ويمكن تلخيص الطلب على مصادر الطاقة الكهربائية والإلكترونية في التصميم المبتكر للسيارات على النحو التالي: زيادة الطاقة، وتحسين الكفاءة، وتقليل متطلبات المساحة، وتعزيز الموثوقية. بالنسبة للسيارات الكهربائية، تعد الكفاءة أمرًا بالغ الأهمية في تخفيف "قلق المدى" لدى المستخدمين. بالنظر إلى المتطلبات المختلفة للسيارات الكهربائية، نحتاج إلى توفير حلول طاقة مدمجة وخفيفة الوزن لمصادر الطاقة الاحتياطية والمساعدة. تجلب مصادر الطاقة الأصغر المزيد من التحديات، بما في ذلك الحاجة إلى إمكانات عزل أكبر لمنع الانهيار الكهربائي بين المكونات ذات المسافات الأقرب وتقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).
تُستخدم محولات الطاقة Flyback بشكل شائع في العديد من تطبيقات المركبات الكهربائية منخفضة الطاقة، بما في ذلك توليد الطاقة المساعدة وإدارة البطارية وطاقة محرك البوابة. تصميمه أبسط، مع مكونات أقل، وبالتالي تقليل الحجم وتحسين الموثوقية وخفض التكاليف. جوهر مصدر الطاقة flyback هو محول flyback، والذي يعد عادةً أحد أكبر المكونات المطلوبة لدعم عزل الجهد العالي.
تقدم هذه المقالة مبدأ عمل محولات flyback، وتأثيرات الحث الطفيلي والسعة، وأهمية حجم المكون وعزل الإشارة. بعد ذلك، تم تقديم محول بورنز flyback، وتم شرح كيف ساعد في حل العديد من مشاكل إمدادات الطاقة في السيارات.
محول فلايباك
جوهر محول flyback هو محول flyback، الذي يوفر نقل الطاقة والعزل بين الجانبين الأساسي والثانوي لدائرة المحول (الشكل 1، أعلى). يمكن للمحول أن يعزز أو يخفض جهد مصدر الطاقة DC وفقًا لتكوين محول flyback. بالإضافة إلى محول flyback، تتطلب الدائرة أيضًا مفتاحًا جانبيًا أساسيًا (SW) (عادةً MOSFET) ومقومًا/مرشحًا ثانويًا.
رسم تخطيطي مبسط للمكونات الأساسية لمحول flyback
الشكل 1: يظهر رسم تخطيطي مبسط للمكونات الأساسية (الشكل العلوي) وأشكال موجية التشغيل الهامة (الشكل السفلي) لمحول flyback. (مصدر الصورة: شركة بورنز)
من خلال وضع Vgs في حالة عالية المستوى (الشكل 1، أسفل)، تبدأ دورة العمل عند تشغيل SW. عندما يكون المفتاح مغلقًا، فإن الجهد المطبق على المحرِّض يكون بمثابة دالة خطوة. يمكن للمحاثات مواجهة أي تغييرات لحظية في التيار ودمج جهد الخطوة المطبق. يؤدي هذا إلى إنشاء وظيفة المنحدر، حيث يزداد التيار في الملف الأولي لمحول الطيران الخلفي خطيًا بسبب تأثير الحث الأولي. بسبب الانحياز العكسي للدايود المقوم (D)، لا يوجد تيار في المرحلة الثانوية للمحول. يمكن لفجوة الهواء الموجودة في قلب محول flyback أن تمنع التشبع عندما يزيد المجال المغناطيسي للمحول.
عندما يتم إيقاف تشغيل المفتاح (عن طريق استعادة Vgs إلى حالة منخفضة)، يتم نقل الطاقة المخزنة في المجال المغناطيسي للمحول إلى المجال الثانوي من خلال الصمام الثنائي المتحيز للأمام، مما يؤدي إلى شحن مكثف الخرج (C2). يتناقص التيار الثانوي خطيًا حتى يتم استنفاد طاقة المجال المغناطيسي أو يتم فتح المفتاح مرة أخرى، لبدء الدورة التالية.
محول نموذجي، مثل المحول في مصدر طاقة خطي، ينقل الطاقة بشكل مستمر من الملف الأولي إلى الملف الثانوي. يشبه مبدأ عمل محول flyback زوجًا من المحاثات المقترنة، لأنه لا ينقل الطاقة بشكل مستمر أثناء دورة العمل. ومع ذلك، مثل المحولات، يمكن أيضًا تعديل جهد الخرج عن طريق تغيير نسبة اللفات بين اللفات الأولية والثانوية. يوفر محول flyback أيضًا عزلًا كهربائيًا بين اللفات الأولية والثانوية. بالإضافة إلى ذلك، فهو يدعم أيضًا ملفات ثانوية متعددة، مما يسمح للمحول بإخراج فولتات متعددة.
