فهم هيكل أجهزة التكييف والتسويق

ويجعل هذا النوع من أجهزة نقل الطاقة الكهربائية ذات القدرة العالية على المناولة العالية، التي تتيح للمستعملين المتناقلة القدرة على الانتقال، القدرة على السحب، التي تتيح إمكانية إطفاءها عن طريق النبضات الأرضية، على عكس أجهزة الاستخلاص الموحدة التي تتطلب منافذ متحركة عالية، وهي قدرة عالية التقلب على المناولة، وقدرة على السحب عن طريق النبضات الحالية.

ويحدّد التحول السريع للتحول إلى نوع الجنس من العمليات المتميزة: التحول إلى العمل والتحول، ويبدأ التحول عندما يؤدي تيار البوابة الإيجابية إلى التصريف، ويُحمّل الناقلون في هذه المرحلة هيكل التراكمي، وينهار حجم الفولود عند الارتفاع الحالي، ويحكم التأخير في التحول والوقت المرتفع بقوام دفع البوابة، ويكسر الغطاء النباتي،

وفي التطبيقات الدينامية مثل المحركات ذات الترددات المتغيرة، يؤدي التحول السريع إلى تقليل الخسائر، وانخفاض التشويه المتناسق، وتقلص حجم عناصر التصفية السلبية، وتفادي الظروف الخطرة لإطلاق النار، غير أن تحقيق سرعة التحول العالية في نقاط التجارة العالمية هو توازن دقيق لأن البوابات العدوانية وأصول الدوائر يمكن أن تؤدي إلى حدوث تآكل في الطلقات، وزيادة الإجهاد الحراري، والحد الأقصى من الإجهاد الناجم عن استخدام الأجهزة.

لماذا تبديل مسائل السرعة في التطبيقات الدينامية

فتطبيقات الطاقة الدينامية تتطلب تغييرات سريعة في حجم الناتج وحجمه الحالي، ففي حالة من اللافقار المزود بمقياس نبضات، يغذي محركا من طراز AC، مثلا، يتسبب كل حدث من حوادث التحول في فقدان الطاقة التي تتراكم مع ارتفاع ترددات التبديل، حيث أن جهازا من أجهزة التقلب ذات السمات البطيئة سيزيل قدرا أكبر من الطاقة لكل عملية انتقال، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة في المسافات وانخفاض الكفاءة.

وبالمثل، ففي نظم التقلبات التي تستخدم فيها أجهزة التصوير GTO في دوائر المروحية أو أجهزة تحويل مصادر الفولط، يتيح التحول السريع التحكم في الضغط بطريقة أكثر سلاسة، والاستجابة السريعة لتباينات الحمولة، والتكفير المتجدد مع الحد الأدنى من الطحال، كما أن التحول السريع يخفض أيضا حجم الاختناق في الإنتاج ومكثفات الاتصال بالبلاد، وهو أمر حاسم في المركبات غير المجهزة بالحافلات الفضائية.

ومن منظور حراري، فإن كل ثانية من النانو الثانية التي يتم إنقاذها أثناء فترة الانتقال والتقلب تقلل من الطاقة التي تم تفريقها في الجهاز الواحد، ويترجم ذلك إلى انخفاض كبير في متوسط درجة الحرارة الزجرية، مما يتيح إما ارتفاع معدلات الحرارة الحالية أو مدى الحياة، وبالتالي فإن السعي إلى تحسين سرعة التحول هو هدف أساسي في هندسة الكهرباء.

العوامل الرئيسية التي تحد من "جيتو" تبدل السرعة

وهناك عدة بارامترات متأصلة وخارجية تفرض سرعة التحول القابلة للتحقيق في موقع التصوير العالمي، فهم هذه القيود هو الخطوة الأولى نحو التغلب عليها.

