الکترونیک قدرت چیست؟

تمرکز روزافزون بر برق رسانی برای محیطی پاکتر، نیاز به انرژی الکتریکی را به اشکال مختلف افزایش داده است. الکترونیک قدرت شاخه ای از مهندسی برق است که با پردازش ولتاژها و جریان های بالا برای ارائه توانی که نیازهای مختلف را پشتیبانی می کند، سروکار دارد. از لوازم الکترونیکی خانگی گرفته تا تجهیزات در کاربردهای فضایی، این مناطق همگی به نیروی الکتریکی پایدار و قابل اعتماد با مشخصات مورد نظر نیاز دارند. منبع تغذیه در یک شکل با استفاده از کلیدهای نیمه هادی قدرت و مکانیسم های کنترلی به شکل دیگری پردازش می شود و یک توان تنظیم شده و کنترل شده را تامین می کند.

در حالی که منابع تغذیه با حالت سوئیچ یک کاربرد رایج الکترونیک قدرت است که در آن چگالی توان، قابلیت اطمینان و کارایی از اهمیت بالایی برخوردار است، کنترل موتور با برق رسانی بیشتر در  سیستم های حمل و نقل هماهنگ می شود. کنترل دقیق و کارایی از ویژگی های کلیدی برای برنامه های کنترل توان است. بنابراین مطالعه الکترونیک قدرت چند رشته ای است و شامل فیزیک نیمه هادی ها، موتورهای الکتریکی، محرک های مکانیکی، دستگاه های الکترومغناطیسی، سیستم های کنترل و غیره می شود.

همچنین بخوانید : منبع تغذیه بدون ترانس

در تولید برق،  به ویژه در انرژی های تجدیدپذیر،  توان تولیدی باید برای برآورده شدن مشخصات ولتاژAC  شبکه برق پردازش شود. به عنوان مثال، یک سلول خورشیدی برق DC  تولید می کند که توان خروجی آن با ولتاژ کاری و تابش خورشیدی برخوردی متفاوت است .استخراج حداکثر توان موجود در خروجی سلول و انتقال آن به شبکه با بالاترین بازده ممکن بسیار مهم است.

بنابراین، رابطی که سلول خورشیدی را به شبکه متصل میکند باید برق AC  را فراهم کند که با مشخصات شبکه مطابقت داشته باشد و نیروی ورودی را جذب کند که سلول خورشیدی را در نقطه حداکثر توان آن کار کند. علاوه بر این، تبدیل این برق DC  به برق AC  باید با راندمان بالاتری باشد تا تلفات در تولید برق به حداقل برسد. این امر با استفاده از دستگاه های نیمه هادی قدرت با مکانیسم های کنترلی پیشرفته امکان پذیر است که پارامترهای خروجی و ورودی را نظارت می کنند و کلیدها را کنترل می کنند.

پیشرفتها در دستگاههای نیمهرسانای قدرت، مسیر را برای دستگاههای جدیدتر مانند کاربید سیلیکون، ترانزیستورهای اثر میدان نیترید گالیوم(FETs)  و دیودهای قدرت هموار کرده است. این دستگاه ها دارای ویژگی های برتر از  نظر فاصله باند وسیع هستند که امکان عملکرد با ولتاژ بالا، مدیریت حرارتی و کارایی را فراهم می کند. این امر منجر به استفاده گسترده از الکترونیک قدرت حتی در مناطق حساس به نویز شده است و جایگزین منابع تغذیه خطی با تلفات و تنظیم کننده های ولتاژ شده است.

مزیت اصلی این دستگاه ها تحمل ولتاژ بالا در مقایسه با دستگاه های سیلیکونی است. بنابراین، سیستم ها را می توان با قابلیت های ولتاژ بالا طراحی کرد که به نوبه خود جریان را کاهش می دهد و راندمان را بهبود می بخشد تا همان توان تحویل داده شود. علاوه بر این، کارکردن دستگاه ها در فرکانس های سوئیچینگ بالاتر به کاهش اندازه اجزای غیرفعال کمک می کند و سیستم ها را فشرده می کند. توانایی کنترل دماهای بالاتر طراحی های حرارتی را ساده می کند.

