشغيل S1، يتم تطبيق الجهد الموجود على مكثف حظر التيار المستمر Cr على الجانب الأساسي للمحول، ويعمل الجانب الثانوي Ns2، ويتم تشغيل الصمام الثنائي D1.

في الشكل 2، n1=Np/Ns، وn1=n. من خلال تحليل الدائرة، يمكن الحصول على صيغة حساب دورة التشغيل D لمحول الطيران الخلفي نصف الجسر:

يُشار عادةً إلى محول الرنين نصف الجسر باسم محول الرنين LLC. يوضح الشكلان 3 و4 مخطط الدائرة وشكل موجة التشغيل لمحول الرنين نصف الجسر على التوالي.

في الشكل 3، هناك نوعان من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة للطاقة (S1 وS2)، وكلاهما لهما دورة عمل تبلغ 0.5؛ مكثف طنين Cr، ومحول مركزي Tr مع دورات متساوية على الجانب الثانوي، ومحاثة تسرب Lk of Tr، ومحاثة مثيرة Lm. Lm هو أيضًا مغو رنان في فترة زمنية معينة. لذلك، تتكون عناصر الرنين في محول الرنين نصف الجسر بشكل أساسي من عناصر الرنين الثلاثة المذكورة أعلاه، وهي مكثف الرنين Cr، والمحث Lk، والمغو المثير Lm؛ الثنائيات المعدلة ذات الموجة الكاملة نصف الجسر D1 و D2 ومكثف الإخراج Cout.

1) 〔t1، t2〕 عندما t = t1، يتم إيقاف تشغيل S2، ويقوم تيار الرنين بتفريغ السعة الطفيلية لـ S1 حتى يصبح الجهد في S1 صفرًا، ثم يتم تشغيل الصمام الثنائي للجسم لـ S1. في هذه المرحلة، يتم تشغيل D1، ويتم تثبيت الجهد على Lm بواسطة جهد الخرج، لذلك يشارك Lk وCr فقط في الرنين.

2) 〔t2، t3〕 عندما t = t2، يتم تشغيل S1 تحت ظروف الجهد الصفري، ويتعرض الجانب الأساسي للمحول إلى جهد أمامي؛ يستمر تشغيل D1، ويتم إيقاف تشغيل S2 وD2. في هذا الوقت، يشارك Cr وLk في الرنين، بينما لا يشارك Lm في الرنين.

3)〔t3, t4〕عندما يكون t=t3، يظل S1 قيد التشغيل، بينما يكون D1 وD2 في حالة إيقاف التشغيل، ويتم فصل الجانب الثانوي من Tr عن الدائرة. في هذا الوقت، يشارك Lm وLk وCr في الرنين معًا. في الدائرة الفعلية، Lm أكبر بكثير من Lk، لذلك يمكن اعتبار أن تيار الإثارة وتيار الرنين يظلان دون تغيير في هذه المرحلة.

4) 〔t4، t5〕 عندما t = t4، يتم إيقاف تشغيل S1، ويقوم تيار الرنين بتفريغ السعة الطفيلية لـ S2 حتى يصبح الجهد في S2 صفرًا، ثم يتم تشغيل الصمام الثنائي للجسم لـ S2. في هذه المرحلة، يتم تشغيل D2، ويتم تثبيت الجهد على Lm بواسطة جهد الخرج. لذلك، يشارك Lk وCr فقط في الرنين.

5) 〔t5، t6〕 عندما t = t5، يتم تشغيل S2 تحت ظروف الجهد الصفري، ويتعرض الجانب الأساسي من Tr للجهد العكسي؛ يستمر تشغيل D2، بينما يتم إيقاف تشغيل S1 وD1. في هذا الوقت، يشارك فقط Cr وLk في الرنين، ويتم تثبيت الجهد الموجود على Lm بواسطة جهد الخرج ولا يشارك في الرنين.