مقاومة البوابة وعرقلة

وتتحكم مقاومة البوابات جزئيا في تدفق كل من التناوب الإيجابي الحالي والسلبي، كما أن ارتفاع مقاومة البوابات يحد من حجم بوابة الذروة الحالية ويبطئ معدل تغيير البوابة (الدي/الطن) كما أن البوابة السلبية التي تدور على ظهرها يجب أن تكون كبيرة بما فيه الكفاية (من الناحية الأولى إلى ثلث الوقت الذي ترتفع فيه درجة المقاومه) لاستخراج الشحنة المخزنة من منطقة الأساس؛

Gate Drive Circuit Capability

ويجب أن توفر البوابة نبضا إيجابيا إيجابيا سريع الاندلاع (كثيرا من الأمبيرات) للتحول، بل إن نبضا سلبيا أسرع وعالي الطول (حتى عدة مئات من الأمبير) للتحول، وإذا كان السائق يفتقر إلى ما يكفي من الامتثال للفولط أو القدرة الحالية على الإنتاج، فإن سرعة التحول قد ترتفع، مثلا، لا يمكن لسائق ذي سرعة ضغط سلبية محدودة أن يتغلب على سرعة تشغيل البوابة.

درجة الحرارة

ويؤثر التدرج بقوة على حركة الناقلات ومعدلات إعادة التكتل داخل النظام العالمي لمراقبة المناخ، فمع ارتفاع درجة الحرارة الزجرية، تزداد عمر الناقل وانخفاضات الحد الأدنى للفولط، مما قد يقلل من التأخير في التحول، ومع ذلك، فإن ارتفاع درجات الحرارة يزيد أيضا من كمية الشحنات المخزونة في المناطق العائمة، مما يطيل فترة التخزين أثناء فترة التناوب، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الركض الحراري الناجم عن خسائر التبديل المفرطة قد يؤدي إلى زيادة القدرة على إحداث الاحترار.

Sray Inductance and Layout Parasitics

وتحتوي كل من حلقة البوابة الدقيقة ودائرة الطاقة التي تستخدم في التقلبات الطفيلية على محاور طفائية تعارض التغيرات السريعة الجارية، وتفضيل المفات في نقاط البوابة إلى التقلبات والتقلبات، وتبطئ التحولات، وتتفادى الاستقطاع عن العمل، وفي حلقة القوى، يتفاعل الموصل المضيق مع القدرة على إنتاج الجهاز لإنتاج محركات الفولطية على الطلقات، ويتجاوز القوة العرضية.

خصائص اللوازم

إن طبيعة الحمولة تؤثر تأثيرا قويا على ظروف تخفيف عبء العمل في النظام العالمي لمراقبة التجارة، إذ أن التحميلات المولدة تسبب في تيار الترميز لقطع الفولط، مما يخلق ارتفاعا في الفول عبر الجهاز أثناء فترة الارتداد ويطيل فترة التيار، وتسمح الحمولات الرجعية بزيادة سرعة الفولطام، أما بالنسبة للتطبيقات الدينامية، فإن الحملات التي تُنتج على نحو دائم (مثلا، تصاميم السيارات، وتسرب المتحول)

التقنيات المتقدمة لتعزيز السرعة

وبناء على فهم العوامل المقيدة، يمكن للمهندسين أن ينشروا مجموعة متنوعة من التقنيات لضغط سرعة تحويل النظام العالمي لمراقبة الأرض إلى الحدود المادية للجهاز، والاستراتيجيات التالية موثقة على نطاق واسع في المؤلفات الإلكترونية للطاقة وقد ثبتت في النظم الصناعية.

