يمكن لتقنية تبديل الجهد الصفري (ZVS) / تحويل التيار الصفري (ZCS)، والمعروفة أيضًا باسم تقنية التبديل الناعم، تحسين كفاءة مصادر الطاقة ذات التبديل الناعم منخفضة الطاقة بنسبة تصل إلى 80% إلى 85%. في السبعينيات من القرن العشرين، وضعت مصادر الطاقة ذات التبديل الرنان الأساس لتكنولوجيا التبديل الناعم.

 
مقدمة أساسية

تعمل مصادر الطاقة في وضع تبديل PWM في وضع التبديل الصعب، حيث يتداخل الجهد الكهربي وأشكال الموجات الحالية أثناء عملية التشغيل/الإيقاف، مما يؤدي إلى خسائر كبيرة في التبديل. على الرغم من أن التشغيل عالي التردد يمكن أن يقلل الحجم والوزن، إلا أن خسائر التبديل تزداد. لذلك، من الضروري دراسة التقنيات التي لا تتداخل فيها أشكال موجة الجهد/التيار أثناء التبديل، وهو ما يسمى بتقنية ZVS/ZCS أو تقنية التبديل الناعم. يمكن تحسين كفاءة مصادر الطاقة ذات التبديل الناعم منخفضة الطاقة إلى 80% إلى 85%. وضعت مصادر تحويل الطاقة الرنانة في السبعينيات الأساس لتكنولوجيا التبديل الناعم. منذ ذلك الحين، ظهرت تقنيات التبديل الناعمة الجديدة، مثل شبه الرنانة (في منتصف الثمانينات)، وZVS-PWM ذات الجسر الكامل، وZVS-PWM/ZCS-PWM ذات التردد الثابت (في أواخر الثمانينات). ، المشبك النشط ZVS-PWM، ZVT-PWM/ZCT-PWM (في أوائل التسعينيات)، ZV-ZCS-PWM ذات الجسر الكامل (في منتصف التسعينيات)، وما إلى ذلك. وقد طبقت الصين بالفعل أحدث التقنيات الناعمة تحويل التكنولوجيا إلى مصادر طاقة اتصالات بقدرة 1970 كيلو وات بكفاءة تصل إلى 1980%.

 
تطبيق التكنولوجيا

 
عادةً ما يكون الحجم والكفاءة هما المتطلبات الأساسية لمنظم الجهد. ونظرًا لأهمية مساحة لوحة الدوائر المطبوعة، لا يرغب أي مصمم في تخصيص مساحة إضافية لحل تصميم الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، ومع استمرار تطور المتحكمات الدقيقة ومعالجات الإشارات الرقمية (DSPs)، تستمر حلول تصميم لوحات الدوائر في التطور. ورغم زيادة الطاقة، لا يمكن زيادة حجم المنتج. لذلك، طُوّرت منظمات عالية الكثافة مع تحسين أحدث تقنيات تكامل الدوائر المتكاملة (IC) وتكنولوجيا MOSFET وعمليات التغليف. ومع ذلك، لا تزال هذه المنظمات غير قادرة على تلبية متطلبات تطبيقات الأنظمة الجديدة، خاصةً مع استمرار تزايد كثافة الطاقة داخل النظام. والسبب الرئيسي هو أن خسائر التبديل تعيق الأداء الداخلي لـ MOSFET الخاص بالمنظم. وإذا لم تُحل مشاكل الخسائر هذه جذريًا، فلن يُتوقع سوى تحسينات طفيفة في الأداء.

