وقد حولت شركة AC إلى شركة DC للكهرباء الإلكترونية عن طريق تقديم قدر أكبر من الكفاءة، وتصميمات مدمجة، وأداة قوية عبر تطبيقات عديدة، ومن الناحية التاريخية، كان التصحيح يعتمد على صمامات الزئبق أو الجسور المحولة القائمة على السيليكون، التي عانت من خسائر كبيرة، وعوامل كبيرة من حيث الشكل، ومن عوامل القوة الضعيفة.

أساسيات شركة AC إلى شركة DC

(أ) تحويل شركة AC إلى شركة DC، أو تصحيحها، عملية أساسية في أجهزة توليد الطاقة الكهربائية، حيث تستخدم الدوائر التقليدية أجهزة الاستصلاح أجهزة الاستصلاح الأغبياء أو الدراجات لتحويل التيار الحالي إلى مقياس مباشر (DC)، غير أن هذه الدوائر كثيرا ما تعاني من خسائر كبيرة في الطاقة، ومن اختلالات في معامل التناغم، ومن القدرة المحدودة على التحكم، وتشمل الطبقات الأساسية نصف الموجات وأجهزة استصلاحية تعمل بكاملها.

وقد أدى ظهور تكنولوجيا الدولة الصلبة إلى إدخال محولات مثل البط، والزيادة، وبوك - بوست، التي يمكن أن تنظم إنتاج الفولط، وتحسين الكفاءة إلى أكثر من 90 في المائة، ولكن القفزة الحقيقية جاءت بدمج مفاتيح تحويل نصف موصول كهربائي، مثل نظامي MSFETs و IGBTs، اللذين يسمحان بزيادة وتيرة التشغيل (عشرات من البيوتادايين سداسي الكلور إلى ميغاواط) وتحسين الرقابة.

تقليدي ضد منحرفين تابعين للدولة الصلبة

أما إمدادات الطاقة السككية التقليدية فهي غير فعالة، وكثيرا ما تهدر 30-50% من الطاقة المدخّلة كسخونة، وتحتاج إلى محولات ضخمة من طراز Hz50/60، وتشغل إمدادات الطاقة ذات الدفعات المتحركة الصلبة ذات الترددات العالية (100 كيلوهرتز إلى عدة أمهات)، وتخفض حجم المحولات والمكثفات بأوامر الحجم، وتتحقق أوجه الكفاءة التي تزيد على 90 في المائة من الأجهزة المستخدمة في السوق.

أوجه التقدم التكنولوجي الرئيسية

وتعزى أهم التطورات في محولات شركة AC إلى شركة DC إلى استخدام موصلات واسعة النطاق من طراز " غلوب " ، مثل شركة سيليكون كاربيد (SiC) وشركة " Gallium Nitride " (GaN) وهي مواد تعرض ممتلكات أعلى من السيليكون، بما في ذلك ارتفاع حجمها (حتى 1200 V بالنسبة لشركة SiC، و 650 V بالنسبة لشبكة " GaN " )، وهي مواد أسرع من سرعة التحويل (.

Silicon Carbide (SiC) Technology

ويمكن أن تعمل أجهزة السي سي سي سي سي سي سي إم في ارتفاع الفول ودرجات الحرارة، مما يجعلها مثالية لتطبيقات عالية الطاقة مثل شحنات المركبات الكهربائية (11-22 كيلوواط) والسيارات الصناعية (100 كيلوواط +)، كما أن أجهزة التحكم في الانبعاثات والديارات تقلل من السلوكيات وتبدل الخسائر بنسبة تصل إلى 70 في المائة مقارنة بأجهزة إسيليكون IGBT، مما يتيح لمصارف حرارية أصغر وثدييات أعلى من الطاقة.

