محول DC-DC عبارة عن جهاز أو دائرة كهروميكانيكية تستخدم لتحويل جهد التيار المستمر من مستوى إلى آخر بناءً على متطلبات الدائرة. ينتمي إلى عائلة محول الطاقة الكهربائية ، يمكن تشغيل محول DC-DC لتطبيقات الجهد الصغير مثل البطاريات ، أو تطبيقات الجهد العالي مثل نقل الطاقة HV.
عندما لم تكن هناك أشباه موصلات ، كانت إحدى التقنيات الشائعة لتحويل جهد التيار المستمر إلى جهد أعلى للمشاريع منخفضة الطاقة هي تحويله إلى جهد تيار متردد عن طريق دوائر الهزاز. بعد ذلك ، تم استخدام محول تصعيد لزيادة مستوى جهد الخرج ، متبوعًا بدائرة مقوم لإجراء تحويل التيار المستمر. تم استخدام مزيج من المحرك والمولد للتطبيقات التي تتطلب طاقة عالية. يقوم المحرك بتشغيل المولد ، مما يوفر جهد الحمل المطلوب. كانت هذه التقنيات باهظة الثمن وأقل كفاءة ولكنها مستخدمة نظرًا لعدم وجود طريقة بديلة في ذلك الوقت.
أدى اختراع أشباه موصلات الطاقة والدوائر المتكاملة إلى حلول مختلفة أقل تكلفة ، مثل مصدر طاقة التيار المستمر ، حيث يتم إدخال التيار المتردد عالي التردد إلى محول. هذا الجهاز أقل تكلفة ويسهل التعامل معه. يغير الجهد الذي يتحول مرة أخرى إلى DC من خلال المقومات.
تشغيل محول DC-DC
تستخدم تقنية التبديل بشكل شائع لتشغيل المحولات. محول DC-DC يعمل بتبديل يحول جهد التيار المستمر من مستوى إلى آخر بناءً على متطلبات التطبيقات ؛ وبالتالي يمكن أن يكون جهد الخرج أعلى أو أقل من قيمة الإدخال. أثناء التحويل ، يخزن المحول الطاقة لبعض الوقت ويوفر الإخراج على مستويات مختلفة. يتم تخزين الطاقة في محولات الموصلات في شكل مجال مغناطيسي وفي المكثفات في شكل مجال كهربائي. تحويل تحويل الجهد أسهل في المعالجة وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة من تحويل الجهد الخطي ، حيث تتبدد الطاقة في الحرارة. هناك حاجة إلى أجهزة أشباه الموصلات عالية السرعة مع أوقات صعود وهبوط سريع لتحقيق الكفاءة. يتطلب التبديل عالي السرعة تخطيطًا دقيقًا ويجعل إنشاء الدوائر أمرًا صعبًا. تقلل الكفاءة العالية لمحول الوضع المحول من الحاجة إلى المشتتات الحرارية وتزيد من عمر تشغيل البطارية. يزيد استخدام FETs من كفاءة المحول لأن هذه الأجهزة تؤدي عملية التبديل بكفاءة مع خسائر أقل من BJTs.
تتضمن التحسينات الأخرى في محول DC-DC استبدال الصمام الثنائي flyback بدائرة مقوم متزامن مع طاقة FET ذات مقاومة أقل وتقلل من الخسائر أثناء التبديل.
تم تصميم معظم محولات DC-DC لتوجيه تدفق الطاقة في اتجاه واحد ، من الإدخال إلى الإخراج. ومع ذلك ، يمكن أن تكون جميع دوائر منظم التبديل ثنائية الاتجاه ونقل الطاقة في أي اتجاه عن طريق استبدال جميع دوائر المعدل النشط التي يتحكم فيها الصمام الثنائي. تعد المحولات ثنائية الاتجاه جيدة لتطبيقات مثل الكبح المتجدد للمركبات ، حيث يتم إعطاء الطاقة لعجلة المركبات أثناء القيادة واستلامها أثناء الكبح.