الکترونیک قدرت چگونه کار می کند ؟

سیستم های الکترونیک قدرت در کاربردهای مختلفی استفاده می شوند، مانند:

• تولید برق
• انتقال نیرو
• توزیع قدرت
• کنترل قدرت

در تمام این کاربردها، ولتاژها و جریان های ورودی با استفاده از دستگاه های نیمه هادی قدرت برای ارائه خروجی های مورد نظر سوئیچ می شوند. ساختار دستگاه های نیمه هادی اولیه مانند دیودها ،FET ها و ترانزیستورهای پیوند دوقطبی(BJT)  برای مقاومت در برابر ولتاژها و جریان های بالا تغییر می کنند.

در نتیجه، ما تریستورهای کنترل شده با سیلیکون(SCR) ، دیودهای قدرت، ترانزیستورهای اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز قدرتBJT  ، (MOSFET)های قدرت ،ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق(IGBT) ، تریستورهای خاموش کننده گیت(GTO)  و غیره داریم. انتخاب دستگاه بر اساس سطوح توان، فرکانس سوئیچینگ مورد نیاز، کارایی و ماهیت ورودی ها و خروجی ها است. به عنوان مثال، در یک پیشرانه EV، قدرت کنترل شده در حد کیلووات است. در چنین کاربردهایی معمولاً از ماسفت های قدرتی استفاده می شود که می توانند ولتاژ بالا را تحمل کنند و در فرکانس های بالاتر سوئیچ کنند.

بلوک دیاگرام یک سیستم الکترونیکی قدرت معمولی در شکل زیر نشان داده شده است .

عنصر اصلی در یک سیستم الکترونیکی قدرت یک مبدل قدرت سوئیچینگ است. مبدل قدرت شامل دستگاه های نیمه هادی قدرت است که در فرکانس های بالا روشن و خاموش می شوند. این عملیات ولتاژ و جریان را از طریق دستگاه ها تغییر می دهد و یک توان کنترل شده را در خروجی تحویل می دهد. علاوه بر این، توان دریافتی از ورودی نیز قابل کنترل است.

یک دستگاه ایده آل ولتاژ و جریان را فوراً سوئیچ می کند و پس از روشن شدن مقاومت صفر و هنگام خاموش شدن مقاومت بی نهایت ارائه می دهد. اما در دنیای واقعی، هیچ دستگاهی را نمی توان به صورت آنی سوئیچ کرد. مبدل های سوئیچینگ با دو نوع تلفات برق در دستگاه ها همراه هستند:

• تلفات سوئیچینگ
• تلفات هدایت

تلفات سوئیچینگ در هنگام روشن و خاموش کردن رخ می دهد. به عنوان مثال، هنگامی که یک کلید روشن می شود، ولتاژ دو سوی کلید نسبت به ولتاژی که در حالت خاموش مسدود شده بود ،به مقدار کم می رسد. در همان زمان، جریان عبوری از دستگاه از صفر به سطح جریان بار می رود. از آنجایی که این فرآیند زمان محدودی را می طلبد و ولتاژ و جریان در حال انتقال هستند، تلفات برق رخ می دهد.

هنگامی که سوئیچ خاموش می شود، انتقال معکوس می شود. این تلفات تلفات سوئیچینگ را تشکیل می دهند. تلفات سوئیچینگ با فرکانس سوئیچینگ افزایش می یابد. برای به حداقل رساندن این تلفات، روش های مختلفی مانند کلیدزنی ول تاژ صفر و سوئیچینگ جریان صفر با استفاده از خازن ها و سلف های اضافی اجرا می شود.

تلفات رسانایی نتیجه افت ولتاژ در حالت محدود در سراسر کلیدها در طول هدایت است.  در دسترس بودن دستگاه های نیمه هادی جدیدتر و پیشرفت در ساختار دستگاه به کاهش تلفات هدایت کمک می کند.

