محول الرنين عالي الكفاءة لتوصيل الطاقة عبر USB-C

توضح هذه المقالة محول DC-DC رنانًا يمكنه توصيل تيار إخراج مستقل عن الحمل دون الحاجة إلى التحكم الحالي النشط. هذا المحول لديه LC³تم اختيار خزان الرنين L وقيم الحث والسعة بناءً على عملية تصميم جديدة تحقق نتائج مزدوجة:

• تيار خرج المحول مستقل عن جهد الخرج
• يتم تقليل خسائر خزان الطنين.

يجب الاحتفاظ بتخزين الطاقة الاستقرائي إلى الحد الأدنى من أجل زيادة فعالية تحويل الطاقة. يعتبر المحول مثاليًا للاستخدامات التي تتطلب تيارًا ثابتًا عبر مجموعة متنوعة من جهود الإخراج بما في ذلك شحن البطارية على أساس توصيل طاقة USB-C (PD).

الرجاء العثور هنا على المقالة الأصلية

LC³محول الرنين L.

محولات الرنين المكونة من شبكات المناعه [1]-[4] تستخدم في التصميم المقترح ؛ تعمل هذه الأجهزة كمدورات ، وتحول جهد الدخل إلى تيار خرج مستقل عن جهد الخرج. تقلل هذه المحولات من تعقيد التحكم والنفقات من خلال عدم الحاجة إلى تحكم عالي السرعة لتنظيم تيار الخرج. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي هذه المحولات على نطاقات عمل واسعة جدًا ويمكنها استخدام تبديل الجهد الصفري (ZVS) للعمل مع خسائر تحويل أقل.

طوبولوجيا محول الرنين ، الذي يشتمل على LC³خزان الرنين L. [5]، في الشكل 1 (أ) ، بينما يوضح الشكل 1 (ب) إشارات التحكم في التبديل.

للتحقق من صحة التصميم ، LC 1 ميجا هرتز³تم إعداد النموذج الأولي لمحول الرنين L المناسب لتطبيق شحن بطارية USB-C PD. يعمل النموذج الأولي بجهد دخل 20 فولت ، ويوفر جهد خرج في النطاق من 5 فولت إلى 15 فولت ، ويوفر تيار خرج 6 أمبير ، ويحقق كفاءة قصوى تبلغ 92٪ مع الحفاظ على كفاءة> 87٪ عبر نطاق جهد الخرج بالكامل.

منهجية التصميم

يوضح الشكل 2 نموذج التردد الأساسي للمحول. يتم تمثيل جهد الخرج بمصدر جهد جيبي بحجم k_{الفاتورة} · الخامس_في، أين ك_{الفاتورة} = 2 / للعاكس نصف الجسر. تم تصميم المعدل والحمل بواسطة مقاومة مكافئة R_مكافئ = ك_تفصيل · الخامس_خارج² / ص_خارج، أين ك_تفصيل = 2 /² لمقوم نصف الجسر ، و P_خارج هي طاقة خرج المحول.

لتقديم تيار خرج مستقل عن الحمل ، فإن مقاومة الحمل R_مكافئ يجب أن تتحول إلى مقاومة مدخلات مقاومة R_في = 1 / ص_مكافئ. يمكن التعبير عن مقاومة المدخلات من حيث تفاعلات LC³يظهر خزان الرنين L ومقاومة الحمل على النحو التالي:

حل (1) بشرط أن يكون الجزء التخيلي من Z_في صفر مستقل عن مقاومة الحمل R_مكافئ يؤدي إلى العلاقات التالية:

هنا ، نسبة k_قبعة و ك_الهند يتم تعريفها على أنها:

بافتراض تحويل طاقة غير ضياع:

يمكننا حساب المفاعلة X_L1، نوع نسبة الحث ، التفاعلات X_L2 و X_C1:

نظرا للمفاعلة X_C2 ونسبة السعة k_قبعةيمكن تحديد التفاعلات الأخرى باستخدام (5) و (7) – (9). في منهجية التصميم المقترحة ، X_C2 تم تحديده ليكون أحد مدخلات التصميم ، بينما k_قبعة لتقليل الخسائر في خزان الرنين.