كما هو الحال في جميع الدوائر عالية التردد ، يجب اتخاذ بعض التدابير لإنشاء محولات DC-DC ، مثل اختيار المكونات والتوصيلات وضوضاء التبديل التي يجب ضبطها على مستوى مقبول. في البداية ، كانت تكلفة الإنشاء أعلى من المنظمين الخطيين ، ولكنها انخفضت بعد ذلك بسبب استخدام أحدث تقنية لإنشاء الدوائر.
تعتمد محولات DC-DC اليوم على الدوائر المتكاملة وتتطلب بعض المكونات الإضافية. توجد أيضًا في تكوين هجين يستخدم في العديد من الهياكل الإلكترونية.
يوضح الشكل 1 الأنواع المختلفة من محولات DC-DC: دوائر باك ، وتعزيز ، وباك ، ودوائر Ćuk. تقع مدخلات هذه الدوائر على الجانب الأيسر ، بينما يتم توفير الإخراج للحمل على اليمين. يمكن أن تكون مفاتيح الطاقة عبارة عن MOSFET أو IGBT أو BJTs.
خصائص محول DC-DC
الخصائص الرئيسية للمحول موصوفة هنا.
التصويت الحالي
إنها أعلى قيمة للتيار يمكن أن يوفرها المحول للحمل.
تقييم درجة الحرارة
إنها أعلى قيمة لدرجة الحرارة التي يجب أن يتحملها محول DC-DC أثناء عملية التحميل الكامل. يجب ضبط درجة حرارة التشغيل وفقًا للتصنيفات ، وإلا فقد يتلف المحول ويزداد سخونته.
تموج الجهد
تحدد هذه القيمة جهد التموج على خرج المحول. يجب توخي الحذر بشأن هذه التصنيفات أثناء العمليات.
القوة الكهربائية
يأتي محول DC-DC مع بعض الحدود التي تحدد قدرة تحويل الجهد للمحول.
حجم المحول ووزنه
نظرًا لأن المحولات يمكن أن تعمل بترددات أعلى ، فيمكن تصميمها بمساحة صغيرة. أثناء تصميم المحول ، يجب إيجاد حل وسط بين حجم الدائرة وكفاءتها.
محولات DC-DC للمركبات الكهربائية
تولد أنواع مختلفة من المركبات التي تتحرك من حولنا تلوثًا للهواء ، والاحتباس الحراري ، واستنزاف موارد الأرض. لحل هذه المشكلات ، يتمثل الحل في استبدال المركبات التقليدية بالمركبات الكهربائية والمركبات الهجينة والمركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود. تستخدم المركبات الكهربائية والهجينة نوعين من أجهزة تخزين الطاقة. الأول هو MES (تخزين الطاقة متعدد الوظائف) ، ويستخدم لتخزين الطاقة العالية ، بينما الثاني هو نظام تخزين الطاقة القابلة لإعادة الشحن (RESS) الذي يوفر قدرة عالية على القدرة على عكس الاتجاه. توفر MES نطاق قيادة عاليًا ، كما أن RESS بها نظام فرملة متجدد جيد ونظام تسريع. يغير جهاز تخزين الطاقة جهد الخرج بناءً على الحمل والجهد العالي لوصلة التيار المستمر يخلق مشاكل لمهندسي المركبات أثناء تكوين مكونات تخزين الطاقة باستخدام محرك الجر. يمكن استخدام محولات DC-DC لربط المكونات في مجموعات نقل الحركة الكهربائية.
يجب أن تكون محولات السيارات خفيفة وصغيرة وموثوقة وفعالة وتنتج تداخلًا كهرومغناطيسيًا منخفضًا.