Gallium Nitride (GaN) Technology

وتُعرض مترجمات الغازات الترددية ارتفاعاً أكبر من الترددات (حتى 10 ميغاهرتز) مقارنة بشركة سي سي سي سي سي سي سي، مما يتيح مكونات مغناطيسية أكثر حزماً واستجابة أسرع من حيث سرعة الانتقال، وتُعتبر شبكة الغازات المولدة ذات قدرة منخفضة إلى متوسطة (100 و3 كيلوواط)، مثل إمدادات الطاقة الكهربائية في مركز البيانات ومكيفات المستهلكين الإلكترونية.

مترجمون متنقلون ومترجمون

ولزيادة تخفيض الخسائر، يستخدم المحولات الحديثة تقنيات التبديل غير المتعمد، مثل التحول الصفري للفولاذ، والتبديل الصفري (ZCS) وهذه الأساليب تقلل إلى أدنى حد من الخسائر في التحول والتدخل الكهرومغناطيسي عن طريق تحويل التحول إلى نقطة تحول أو إلى نقطة الصفر أو إلى مستوى ثابت للكميات، وتستعمل المحولات الاحتياطية، مثل نظام LLC وشبكة التحميلات الخفيفة (CLLC)

أحدث الدراسات المتعلقة بالكفاءة العالية

وقد برزت عدة أجسام متقدمة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة في تحويل شركة AC إلى شركة DC، وتعالج هذه التصميمات مسائل مثل تصحيح عوامل القوة، والتشويه الوئامي، وتنظيم الفولط، التي كثيرا ما تدمج وظائف متعددة في مرحلة واحدة، ويعتمد اختيار الطبقات على مستوى الطاقة، ونطاق الفولط، ومتطلبات التطبيق.

منحرفون بلا جسر من طراز PFC

:: إزالة التصحيحات التي لا تُذكر في عوامل القوى من خلال إزالة جسر المدخول، والحد من الخسائر في السلوك عن طريق إزالة قطرين من الأغبياء، باستخدام مفتاحين واقيتين في تشكيلة من الطوطم، تحقق المحولات التي لا تصل إلى مستوى الجسور كفاءة تفوق 99 في المائة في بعض العمليات، وتستخدم هذه الطبقات على نطاق واسع في تطبيقات عالية الطاقة مثل الهياكل الأساسية القائمة على التمويه، ومعالجات الاتصالات السلكية واللاسلكية.

المتعهدون المتعددو المستويات

كما أن المحولات المتعددة المستويات، مثل المحركات ذات النقاط المحايدة الثلاثية المستوى وأصول التصفيق، تنتج فولتات ناتجة ذات محتوى منسجم أقل، مما يقلل من الحاجة إلى مرشحات ضخمة، ويمكن لهذه المحولات أن تعمل على مستويات أعلى من الفولط (مثل 800 حافلة من طراز V DC) دون أن تتطلب مفاتيحا ذات مستوى عال، مما يجعلها مناسبة للنظم الصناعية ذات القدرة على العمل على الشبكة.

المترجمون الشفويون

ويمكن أن تؤدي مراحل التحويل المتعددة (مثل المرحلتين 2-4) إلى الحد من سرعة الاستجابة وتحسين الاستجابة عبر الزمن، ومن خلال التحول التدريجي لإشارة التحويل إلى 180 درجة، يقوم المحولات المتقطعة بتوزيعها بشكل متساو، وتخفيض الضغوط على المكونات، وزيادة مناولة الطاقة، وهذا النهج شائع في إمدادات الطاقة المركزية (مثل 48 محولا للحافلات المتوسطة) و40 مشغلا للطاقة المتجددة.

التطبيقات والفوائد

وتتسم محولات المواد الصلبة العالية الكفاءة إلى البلدان النامية بأهمية حاسمة في مختلف القطاعات، مما يؤدي إلى تحقيق وفورات في الطاقة وإلى التمكين من التكنولوجيات الجديدة، وتتجاوز الفوائد الكفاءة لتشمل انخفاض حجمها ووزنها واحتياجات الإدارة الحرارية، وهي متطلبات ذات أهمية قصوى في الإلكترونيات الحديثة.