يتم تحديد كفاءة المحول بشكل أساسي من خلال خسائر المحرِّض. مع التيارات الجيبية وبافتراض عامل جودة مماثل للمحثين L1 و L2 ، فإن خسائر المحرِّض تتناسب مع ذروة الطاقة المخزنة. لتقليل الخسائر ، يجب تقليل مجموع طاقة الذروة المخزنة في المحاثين من خلال الاختيار الأمثل لنسبة السعة k_قبعة، والتي يمكن التعبير عنها على النحو التالي:

من المعادلة (10) بالتعويض نحصل على:

حيث M = V._خارج / الخامس_في. يمكن التحقق من صحة المعادلة (11) عدديًا باستخدام المواصفات الخاصة بتطبيق USB-C PD مع V._في = 20 فولت ، الاسمي الخامس_خارج = 15V وأنا_خارج = 6 أ ، كما هو موضح في الشكل 3. النتائج المحسوبة عدديًا مع النتائج التحليلية للأفضلية متطابقة جيدًا. يحدد التطبيق قيمة السعة C2. على سبيل المثال ، في نقل الطاقة اللاسلكي بالسعة ، يتم تقييد سعة اقتران بواسطة منطقة اللوحة المتاحة والخلوص الأرضي للمركبة. الشكل 3: التحقق العددي من LC³تحسين تصميم خزان الطنين L – (أ) طاقة الذروة المخزنة في المحاثات – (ب) خسائر المحول بما في ذلك خسائر المحث والمكثف والتبديل.

نتائج تجريبية

تم إنشاء النموذج الأولي ، الموضح في الشكل 4 ، باستخدام الأجهزة الملخصة في الجدول الأول._خارج = 15V قيم المكون الناتج هي L1 = 350 nH ، L2 = 200 nH ، C1 = 40 nF و C3 = 110 nF.

يتم عرض جهد عقدة التبديل المقاسة وأشكال الموجة الحالية في الشكل 5. كما هو متوقع ، يقدم كل من العاكس والمعدل حمولة قريبة من المقاومة. بالإضافة إلى ذلك ، فإنها تحقق تبديل الجهد الصفري (ZVS) وتبديل التيار القريب من الصفر (ZCS).

يتحقق الشكل 6 تجريبيًا من صحة خاصية المصدر الحالي للمحول على نطاق جهد الخرج. عندما يتم تغيير جهد الخرج من 5 فولت إلى 15 فولت ، فإن التيار في L2 ، والذي يشير إلى تيار الخرج ، يظل دون تغيير.

الكفاءة المقاسة لمحول النموذج الأولي المحسّن لجميع مستويات جهد الخرج الثلاثة ، مع توصيل تيار خرج 6A ، موضحة في الشكل 7. يوضح هذا الشكل أيضًا الكفاءة المقاسة للنموذج الأولي LC3L الثاني الذي تم تصميمه بناءً على إجراء تصميم تقليدي. يمكن ملاحظة أن النموذج الأولي المُحسَّن يحقق أكثر من 1٪ كفاءة أعلى على نطاق جهد الخرج بالكامل ، بما يتوافق مع تقليل الخسارة بأكثر من 10٪ ، وتظل الكفاءة ثابتة عبر نطاق جهد الخرج. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت النتائج التجريبية أن الخسارة للتصميم الأمثل أقل مما كانت عليه في التصميم التقليدي بحوالي 11.5٪ ، وتحدث غالبية الخسائر في التصميم التقليدي على المحث الجانبي للمقوم L2 بسبب ارتفاع طاقة الذروة المخزنة ، مقارنةً بـ الحث الأصغر المستخدم في التصميم الأمثل.

مراجع

[1] M. Borage، KV Nagesh، MS Bhatia، and S. Tiwari، “Resonant immittance converter topologies،” IEEE Transactions on Industrial Electronics، vol. 58 ، لا. 3 ، ص 971-978 ، 2011.

[2] A. Khoshsaadat و JS Moghani ، “صهاريج الرنين المنفعل من النوع الخامس من النوع T المصممة لمحولات الرنين الحالية الثابتة ،” معاملات IEEE على الدوائر والأنظمة I: الأوراق العادية ، المجلد. 65 ، لا. 2 ، ص 842-853 ، 2018.

[3] M. Borage، S. Tiwari، and S. Kotaiah، “تحليل وتصميم محول طنين LCL-T كمصدر طاقة تيار مستمر ،” معاملات IEEE على الإلكترونيات الصناعية ، المجلد. 52 ، لا. 6 ، ص 1547-1554 ، 2005.

[4] —— ، “محول طنين LCL-T مع صمامات ثنائية: مصدر طاقة بتيار ثابت جديد مع حد جهد ثابت متأصل ،” معاملات IEEE على الإلكترونيات الصناعية ، المجلد. 54 ، لا. 2 ، الصفحات من 741 إلى 746 ، 2007.

[5] S. Mukherjee و A. Sepahvand و D. –802.

ظهر محول الرنين عالي الكفاءة لتوصيل الطاقة USB-C أولاً في Power Electronics News.