برای کنترل کلیدها از یک مدار کنترل که معمولاً به عنوان مدار جبرانی شناخته می شود استفاده می شود. این بلوک نقش محوری در به حداقل رساندن تلفات، ارائه توان بهینه و با کیفیت خوب دارد. بلوک کنترل سیگنال های مرجع و بازخورد را به عنوان ورودی دریافت می کند و سیگ نال های سوئیچینگ را به عنوان خروجی می دهد. کنترلکنندههای امروزی بیشتر دیجیتال هستند که بازخورد از سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال و ورودی به پردازشگر سیگنال تبدیل میشود.

منطق جبران در نرم افزاری که روی پردازنده اجرا می شود پیاده سازی شده و سیگنال های سوئیچینگ مناسب تولید می شود. این سیگنال ها از طریق درایورها عبور داده می شوند تا توان کافی برای به حرکت درآوردن دستگاه های سوئیچینگ را فراهم کنند. به طور سنتی، مدارهای آنالوگ با استفاده از تقویت کننده های عملیاتی و مقایسه کننده ها در مدارهای جبران استفاده می شوند. مدارهای کنترلی ضمن ارائه سیگنال های دروازه مناسب به سوئیچ ها، سلامت سیستم را نیز کنترل می کنند و در صورت بروز خطا، خروجی برق را مهار می کنند.

انواع مدارهای الکترونیک قدرت

همانطور که در قسمت های قبلی ذکر شد، مدارهای الکترونیکی قدرت، توان ورودی و خروجی را کنترل می کنند. انواع مختلفی از مبدل های قدرت بر اساس نوع کاربرد وجود دارد. هنگامی که منبع تغذیه را در نظر می گیریم، دو نوع اصلی منبع تغذیه وجود دارد، یعنی جریان متناوب(AC)  و جریان مستقیم(DC).  این چهار نوع اصلی مدارهای الکترونیک قدرت را تشکیل می دهد که در شکل زیر نشان داده شده است.

 

1. مبدل های AC  به DC

ولتاژAC  ورودی در سطوح مورد نیاز به ولتاژDC  تبدیل می شود. یکسوساز پل دیودی به طور سنتی برای این کاربردها استفاده می شود. اما این پیکربندی منجر به جریان هایی می شود که مقادیر پیک بالا و محتوای هارمونیک بالایی دارند. مبدل های تقویت کننده معمولاً برای کشیدن جریان هایی که با ولتاژAC  هم فاز هستند استفاده می شود.

 

2. مبدل DC  به DC

ورودی برق DC  چه تنظیم نشده و چه تنظیم شده، در خروجی به برقDC  تنظیم شده تبدیل می شود. بدون مبدل های الکترونیکی قدرت، تولید توانDC  متغیر بسیار دشوار است. با در دسترس بودن پیکربندی های مختلف مبدل هایDC  بهDC ، توانDC  در سطوح مورد نظر ضروری شده است. مبدلهایBoost  ، BuckوBuck-Boost  سه مبدل اصلی هستند که به ترتیب میتوانند پایین بیایند، بالا بروند و هر دو سطح را ارائه دهند.

 

3.مبدل های DC به AC  (که معمولاً به عنوان اینورتر شناخته می شوند)

برق DC  ورودی از باتری ها برای تامین برقAC  معکوس می شود. این برقAC  برای کنترل موتورهایAC  با دقت و کارایی استفاده می شود. ترکیبی از مبدل هایAC  بهDC   وDC  بهAC  در انتقال قدرت بالا استفاده می شود که در آن دو شبکه مختلف بدون نگرانی در مورد هماهنگ سازی به هم متصل می شوند.

4.مبدل های AC به AC  (که معمولاً به عنوان مبدل چرخه ای شناخته می شوند)

ورودی AC  که دارای مقدار و فرکانس متغیر است برای ارائه یک خروجیAC  که هم مقدار و هم فرکانس تنظیم شده دارد پردازش می شود. تولید برق بادی یکی از کاربردهای محبوب این نوع مبدل ها است. خروجی مولد باد بسته به سرعت باد هم از نظر بزرگی و هم فرکانس متفاوت است. برای اتصال این برق به شبکه یا ی ک بار، ولتاژ و فرکانس نیاز به تنظیم دارد. این قابلیت توسط مبدل های AC  بهAC  ارائه می شود.