نظم الطاقة المتجددة

In solar photovoltaic (PV) systems, solid-state converters are used in string inverters and microinverters to convert DC from panels to AC for the grid, and also for batter storage systems that require AC to DC conversion during charging. Efficient conversion reduces energy losses by up to 3% compared to silicon-based designs, improving overall noise links of DCL

مركبات كهربائية

EV chargers rely on AC to DC converters to charge batteries from the AC grid, with power levels from 3.7 kW (Level 1) to 350 kW (Level 3 DC fast charging). Solid-state converters enable fast charging with high efficiency, minimizing charging grid costs. Modern EV chargers use SiC and GaN load

مراكز البيانات

وتستهلك مراكز البيانات كميات كبيرة من الطاقة (تقدر بنسبة 1-2 في المائة من الكهرباء العالمية)، كما أن تحويل الطاقة بكفاءة أمر أساسي لخفض التكاليف التشغيلية، وتستخدم أجهزة تحويل الطاقة الصلبة إلى البلدان النامية في إمدادات الطاقة غير القابلة للانفجار ووحدات توزيع الطاقة في 48 وحدة من طراز V أو 380 V DC. وباستعمال المحولات القائمة على الشبكة، يمكن أن تحقق مراكز البيانات كثافة أعلى في الطاقة (حتى 50 كيلوواط لكل ثكنة).

لوازم الطاقة الصناعية

وفي مجال التصنيع والتشغيل الآلي، توفر المحولات من الدول الصلبة قدرة ثابتة في البلدان النامية على استخدام السيارات والمجسات ونظم المراقبة، وتخفض الكفاءة العالية توليد الحرارة، وتمتد فترة عمر المعدات، وتخفض تكاليف الصيانة، وبالإضافة إلى ذلك، توفر المحولات المتقدمة سمات مثل الرصد عن بعد والتحكم في التكيف عن طريق دوائر متكاملة، فعلى سبيل المثال، يمكن للسيارات التي تستخدم وحدات سي سي سي سي سي أن تعمل في درجات حرارة تصل إلى 175 درجة مئوية، مما يقلل من الحاجة إلى التبريد في البيئات القاسية.

التحديات في مجال تصميم المتعهدين من الدول الصلبة

ورغم مزاياها، تواجه الدول الصلبة المحولة إلى البلدان النامية عدة تحديات تتطلب النظر بعناية في التصميم، ولا سيما في التطبيقات ذات الطاقة العالية والتردد العالي.

Electromagnetic Interference (EMI)

ويولد التحول العالي الترددات التي تولدها شركة EMI والتي يمكن أن تتدخل في الإلكترونيات القريبة، ويجب أن تمتثل للمعايير التي من قبيل امتحان تسارع حركة سلاسل الإنتاج 22، ويحتاج المصممون إلى التصفير (الأجهزة الخنقية المشتركة والتفضيلية)، وإلى تقنيات الغسل المرنة للتخفيف من سرعة تشغيل الشبكة، مثل تقليل عدد مناطق حلقات التسلسل واستخدام أجهزة المغناطيس المتحركة، مما يساعد على الحد من الآثار الناجمة عن التحولات.

الإدارة الحرارية

وعلى مستويات الطاقة العالية (مثلاً، ⁇ 10 كيلوواط)، فإن التحلل الحراري أمر حاسم، وفي حين أن السي سي سي سي سي وغا إن يتعاملان مع درجات حرارة أعلى (200 درجة مئوية للسي سي سي سي، 150 درجة مئوية للغاز النباتي)، فإن أساليب التبريد الفعالة مثل البواليع الحرارية، والتبريد السائلي، ومواد الوصل الحرارية، قد تكون ضرورية للحفاظ على الموثوقية، وقد يساعد النموذج الحراري على طرق التحلل الحرارة القصوى.