 
أسباب الاختيار

الأسباب الرئيسية لخسائر التبديل هي: أولاً، التبديل الصارم. حاليًا، تعاني معظم طوبولوجيات منظمات الجهد غير المعزولة من خسائر تبديل عالية. والسبب هو أنه خلال فترة التشغيل/الإيقاف، يتحمل ترانزستور MOSFET جهدًا عاليًا وجهدًا عاليًا في آنٍ واحد. مع زيادة تردد التبديل وجهد الدخل، تزداد هذه الخسائر أيضًا، مما يحد من أقصى تردد تشغيل وكفاءة وكثافة طاقة يمكن تحقيقها. ثانيًا، خسائر تشغيل البوابة. نظرًا لاستهلاك شحنة ميلر في دائرة تشغيل البوابة العالي للطاقة، فإن خسائر تشغيل البوابة في طوبولوجيا التبديل الصارم تكون عالية أيضًا. ثالثًا، توصيل الصمام الثنائي للجسم. عند تشغيل وإيقاف ترانزستور MOSFET ذي الجانب العالي، يتدفق تيار نابض عالي عبر الصمام الثنائي للجسم في ترانزستور MOSFET ذي الجانب المنخفض. كلما طال زمن توصيل الترانزستور، زاد فقدان الاسترداد العكسي وفقدان توصيل الترانزستور. يمكن أن يتسبب توصيل الترانزستور أيضًا في تجاوز حد الجهد التدميري والرنين. كما أن خسائر التبديل تحد من تردد تبديل المنظم. كلما ارتفع تردد التبديل، طالت مدة تبديل MOSFET، وزادت الخسائر. إذا لم يتمكن المفتاح من التبديل بتردد عالٍ، فسيقل استخدام المكونات السلبية الأصغر (المقاومات والمكثفات والمحاثات)، مما يؤثر على كثافة المنظم. يأمل العديد من مصممي الإلكترونيات استخدام ZVS عند نقطة التحميل.

استجابة لهذه المشكلات، قدمت Picor منصة تنظيم الجهد عالية الأداء ومتكاملة للغاية وسهلة التبديل والتي يمكن أن تعمل بترددات عالية، مما يقلل بشكل كبير من خسائر التبديل ويحسن الكفاءة.

I. خلفية تطبيق ZVS

يشير تحويل الجهد الصفري (ZVS) إلى أنه عندما يتم إيقاف تشغيل أنبوب التبديل، يكون الجهد عند طرفي أنبوب التبديل بالفعل 0. وبهذه الطريقة، يمكن تقليل فقدان التبديل لأنبوب التبديل. إن مصادر الطاقة الرنانة التي نستخدمها عادةً، مثل مواقد الحث وإمدادات الطاقة ذات المسؤولية المحدودة، كلها مصادر طاقة رنينية. أجهزة الشحن العادية هي عبارة عن مصادر طاقة ذات تبديل قوي، والتي لديها خسائر أعلى من مصادر الطاقة الرنانة هذه. لذلك، يمكن لـ ZVS تحقيق كفاءة عالية جدًا. على سبيل المثال، في الطباخ التعريفي، عندما نضبط الطاقة على مستوى عالٍ نسبيًا، فسوف يستمر في التسخين؛ عندما يتم ضبط الطاقة إلى مستوى أقل، فإنها تبدأ في التسخين بشكل متقطع لأنها لا تستطيع الوصول إلى حالة الرنين. تتأرجح مصادر الطاقة شديدة التبديل، مثل أجهزة الشحن العادية لدينا، باستمرار بغض النظر عما إذا كانت محملة أو فارغة. ومع ذلك، فإن ZVS له عيب واحد، وهو أن نطاق ضبطه ضيق بشكل عام.

 
ثانيا. مبادئ تبديل الجهد الصفري (ZVS)

الشكل 2-1 مخطط مبدأ تبديل الجهد الصفري (مصدر طاقة التيار المستمر)

الشكل 2-2 شكل موجة تبديل الجهد الصفري وشكل موجة عند t2

عند توصيل الطاقة، يكون التيار المار عبر L1 صفرًا. يُشغّل مصدر الطاقة الترانزستورين Q1 وQ2 عبر R1 وR2، ويزداد التيار المار عبر L1 تدريجيًا. نظرًا لاختلاف خصائص ترانزستوري التبديل، سيختلف التيار المار عبر Q1 وQ2. بافتراض أن التيار المار عبر Q1 أكبر من Q2، سيكون جهد بوابة Q1 أعلى من جهد Q2. عبر الثنائيين D1 وD2، سيكون الجهد عند النقطة "a" أقل منه عند النقطة "c"، مما ينتج عنه جهد مستحثّ يكون فيه "b" موجبًا و"a" سالبًا. يُشكّل هذا تغذية راجعة موجبة عبر T1، مما يؤدي إلى تشغيل Q1 وإيقاف تشغيل Q2، مُكملًا بذلك عملية بدء التشغيل.