طبقه بندی دیگر مبدل های قدرت شامل موارد زیر است:

1. 1. 1. بر اساس جداسازی بین ورودی و خروجی:
         • مبدل های غیر ایزوله
         • مبدل های ایزوله
      2. بر اساس نوع سوئیچینگ:
         • مبدل های هارد سوئیچ
         • مبدل های سوئیچ نرم
      3. بر اساس اتصال به شبکه برق:
         • مبدل های متصل به شبکه
         • مبدل های آفلاین

 

اهمیت الکترونیک قدرت

حرکت به سمت الکتریکی شدن بیشتر منجر به نیاز به نیروی الکتریکی بیشتر شده است .

جدای از تولید برق،  پردازش توان نقش کلیدی در استفاده بهینه از توان  موجود دارد. الکترونیک قدرت نقش محوری در تامین برق بر اساس مشخصات مورد نظر دارد. کاربرد اصلی که اهمیت الکترونیک قدرت را در زندگی روزمره ما نشان می دهد، تنظیم کننده فن است. قبل از ظهور رگولاتورهای فن حالت جامد، از رگولاتورهای فن مقاومتی حجیم و با اتلاف استفاده می شد.

برای کنترل سرعت فن، ولتاژ جریان متناوب از طریق مقاومتی که به صورت سری به فن متصل است، عبور داده می شود. بنابراین، هنگامی که فن روشن است، اتلاف توان ثابت در مقاومت سری وجود دارد. تحقیقات به روش های نوآورانه تری برای کنترل فن ها یا موتورها ،به طور کلی، با کنترل ولتاژ و فرکانس دست یافته است. این امر با در دسترس بودن دستگاه های نیمه هادی قدرت امکان پذیر است.

در کاربردهای هوافضا، به ویژه در کاربردهای فضایی، اندازه، وزن و قابلیت اطمینان پارامترهای حیاتی هستند. اگر برق در فرکانس های پایین مدیریت شود، ترا نسفورماتورها و سایر عناصر ذخیره انرژی فضای زیادی را اشغال می کنند. با مبدل های سوئیچینگ که در فرکانس های سوئیچینگ بالا کار می کنند، اندازه عناصر ذخیره انرژی به شدت کاهش می یابد. اندازه این اجزا با فرکانس سوئیچینگ نسبت معکوس دارد. بنابراین، دستگاههایی با زمان سوئیچینگ کوتاهتر به کاهش اندازه و وزن کلی سیستمها کمک میکنند.

پیشرفته ترین سیستم های الکترونیکی قدرت می توانند توان از چند وات تا چندین مگاوات را مدیریت کنند و رابط های کارآمد و قابل اعتماد بین توان خام و توان تنظیم شده را ممکن می سازند.  در نتیجه  ، عملگرهای هیدرولیک و مکانیکی با موتورهای الکتریکی جایگزین میشوند که میتوانند دقیقاً با استفاده از رابطهای الکترونیکی قدرت کنترل شوند.

مزایای الکترونیک قدرت

توان الکتریکی کمیاب است و تحویل توان به بارها با حداقل تلفات از اهمیت بالایی برخوردار است. پیشرفتها در تحقیقات نیمهرسانای قدرت منجر به شیمیهای کارآمدتر مانند کاربید سیلیکون و نیترید گالیم شده است. مزایای الکترونیک قدرت عبارتند از:

1. منبع تغذیه با چگالی توان بالا
2. بهبود راندمان تا 99% در تبدیل توان
3. برنامه های کاربردی حساس به نویز مانند دستگاه های پزشکی نیز به دلیل کارایی و قابلیت اطمینان، به منابع تغذیه سوئیچینگ تبدیل می شوند.
4. برق را می توان در شکل و سطح دلخواه مطابق با مشخصات در دسترس قرار داد
5. افزایش تولید برق پاک با استفاده از رابط های الکترونیکی قدرت برای اتصال منابع به شبکه
6. انتقال برق بی سیم