أنواع محولات DC-DC للسيارات الكهربائية
في الشكل 2 ، يمكننا أن نرى الأنواع المختلفة من المحولات المستخدمة في السيارات الكهربائية. يوضح كيف يقوم محول DC-DC واحد على الأقل بواجهة DC مع بطارية خلية الوقود أو وحدة المكثفات الفائقة. السيارات الكهربائية لها مصادر طاقة مختلفة ، مثل خلايا الوقود ومكثفات البطارية الفائقة. في المركبات الكهربائية ، يتم استخدام واحد أو أكثر من أجهزة تخزين الطاقة. هذا يقلل من التكلفة الإجمالية والحجم ويوفر التشغيل الجيد. يشيع استخدام مخازن الطاقة البطاريات والمكثفات الفائقة. يتم تكوين هذه الأجهزة مع مجموعات خلايا الوقود في تكوينات مختلفة. التكوين الطبيعي هو اتصال مباشر لوحدتين في تركيبة متوازية: خلية الوقود أو البطارية ، خلية الوقود أو المكثفات الفائقة ، أو البطارية أو المكثفات الفائقة. في هذه الطريقة ، لا يتم استخدام الطاقة في التحكم ولكن يمكن قياسها من خلال قيمة مقاومة المكون. تعتمد المقاومة على معايير مختلفة مثل الكفاءة والحالة الصحية للجهاز. تتطابق معلمات الجهد أيضًا مع مواصفات المكونين. هذه هي حالة مجموعة خلايا الوقود / البطارية ، حيث يجب أن يكون لخلية الوقود نفس الطاقة خلال الوقت الكامل بسبب الجهد الثابت للبطارية. في حالة وجود مجموعة من البطاريات أو المكثفات الفائقة ، لا يمكن استخدام سوى ميزات تبادل طاقة صغيرة جدًا للمكثفات. هذا كله يتعلق بالقيمة الثابتة لجهد البطارية. يمكن تحديد جهد خرج محول DC-DC ويمكن تنظيم طاقة كل جهاز.
محول DC-DC عبارة عن دائرة لتحويل الطاقة تقوم بتحويل الطاقة على مستويات مختلفة وتخزين الطاقة في المجالات المغناطيسية والكهربائية. هنا ، ستتم مناقشة أنواع مختلفة من محولات DC-DC المطبقة على المركبات الكهربائية.
محولات غير معزولة
تُستخدم المحولات غير المعزولة للتطبيقات التي يزداد فيها الجهد أو ينقص بنسبة 4: 1. مع ذلك ، فإن المخرجات والمدخلات ليس لها عزل عازل. تحتوي المحولات غير المعزولة أيضًا على أنواع فرعية: مضخة الشحن ، باك ، cuk ، باك ، باك ، والتعزيز. يتم استخدام Buck لتقليل الجهد وتعزيزه لزيادة الجهد أو تصعيده. يتم استخدام محولات Buck-Boost و Cuk لزيادة الجهد وتقليله. يتم استخدام محول مضخة الشحن لزيادة الجهد وعكس الجهد وهو جزء من بعض المشاريع.
محولات مغناطيسية
تخزن محولات DC-DC الطاقة بشكل دوري وتحررها كمجال مغناطيسي في محاثات أو محولات بقيمة تردد من ثلاثمائة كيلوهرتز إلى عشرة كيلو هرتز. من خلال الثبات ، يمكن التحكم في دورة عمل شحن كمية الطاقة المطلوبة لنقل الحمل.
مع هذا التحكم يمكن استخدامه عبر تيار الإدخال والإخراج وللحفاظ على الطاقة الثابتة من خلال الدوائر. يمكن أن يوفر المحول الذي يحتوي على محول العملية بين الإدخال والإخراج.
محولات معزولة
في هذه المحولات ، يتم استخدام المحولات عالية التردد. بالنسبة للتطبيقات التي يتم فيها فصل الإخراج تمامًا عن الإدخال ، يتم استخدام هذا المحول. هناك أنواع مختلفة من المحولات المعزولة مثل محولات نصف الجسر والجسر الكامل والطيران الأسود للأمام ومحولات الدفع والسحب DC-DC. يمكن استخدام هذه المحولات كمحول ثنائي الاتجاه.