(الفترة الزمنية t0~t1) في حالة الاستقرار عندما يكون Q1 موصلاً، كان تيار الفترة السابقة المار عبر T1 من 'a' إلى 'c'، وكان الجهد عبر C1 صفراً. ولأن التيار لا يتغير فجأة، فإن التيار المار عبر T1 يشحن C1، مما يؤدي تدريجياً إلى جهد عبر C1، بحيث يكون 'a' سالباً و'c' موجباً، مشكلاً شكل موجة جيبية متنامية. في هذه اللحظة، ينخفض ​​الجهد 'a' إلى 0 فولت بواسطة Q1، مما يؤدي إلى زيادة الجهد عند النقطة 'c' جيبية. يُثبّت جهد بوابة Q1 بواسطة الصمام الثنائي المرجعي للجهد D3، مما يحافظ على توصيل Q1 بشكل متزامن.

 
الشكل 2-3 (t0~t1) Q1 التوصيل، T1 الشحن C1

3. (الفاصل الزمني t1~t2) يبدأ C1 بالتفريغ خلال T1 من النقطة 'c' إلى النقطة 'a'، مما يتسبب في انخفاض الجهد عبر C1، أي الجهد عند النقطة 'c'، بشكل جيبي. وفي الوقت نفسه، يزداد التيار خلال T1 بشكل جيبي من النقطة 'c' إلى النقطة 'a'.

الشكل 2-4 (t1~t2) تفريغ الملف C1 إلى T1، عندما يكون الجهد عبر C1 حوالي 0، يتم إيقاف تشغيل Q1 وتشغيل Q2.

4. (الفاصل الزمني t2) عندما يتم تفريغ C1 تقريبًا، ينخفض ​​الجهد عند النقطة "c" إلى ما يقرب من جهد عتبة ترانزستور MOS، مما يتسبب في دخول Q1 إلى منطقة التضخيم من خلال D2. في هذا الوقت، يصل تيار التفريغ لـ C1 عبر الملف T1 من النقطة "c" إلى النقطة "a" إلى قيمته القصوى. في نفس الوقت، عندما يدخل Q1 منطقة التضخيم، يرتفع الجهد عند النقطة "a" تدريجيًا، ويدخل Q2 أيضًا منطقة التضخيم من خلال D1.

5. (الفاصل الزمني t2) يتم تفريغ C1 بالكامل، ويصل التيار عبر الملف T1 من النقطة 'c' إلى النقطة 'a' إلى قيمته القصوى. يبدأ بشحن C1، مما يؤدي إلى جهد عبر C1 مع "a" موجب و "c" سالب، بينما يزداد الجهد عبر C1 بشكل جيبي. في هذا الوقت، يدخل ترانزستورات MOS في نفس الوقت إلى منطقة التضخيم.

٦. (الشكل الأيمن) بسبب الشحن المستمر للبطارية C6 بواسطة T1، يكون الجهد عبر C1 موجبًا عند النقطة 'a' وسالبًا عند النقطة 'c'. عبر الثنائيين، يزداد جهد بوابة Q1، وينخفض ​​جهد بوابة Q2 تدريجيًا، مما يُشكّل تغذية راجعة موجبة. ونتيجةً لذلك، يُشغّل Q1 ويُطفأ Q2.

7. عملية توصيل Q2 مشابهة لعملية Q1.

8. قيمة الحث لـ L1 أكبر من قيمة T1، ويظل التيار عبر L1 ثابتًا نسبيًا طوال دورة التذبذب بأكملها. أثناء عملية التذبذب، يقوم L1 بتجديد الطاقة بشكل مستمر إلى مذبذب LC.

ثالثا. حساب تحويل الجهد الصفري (ZVS).