6)〔t6, t7〕عندما يكون t=t6، يظل S2 قيد التشغيل، بينما يكون D1 وD2 في حالة إيقاف التشغيل، ويتم فصل الجانب الثانوي من Tr عن الدائرة. في هذا الوقت، يشارك Lm وLk وCr في الرنين معًا. في الدائرة الفعلية، Lm أكبر بكثير من Lk. لذلك، يمكن اعتبار أن تيار الإثارة وتيار الرنين يظلان دون تغيير في هذه المرحلة.

من خلال التحليل التفصيلي أعلاه، لدينا فهم معين لمبادئ العمل وخصائص هذين النوعين من محولات التبديل الناعمة. وفيما يلي مقارنة الاختلافات بينهما لتعميق فهمنا لهم.

2 مقارنة الفروق بين المحولين

على الرغم من أن محول flyback نصف الجسر ومحول الرنين نصف الجسر كلاهما محولات تبديل ناعمة، إلا أن هناك اختلافات أساسية بين الاثنين. محول flyback نصف الجسر هو من نوع PWM، في حين أن محول الرنين نصف الجسر هو PFM. لذلك، لديهم اختلافات كبيرة في طرق التحكم، وإجهاد الجهد لأنبوب المقوم الثانوي، وإجهاد التيار للجانب الأساسي. وسيتم تحليل هذه الاختلافات بالتفصيل أدناه.

2.1 مقارنة طرق التحكم

يقوم محول flyback نصف الجسر بضبط جهد الخرج عن طريق ضبط دورة التشغيل لأنبوب التبديل. عندما يكون نطاق تباين جهد الإدخال كبيرًا نسبيًا، يكون نطاق تباين دورة التشغيل لأنبوب التبديل كبيرًا نسبيًا أيضًا. من الناحية النظرية، يمكن أن تتجاوز دورة التشغيل لمحول الطيران الخلفي نصف الجسر 0.5، وبالتالي يتكيف مع نطاق جهد الإدخال الأوسع. لذلك، فإن خصائص وقت صيانة انقطاع التيار الكهربائي لمحول flyback نصف الجسر جيدة نسبيًا، ويمكن استخدامها على نطاق واسع في المناسبات ذات المتطلبات العالية نسبيًا لوقت صيانة انقطاع التيار الكهربائي.

بالمقارنة مع محول flyback نصف الجسر، يقوم محول الرنين نصف الجسر بضبط جهد الخرج عن طريق ضبط تردد التبديل، أي أن دورة العمل الخاصة به تظل دون تغيير تحت الفولتية المدخلة المختلفة. من الناحية النظرية، لن تتجاوز دورة التشغيل لمحول الرنين نصف الجسر 0.5. ولذلك، بالمقارنة مع محول flyback نصف الجسر، فإن نطاق جهد الإدخال الخاص به ضيق نسبيًا وخصائص وقت صيانة انقطاع التيار الكهربائي ضعيفة نسبيًا.

2.2 مقارنة إجهاد جهد المقوم الثانوي

من خلال تحليل مبدأ عمل محول flyback نصف الجسر، يمكن الحصول على طريقة حساب ضغط الجهد على الصمام الثنائي الثانوي كما هو موضح في الصيغة التالية:

بهذه الطريقة، عندما يتغير جهد الدخل، يمكن فهم تغير جهد الصمام الثنائي الثانوي.

يوضح الشكل 5 تغير الجهد على المقوم الثانوي عندما يكون جهد الخرج 48 فولت. عندما يكون جهد الدخل مرتفعًا نسبيًا، يكون الجهد على D1 مرتفعًا نسبيًا. لذلك، يجب أن يستخدم D1 صمامًا ثنائيًا ذو معدل جهد تحمل مرتفع نسبيًا، مما سيؤدي إلى زيادة فقدان الدائرة وتكلفة المواد.