Gate Drive Circuit Optimization

إن محرك البوابة هو أكثر العيار المباشر لتحسين سرعة التبديل، وينبغي أن يكون هناك دافع للبوابة عالية الأداء:

  • تسليم بوابة سلبية ذروة على الأقل من 20% إلى 40% من التيار المناعي في أقل من 1 ميكرو
  • Provide a low-impedance path (gate resistanceor less than 1 راء إن أمكن) to minimize the RC time constant.
  • استخدمي طبلة دفع مع أجهزة التصوير المغنطيسية أو أجهزة التعقب السريع ذات القطبين لتحقيق ارتفاع سريع وفترات سقوط.
  • تشمل مشبكاً للبوابة يقيد الفولط المأخوذ من البوابات إلى قيمة آمنة (عادة ما حول 15 V إلى 20 V) ويمنع الإلتفاف غير المقصود.
  • استخدام محولات أو أجهزة تبديل للبوابات المعزولة للعزلة العالية الحركة، ولكن ضمان أن يكون لديهم خطاً متدنياً للتسرب للحفاظ على التبديل السريع.

An increasingly popular approach is to use a dual-stage gate drive that applies a high initial current to expedite charge extraction, then reduces the current to maintain conduction until the tool begins to block voltage. This technique reduces the storage gate current manageable. Another advanced method is

تخفيض مقاومة البوابة وانتاج بوابة البوابة

كما أن تخفيض مقاومة البوابة المادية واختطافها في حلقة البوابة يعجلان من الانطلاق والتحول، وقد ينطوي ذلك على استخدام أسلاك متعددة للبوابة أو آثار لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور بالتوازي مع الحد من الاقتحام، ووضع البوابة على أقرب ما يمكن إلى وحدة GTO، واستخدام كابل ملتوي أو كواكسي للربط بين البوابة، كما أن بعض وحدات تصميم النظام العالمي للأخشاب الكبرى لديها نقاط متعددة يجب أن تحافظ على البوابة المتحركة في وقت واحد؛

التحسينات في الإدارة الحرارية

ويؤدي الحفاظ على درجة حرارة التقاطع إلى الحد الأدنى قدر الإمكان من الشحنة المخزنة وقصر مدة التخزين، وتشمل حلول التبريد الفعالة ما يلي:

  • تسخين عالي الأداء مع الهواء القسري أو التبريد السائل.
  • التبريد المباشر للسائل من أجهزة قاعدية معزولة (استعمال خلائط الماء - الزنك).
  • تحسين مواد الوصل الحراري (مثلاً، رصفات تغيير المرحلة، والشحوم الحرارية ذات السلوك الحراري العالي).
  • رصد المواقف والسيطرة التي تضبط تردد التبديل أو البوابة التي تُجرى على أساس درجة الحرارة الفورية.

وبالإضافة إلى ذلك، ينبغي تصميم مكونات الدائرة النحلية لتقليل الحمولة الحرارية الإضافية إلى أدنى حد على GTO. For instance, a polarized snubber with fast-recovery diodes reduces the reverse-recovery current that otherwise increases losses.

Snubber Circuit Design and Soft Switching Topologies

وتحمي شبكات النوبات المدارية من الطلقات الزائدة عن الفولطية أثناء فترة الارتداد وتخفض الخسائر في التحويل عن طريق تشكيل مسار التحول، وتسمح [العاملات التجارية] التقليدية [العاملة في إطار الترددات المائلة] بأن تتحول إلى ممرات مضللة، بينما تُبقي القدرة على التصاميم في شكل عبوة متغيرة، وتسمح بخسائر في الإنتاج المضبوط.

وبالنسبة لسرعات التبديل القصوى، يمكن استخدام soft shifting topologies] مثل التحول الصفري (ZVS) أو التحول الصفري (ZCS) وفي هذه التشكيلات، لا يُستغنى عن الارتفاع أو التراجع إلا عندما يكون الفول أو التيار قريباً من الصفر، مما يقلل إلى حد كبير من الخسائر في المتغيرات.

دائرة مراقبة البوابة والحماية

وأثناء التحول السريع، يمكن للمتحولين عبر ممر البوابة، مما قد يتجاوز الفول العكسي المصنف ويضر البوابة، كما أن هناك دائرة مشبكية (عادة ما تكون حماة من طراز زينر أو حماة منصات من طراز valanche) تحمي البوابة من هذه المسامير، مما يسمح باستخدام بوابة أقل مقاومة وبوابة أكثر عدائية تقاوم دون المخاطرة.