1. حساب سعة الموجي

من الرسم البياني لشكل الموجة، يمكن ملاحظة أن شكل الموجة عند النقطة 'b' من L1 هو القيمة المطلقة للموجة الجيبية (أي الجهد الذي ينخفض ​​إلى Vbm أدناه). باستخدام حالة الحالة المستقرة حيث يكون تكامل الجهد عبر المحرِّض صفرًا وتكامل التيار عبر المكثف صفرًا، يمكن حساب سعة الجهد عند النقطة "b".

بافتراض أن الجهد عند النقطة "b" هو ، والجهد الكهربائي لمصدر الطاقة هو Vcc،

ثم الجهد عبر طرفي L1 هو وبالتالي ،

دمج الجهد عبر طرفي L1...محسوبة على النحو،

من الرسم البياني لشكل الموجة، يمكن ملاحظة أن الجهد عند النقطة "b" هو نصف الجهد بين النقطتين "a" و "c". لذلك، فإن الجهد عند النهايتين "a" و"c"، وهو أيضًا الجهد عبر C1، هو...وبالتالي، .

2. حساب مغو الحالي

بمجرد أن نعرف أن الجهد عبر المكثف C1 هو يمكننا حساب الحد الأقصى لذروة التيار في المحرِّض باستخدام صيغ الطاقة المخزنة في المكثف والطاقة المخزنة في المحرِّض. يتم إعطاء الحد الأقصى لذروة التيار في المحث بالصيغة: ، حيث L هي قيمة الحث بين النقطتين "a" و "c".

كما نرى، مع زيادة قيمة السعة (C) وقيمة الحث الأصغر (L)، يزداد التيار عبر المحرِّض. وهذا يؤدي إلى مجال مغناطيسي أقوى ويؤدي إلى تسخين الحث الكهرومغناطيسي. ومع ذلك، عندما يصبح التيار المار عبر المحرِّض كبيرًا جدًا، علينا أن نأخذ في الاعتبار الخسائر في مقاومته. بالإضافة إلى ذلك، الحد الأقصى للتيار المتدفق عبر المكثف يساوي الحد الأقصى للتيار عبر المحث. ولذلك، عند اختيار مكثف الرنين، علينا أن نأخذ في الاعتبار الحد الأقصى لتصنيف التيار الخاص به.

3. حساب تردد الرنين

وبما أن هذا هو رنين موازي LC، فيمكن حساب تردد الرنين على النحو التالي:

4. حساب ذروة التيار المتردد على المحث L1

عندما تكون قيمة الحث لـ L1 كبيرة نسبيًا، فإن التيار المتدفق عبره يكون بشكل أساسي DC، لتعويض الطاقة المفقودة في التذبذب. بما أن السعة عند النقطة 'b' معروفة، فيمكننا حساب ذروة تيار التيار المتردد في L1 خلال دورة تذبذب واحدة (ذروة التيار الفعلية هي مجموع تيار التيار المستمر وذروة تيار التيار المتردد).

الجهد عند النقطة 'b'، Vb، يساوي Vcc لمدة زمنية، t:

لذلك، من خلال دمج الجهد،يمكننا حساب ذروة التيار المتدفق عبر L1. سيؤدي L1 الصغير إلى ذروة تيار كبيرة، مما يؤدي إلى خسائر غير ضرورية.

حل 100 واط PD (توصيل الطاقة) باستخدام طوبولوجيا تبديل الجهد الصفري (ZVS).

أدى الطلب المتزايد على سعة بطارية أكبر ووقت شحن أقصر إلى زيادة متطلبات طاقة الشاحن. يشكل تحقيق طاقة عالية في عامل شكل صغير تحديًا كبيرًا، مما يؤدي إلى العديد من الحلول المبتكرة بما في ذلك طوبولوجيا ZVS، والمفاتيح عالية الأداء، وطرق التغليف المبتكرة، واستخدام مواد ذات فجوة نطاق واسعة لتلبية متطلبات التصميم.

الهدف هو تحقيق كفاءة بنسبة 94% وكثافة طاقة تبلغ 23 وات/بوصة3 من خلال استخدام مفاتيح الطاقة وهياكل طوبولوجية جديدة.