التكلفة والصناعات التحويلية

أما أجهزة الضم الواسعة فتزيد تكلفتها عن السيليكون بـ 2-5x، على الرغم من أن التكاليف تتناقص مع إنتاج الحجم وحجم أكبر من الشوائب (وتوجد 6 بوصة من الشوارع في التنمية)، بالإضافة إلى أن دفع مترجمي صواريخ غاين وسيك يتطلب محركات بوابة متخصصة ذات سمات منخفضة وحصانة عالية من الدي في كلفة أطول من ذلك، فإنه كثيرا ما يفضل عوامل الفشل في نظام WBG نظرا إلى زيادة الكفاءة.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

ويجري البحث لزيادة تعزيز محولات شركة AC إلى العاصمة، ومن المتوقع أن تشكل عدة اتجاهات مستقبل تحويل الطاقة، مع التركيز على الاستخبارات والمواد والتكامل.

الاستخبارات الأثرية والتحكم الرقمي

ويمكن أن تؤدي الخوارزميات، مثل التعلم الآلي والتعلم عن التعزيز، إلى تحقيق الحد الأمثل من أداء المحولات في الوقت الحقيقي من خلال تعديل أنماط التبديل، والزمن المميت، ومعايير التحكم.() ويمكن لمنصات المراقبة الرقمية التي تستخدم أجهزة تصنيع عالية السرعة (مثلاً، ARM Cortex-M7، أو FPGA) أن تتيح الصيانة التنبؤية، والكشف عن الأخطاء (مثل كشف القوس)، وتدابير التكيف مع تغيرات في الحمل.

المواد المتقدمة خارج سي سي سي سي وغا إن

وتعود المواد مثل أكسيد الماس والغاليوم (Ga2O3) بأداء أعلى، مع طاقات الضمادات البالغة 5.5 eV و4.8 eV، على التوالي، ووصلت القدرة على التصرف الحراري إلى 3 مرات في سي سي سي سي سي. وهذه المواد في مراحل البحث المبكر ولكنها يمكن أن تمكن المحولات ذات الكفاءة التي تتجاوز 99.5 في المائة، كما أظهرت كثافة الطاقة البالغة 100 W/inch3.

التكامل والوحدة

وتبسط نماذج الطاقة التي تدمج أجهزة متعددة، وسائقات البوابة، ونظم التبريد التصميم وتحسين الموثوقية، وتتيح المحولات المتنقلة نظماً قابلة للتقسيم، مثل محطات التعبئة المصغرة والرسوم الإلكترونية، حيث يمكن استبدال أو تحسين الوحدات الفردية دون إغلاق النظام، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يستخدم محولات من شبكة MW على الشبكة 10 x 100 وحدة من وحدات السوائب ذات الصلة بالوسم الفضي، مثل تقنيات التعبئة المسبقة.

توحيد المعايير والقابلية للمقارنة

ومع تزايد انتشار المحولات في الدول الصلبة، فإن معايير الصناعة للكفاءة (مثل 80 من طراز PLUS Titanium) والإي إم آي، والسلامة آخذة في التطور، والامتثال لمعايير مثل IEEEE 1547 فيما يتعلق بالترابط الشبكي يكفل قابلية التشغيل المتبادل والموثوقية، واعتماد عدد أكبر من مجموعات الحافلات في العاصمة (مثل 800 V للمركبات الإلكترونية و 380 V لمراكز البيانات) يؤدي إلى الحاجة إلى وضع بروتوكولات اتصال موحدة.

خاتمة

وتقود عمليات التقدم في مجال الطاقة الصلبة إلى محولات البلدان النامية تحولاً في النماذج في أجهزة توليد الطاقة الكهربائية، ونظم التمكين التي تكون أكثر كفاءة واتساماً وموثوقية من أي وقت مضى، واعتماد تكنولوجيات واسعة النطاق شبه موصلة للطاقة، وأجهزة توليد الطاقة المتجددة المبتكرة مثل أجهزة تحويل المركبات ذات القدرة الكهربائية التي لا تصل إلى مستوى الجسور، وأجهزة التحويل المتعددة المستويات، وتقنيات الرقابة الرقمية قد أسفرت عن تحويلات تفوق بشكل روتيني نسبة كفاءة استخدام الطاقة الكهربائية أعلى من كثافة الطاقة الكهربائية