خصائص محول EV DC-DC
للتفاعل ، تعمل محولات خلايا الوقود DC-DC على تعزيز جهد خلية الوقود وتنظيم جهد ارتباط التيار المستمر. على الرغم من أن محول DC إلى DC القابل للانعكاس مطلوب لربط المكثفات الفائقة. هناك أنواع مختلفة من محولات DC-DC مع بعض الميزات المصممة والمطبقة. ولكن في حالة المركبات ، هناك بعض الاعتبارات التالية مدرجة هنا
- يجب أن تكون كفاءة المحول المستخدم للمركبة عالية
- يجب أن يكون للمحول حجم صغير ووزن أقل
- يوجد تداخل كهرومغناطيسي أقل
- يوجد تموج أقل يتم سحبه من خلية الوقود
- يجب أن توفر الوظيفة وظيفة زيادة الجهد أو تصعيده
- يوفر تنظيم تدفق المحول للطاقة تغييرات مختلفة في الجهد في إدخال المحول
كل نوع محول له فوائده وعيوبه. مثل محولات الدفع DC-DC التي لا تتبع العزل الكهربائي. تتسبب التغييرات الكبيرة في حجم المدخلات والمخرجات في الضغط على المفتاح وتأثيرات الدوائر هذه عن طريق تموجات التيار والجهد العالي وتواجه أيضًا مشكلات تتعلق بالوزن المرتفع.
يساعد المحول البسيط متعدد القنوات على تقليل تموجات التيار والجهد الناتج عن الإدخال والإخراج التي تزيد من وزن الدائرة وتعزز الكفاءة. هذه الدائرة غير مناسبة لنسبة تصعيد الجهد العالي حيث يتم تقييد دورة العمل من خلال مقاومة الدائرة مما يؤدي إلى أعلى نسبة تصعيد تبلغ حوالي أربعة. لذلك ، هناك حاجة إلى سلسلتين من محولات الصعود المكونة من سلسلة للحصول على كسب جهد معين للمشروع. يتم استخدام محول DC-DC ذو الجسر الكامل في التطبيقات التي تتطلب عزلًا كهربائيًا. محول DC-DC ذو الجسر الكامل مفيد لنقل الطاقة العالية لأن قيم الجهد والتيار منخفضة. إنه يواجه تموجات الجهد والتيار الصغيرة عند المدخلات والمخرجات.
مزايا محول DC-DC
- يعمل استخدام المحولات على تبسيط دوائر مصدر الطاقة
- أدى استخدام المحولات إلى وفاة مساحة البطارية في الدوائر والمشاريع
- يوفر ناتجًا منظمًا في كل من القطبين السلبي والإيجابي
- تستخدم دوائر التحكم في التيار المستمر هذا الجهاز وتستخدم منظمات الجهد هذه الوحدة
- يأتي في دوائر هجينة تحتوي على جميع مكونات الدوائر في هيكل أو غلاف واحد
- إنه مفيد لتمديد الجهد عند الحاجة
- الفائدة الرئيسية لهذا الجهاز هي أنه يوفر عزلًا بين جانبي الإدخال والإخراج للدوائر.
عيوب محول DC-DC
- هذه المحولات تسبب ضوضاء أثناء العملية
- إنه ذو تيار تموج مرتفع وطبقة عالية وقيمة عالية من سعة المدخلات والمخرجات
- دوائر المحولات باهظة الثمن
- توفر هذه الدوائر جهدًا غير مستقر وإمدادات تيار.
خاتمة
محول DC-DC هو جهاز إلكتروني مفيد في تحويل جهد التيار المستمر إلى مستويات أخرى ، أعلى أو أقل ، وفقًا للدوائر ومتطلبات المشروع. إنه جزء أساسي من مصادر الطاقة يغير قيمة الجهد لتشغيل التطبيقات المختلفة التي تحتاج إما إلى جهد تيار مستمر منخفض أو مرتفع. إنه الجزء الرئيسي من المركبات الكهربائية ، ويتكون من بطاريات توفر جهدًا عاليًا للتيار المستمر. نظرًا لأن مكونات EV تعمل على مستويات جهد مختلفة (عالية أو منخفضة) ، يتم استخدام محولات DC-DC للحفاظ على قيمة الجهد لهذه المكونات. أصبحت محولات DC-DC جزءًا مهمًا من المركبات الكهربائية والمشاريع الإلكترونية الأخرى التي تعمل على مستويات مختلفة من التيار المستمر.