لتحقيق كثافة طاقة أعلى، من الضروري تحديد هيكل الطوبولوجيا المناسب والمواصفات والأبعاد وتقنيات التحكم المتقدمة. في سوق أجهزة الشحن المحمولة عالية الطاقة الحالية، هناك العديد من الحلول المتاحة لشواحن USB-PD عالية الطاقة، بما في ذلك PFC+QR وPFC+LLC. ومع ذلك، فإن هذه الحلول لها قيود معينة، مثل عدم قدرة QR على تحقيق التبديل البسيط وصعوبة استخدام طوبولوجيا LLC لتصميم جهد الخرج المتغير.

واستجابة لهذه التحديات، قدمت شركة Infineon طوبولوجيا هجينة نصف جسرية غير متماثلة جديدة (كما هو موضح في الشكل 1). يقوم نصف الجسر والمكثف المتسلسل بشكل جماعي بتشغيل محول flyback التقليدي. يشكل الحث الأولي الرئيسي لمحول الذبابة المرتدة والمكثف المتسلسل دائرة رنين، والتي تتيح خصائص ZVS للمفاتيح نصف الجسرية وتوفر نقل طاقة الرنين أثناء مرحلة إزالة المغناطيسية التقليدية لمحول الذبابة المرتدة. أثناء التشغيل العادي، يتم التحكم في دورة الشحن والطاقة ذات الصلة بواسطة تيار التيار المستمر الأقصى، بينما يتم التحكم في مرحلة إزالة المغناطيسية عن طريق التوقيت لضمان المغنطة السلبية المسبقة المناسبة، وبالتالي تلبية شروط ZVS المطلوبة للمفاتيح نصف الجسر.

الشكل 1: رسم تخطيطي مبسط لطوبولوجيا ارتداد نصف الجسر غير المتماثلة.

يتم تنفيذ دائرة الطاقة الموجودة على الجانب الأساسي من خلال دائرة رنين LC، والتي يتم تشغيلها بواسطة نصف جسر مشابه لمحول LLC. مغو الرنين Lr هو مغو متسلسل يمكن أن يكون إما محاثة تسرب للمحول أو محاثة تسرب مدمجة مع مغو خارجي. Lm يمثل الحث الرئيسي للمحول. يمكن أيضًا تحقيق نفس تأثير التحويل عن طريق توصيل مكثف الرنين Cr والملف الأولي للمحول بين العقدة الموجبة ونقطة المنتصف لنصف الجسر. عندما يتم توصيل المفتاح عالي الجانب HS، سيتم تخزين الطاقة في Cr وLm، وسوف تختلف الطاقة المخزنة في كل مكون باختلاف جهد الإدخال وتردد التبديل (كما هو موضح في الشكل 2).

عند إيقاف تشغيل مفتاح الجانب العالي HS، سيُجبر التيار في المحول نقطة منتصف نصف الجسر VHB على الانخفاض حتى يُثبّت الصمام الثنائي لجسم مفتاح الجانب المنخفض الجهد. بعد ذلك، يُشغّل مفتاح الجانب المنخفض عند صفر جهد بينما ينعكس طور المحول، وتُنقل الطاقة إلى الجانب الثانوي. عند إيقاف تشغيل مفتاح الجانب المنخفض، سيُجبر التيار السالب المُستحث في المحول في المرحلة السابقة الجهد عند نقطة منتصف نصف الجسر VHB على الارتفاع حتى يُثبّت الصمام الثنائي لجسم مفتاح الجانب العالي HS جهده، على غرار المرحلة السابقة. في ظروف ZVS، يتم تشغيل HS وإيقاف LS، ولكن التيار في دائرة الرنين للمحول لا يزال سالبًا، مما يعني أن الطاقة الزائدة في دائرة الرنين ستُعاد إلى طرف الإدخال.

لماذا تختار طوبولوجيا flyback الهجينة؟

بالمقارنة مع طبولوجيا فلايباك الأخرى، يحتاج محول فلايباك الهجين إلى تخزين طاقة أقل، مما يساعد على تقليل حجم الشاحن.