في ظل نفس الظروف، يكون ضغط الجهد على الصمام الثنائي الثانوي في محول الرنين نصف الجسر أصغر بكثير من ذلك في محول flyback نصف الجسر، لأن ضغط الجهد على الصمام الثنائي الثانوي في محول الرنين نصف الجسر هو ضعف جهد الخرج. لذلك، يمكن اختيار صمام ثنائي ذو جهد تحمل منخفض نسبيًا في محول الرنين نصف الجسر، وبالتالي تحسين كفاءة الدائرة وتقليل تكلفة المواد.

2.3 مقارنة تشغيل الصمام الثنائي الثانوي

من تحليل محول flyback نصف الجسر، يمكن ملاحظة أن الصمام الثنائي الثانوي الخاص به صعب التشغيل، والخسارة كبيرة نسبيًا؛ بينما من تحليل محول الرنين نصف الجسر، يمكن ملاحظة أن الصمام الثنائي الثانوي الخاص به هو مفتاح تيار صفري، والخسارة صغيرة نسبيًا، مما يمكن أن يحسن كفاءة المحول. لذلك، من الناحية النظرية، فإن الكفاءة الإجمالية لمحول flyback نصف الجسر أسوأ قليلاً من كفاءة محول الرنين نصف الجسر (ولكنه لا يزال أفضل بكثير من المحولات الأخرى).

2.4 جوانب أخرى

أولاً، في محول flyback نصف الجسر، تكون دورات العمل للمفاتيح العلوية والسفلية متكاملة، وبالتالي فإن المحول في محول flyback نصف الجسر لديه ظاهرة تحيز DC؛ بينما في محول الرنين نصف الجسر، تكون دورات التشغيل للمفاتيح العلوية والسفلية متساوية، وبالتالي فإن المحول في محول الرنين نصف الجسر ليس لديه ظاهرة تحيز التيار المستمر.

ثانيًا، يقوم محول الرنين نصف الجسر بضبط جهد الخرج عن طريق ضبط تردد التشغيل لأنبوب التبديل، لذلك بالنسبة لمحول الرنين نصف الجسر، يكون تحقيق التحكم في التصحيح المتزامن أكثر تعقيدًا؛ بينما يقوم محول flyback نصف الجسر بضبط جهد الخرج عن طريق ضبط دورة التشغيل لأنبوب التبديل، لذلك بالنسبة لمحول flyback نصف الجسر، من السهل نسبيًا تحقيق التحكم في التصحيح المتزامن.

2.5 الإجهاد الحالي

من خلال تحليل محول الرنين نصف الجسر، يمكن ملاحظة أن إجهاده الحالي مرتفع نسبيًا وأن تموج تيار الإخراج كبير نسبيًا؛ بينما في محول flyback نصف الجسر، يكون الضغط الحالي منخفضًا نسبيًا ويكون تموج تيار الإخراج صغيرًا نسبيًا.

2.6 نطاق الجهد الناتج

من خلال تحليل مبدأ التحكم في محول flyback نصف الجسر، يمكن ملاحظة أن نطاق جهد الخرج لمحول flyback نصف الجسر أوسع، في حين أن نطاق جهد الخرج لمحول الرنين نصف الجسر ضيق جدًا. لذلك، في مجال إمداد الطاقة PD مع جهد خرج متعدد، يكون محول flyback نصف الجسر أكثر ملاءمة، ويمكن حذف محول DC/DC.

3 الاستنتاج

من خلال التحليل والبحث لمحول flyback نصف الجسر ومحول الرنين نصف الجسر، ومقارنة طرق التحكم الخاصة بهما، وضغط جهد المقوم الثانوي والفتح الثانوي، يمكن معرفة أن محول الرنين نصف الجسر أكثر ملاءمة لمتطلبات التطوير لإمدادات الطاقة لتحقيق كفاءة عالية؛ في حين أن محول flyback نصف الجسر أكثر ملاءمة لمجال إمداد الطاقة PD.