التأثيرات الطفيلية لمحولات flyback
كدائرة إلكترونية نموذجية، تتأثر محولات flyback بالمحاثة والسعة الطفيلية (الشكل 2).
صورة تخطيطية لمحول flyback
الشكل 2: يظهر الرسم التخطيطي لمحول flyback، مع السعة الطفيلية المميزة باللون الأحمر والمحاثة المتعلقة بمكونات المحول. (مصدر الصورة: شركة بورنز)
الحث الممغنط (Lm) هو الخاصية الحثية الرئيسية التي تحدد تخزين الطاقة في محولات flyback. يرتبط أيضًا بالمحولات محاثة التسرب الطفيلية (Llk) على التوالي مع المفاتيح. عندما يتم فصل المفتاح، سيحاول الحفاظ على التيار الأساسي وزيادة الجهد عبر المفتاح. تستخدم معظم محولات flyback دوائر المشبك أو الدوائر العازلة لحماية المفاتيح من تأثيرات هذه الفولتية العابرة. سيؤدي هذا التأثير أيضًا إلى زيادة إشعاع المجال المغناطيسي ويؤثر على التداخل الكهرومغناطيسي. تعمل محاثة توجيه لوحة الدائرة الكهربائية (Ltr) على زيادة هذه التأثيرات.
سيبذل مصممو المحولات قصارى جهدهم لتقليل محاثة التسرب. الطريقة الرئيسية هي زيادة الاقتران بين اللفات الأولية والثانوية. ولتحقيق ذلك، من الضروري تقليل المسافات بين اللفات وترتيبها بطريقة متداخلة.
تشتمل السعة الموزعة على السعة الأولية (Cp)، والسعة البينية (Cps)، والسعة الثانوية (Cs)، وسعة خرج ترانزستور التأثير الميداني (Co)، وسعة الصمام الثنائي الثانوي (Cd). تتفاعل هذه المكثفات مع المحاثات، مما يقلل من سلامة شكل موجة إشارة المحول (الشكل 3).
رسم تخطيطي لتأثير المكونات الطفيلية مثل المكثفات والمحاثات على أشكال موجات التبديل (انقر للتكبير)
الشكل 3: يظهر تأثير المكونات الطفيلية مثل المكثفات والمحاثات على شكل موجة التبديل. (مصدر الصورة: شركة بورنز)
من المفضل أن يكون شكل موجة التبديل عبارة عن نبضة مستطيلة بدون تجاوز أو نقصان. يضمن وقت التحويل السريع لهذه النبضة المستطيلة أن يكون شكل موجة الجهد عند الصفر قبل زيادة التيار. في الواقع، يمكن لتأثيرات السعة الطفيلية والحث أن تبطئ وقت التحويل وتتسبب في تجاوز الحد الأقصى، أو الحد الأدنى، والتذبذب اللحظي. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لتداخل الجهد الأساسي غير الصفري وأشكال موجة التيار، فإن أوقات الارتفاع والانخفاض الأبطأ ستزيد من خسائر التحويل للمحول. سيؤدي هذا التداخل إلى تحويل الخسائر في محولات FET، وبالتالي تقليل كفاءة المحول. يحدث الانخفاض الكبير في الجزء العلوي من النبضة بسبب مقاومة الحمل والمحاثة المغناطيسية.
عند تصميم محول ارتدادي، يجب بذل الجهود للحفاظ على تردد الرنين الذاتي بعيدًا عن تردد التحويل للمحول وتقصير الأسلاك بين المحول ومحول ارتدادي قدر الإمكان، مما يساعد على تقليل السعة الطفيلية. بالإضافة إلى ذلك، توفر سعة الملفات البينية أيضًا مسارًا لربط المكونات عالية التردد للإشارة الأولية بالخرج. كلما زادت السعة بين اللفات، كلما زاد إشعاع EMI الموصل للمحول. لتحقيق الأداء الأمثل، يجب إجراء مقايضات في التصميم، حيث أن اقتران الملفات الأكثر إحكامًا يقلل من محاثة التسرب ولكنه يزيد أيضًا من سعة الملفات الداخلية. وهنا تكمن أهمية خبرة مصممي المحولات.
تقليل الحجم وعزل الإشارات
يجب أن تكون المكونات المستخدمة في تطبيقات السيارات صغيرة قدر الإمكان. يتم تحديد الأبعاد المادية للمكونات من خلال خصائص المواد والخصائص الفيزيائية لوظيفة المكونات. بالنسبة للمحولات flyback، يجب أن يكون تباعد الموصل كافيًا لتحمل ذروة جهد التشغيل واختبار الجهد المطلوب للحصول على الشهادة القياسية. المواصفات الرئيسية المتعلقة بانهيار الجهد هي مسافة الفجوة والزحف (الشكل 4).