يمكن أن يحقق الطيران الخلفي الهجين ZVS كاملاً على الجانب الأساسي وZCS كاملاً على الجانب الثانوي، ويمكن أيضًا استعادة الطاقة المتسربة، وبالتالي تحسين الكفاءة.

كما هو موضح في الصيغة التالية، يختلف جهد الخرج مع دورة التشغيل. بالنسبة إلى Flyback الهجين، من الأسهل بكثير تحقيق خرج نطاق جهد واسع، والتغلب على قيود طوبولوجيا LLC في تطبيقات خرج الجهد الواسع.

Vout: جهد الخرج

D: دورة العمل

فين: جهد الإدخال

Lm: محاثة المحولات

N: نسبة دوران المحولات

Lr: محاثة تسرب المحولات

التصميم المرجعي USB-PD بقدرة 100 واط من Infineon

يظهر الحل الكامل في الشكل 3. تستخدم مرحلة PFC وضع التوصيل الحرج IRS2505 وحزمة ThinPAK IPL60R185C7 CoolMOS؟، بينما تستخدم مرحلة DC-DC وحدة التحكم الرقمية PWM XDPS2201 وIPLK60R360PFD7. في الوقت نفسه، يُستخدم BSC028N06NS كمفتاح تصحيح متزامن (يمكن استبداله بـ ISZ0702NLS منخفض الجهد المصمم خصيصًا للتصحيح المتزامن للشاحن مستقبلًا لتحسين فعالية التكلفة). وحدة التحكم في البروتوكول هي CYPD3174، ويُستخدم MOS ذو القناة p BSZ086N03NS3 كمفتاح أمان للخرج.

من خلال هذا التكوين، يمكن أن تصل ذروة الكفاءة إلى 94%، ويكون استهلاك الطاقة الاحتياطية أقل من 60 ميجاوات.

أعلى كفاءة:

يعد اختيار MOSFET عالي الجهد المناسب أمرًا بالغ الأهمية

تتيح تقنية التبديل الناعم للجهاز العمل في وضع التبديل الصفري الجهد (ZVS)، حيث لا يُشغّل ترانزستور MOSFET إلا بعد وصول جهد مصدر الصرف إلى 0 فولت (أو قريب منه). تُلغي هذه الاستراتيجية خسائر التوصيل، والتي تُعدّ عادةً السبب الرئيسي لإجمالي خسائر التبديل. للأسف، ونظرًا لطبيعة مكثف الخرج "غير الصفري"، فإن جميع ترانزستورات MOSFET عالية الجهد SJ تعاني من خسارة إضافية تُعرف بفقدان الطاقة أثناء شحن وتفريغ سعة خرج MOSFET (Coss). لذلك، حتى عند التشغيل في ظروف ZVS، لا يُمكن استعادة جميع الطاقة المُخزّنة في مكثف الخرج (Eoss). ترتبط هذه الظاهرة بخاصية التباطؤ في Coss، والتي يُمكن ملاحظتها من خلال قياسات إشارة أكبر خلال دورة شحن/تفريغ Coss. ونتيجةً لذلك، غالبًا ما تُعرف هذه الخسائر بخسائر تباطؤ Coss (Eoss,hys).

بفضل تقنية SJ المتقدمة من Infineon، تعمل سلسلة CoolMOS® PFD7 على تقليل خسائر الهستيريسيس بشكل أكبر، مما يساعد على تحسين الكفاءة بشكل أكبر.

خاتمة

استنادًا إلى XDPS2201 الرقمي، يُمكن لطوبولوجيا ZVS شبه الرنانة تحقيق ZVS وZCS في ظروف مختلفة لجهد الدخل وتيار الخرج. بالإضافة إلى ذلك، يُمكنها أيضًا استعادة الطاقة من مُحاثة تسريب المُحول. تُساهم ترانزستورات MOSFET عالية الأداء في تحقيق كفاءة تصل إلى 94% في تصميم USB-PD بقدرة 100 واط، بأبعاد 60 مم × 40 مم × 18 مم.