المبادئ التوجيهية للتنفيذ والتصميم العمليان

ويتطلب ترجمة هذه التقنيات إلى تصميم عملي اختيار العناصر المتأنية ووضع قواعد الدوائر، وتعالج المبادئ التوجيهية التالية أكثر التحديات شيوعاً التي تواجه عند محاولة تحسين سرعة التحول في النظام العالمي لمراقبة المناخ.

اختيار محل بيع البوابة

إن قيمة مقاوم البوابة هي بارامتر حرج يجب أن يُضبط أثناء وضع البطاقات، إذ أن بدء القيمة الموصى بها في صحيفة بيانات GTO، ثم خفضها تدريجيا مع رصد الموجة الحالية للجهاز وفترات التحويل والتحول، وضمان ألا يتجاوز معدل الذروة الذي يُقدم فيه محرك البوابة، وألا تظهر أي محركات معدنية في البوابة المتحركة.

Gate Driver ICs and Power Stage

)٣( بالنسبة للقوى المتوسطة، التي تصل إلى عدة مئات من الأمبيرات، توجد وحدات مصممة لبوابات البوابات من جهات صناعية مثل إنفينيون، و AB، و Powerex، وهذه الوحدات تدمج العزلة، والمراحل الحالية لتعزيز الاكتشاف، وكشف الأخطاء، وقد يكون تصميم السائقين المتميزين )المصنفين في ١٠٠٠ ألف أو أكثر( مطابقاً لنموذج " جي بي تي " )٥(.

النظر في أمري ثنائي الفينيل متعدد الكلور وبوزابار

فالعصب هو الأهم، إذ يستخدم آثاراً واسعة وقصيرة لكل من البوابات وثباتات الطاقة، وفي التصاميم العالية الجارية، يمكن أن يؤدي هيكل الحافلات الملغومة (اللوحات المفصلة عن العزلة) إلى الحد من الموصلات المضللة إلى مستويات دون الألف وثانية، وينبغي وضع جهاز التصفيق المباشر عبر محطات GTO أو عبر الضوضاء في موقع الجهاز.

الاختبار والتصنيع

وبعد بناء النموذج الأولي، تستخدم مُختبرات نبضات مزدوجة لقياس فترات التبديل تحت ظروف خاضعة للمراقبة، وتُشغل البوابة الحالية، وتُعلن عن التطاير، وتُطوّر الموجات الحالية باستخدام مُصفوفة عالية التردد (100 ميغاهيرتز) وتُحلل الموجة لاستخراج التأخير في التحول، والوقت المحدد للتبديل، والوقت الذي يستغرقه التحميل، ودرجة الحرارة القصوى.

دراسة حالة: تغيير السرعة في مقص

To illustrate the practical impact of these techniques, consider a traction inverter for a light rail vehicle employing a 2000 A, 2500 V GTO. originally, the gate drive used a single 2.2 gatetor betill resistanceor and a simple push-filll stage with a maximum negative current 300 A. The measured turn-off storage time was 8 vent, and the total turnoff energy was 6 Julse at annode current output

خاتمة

ويقتضي تحسين سرعة تبديل أجهزة النظام العالمي لمراقبة المناخ نظرة شاملة تشمل تصميمات دفع البوابة، وتصميم الدوائر، والإدارة الحرارية، واستراتيجيات الحماية، إذ أن هذه التحسينات تؤدي دائما إلى الحد من تعطل البوابة، وتعظيم الموجة الحالية، والحفاظ على درجات حرارة منخفضة، وتنفيذ عمليات التعبئة الفعالة، يمكن للمهندسين أن يحققوا سرعة أكبر بكثير من التحول إلى الأسواق، وتزيد هذه التحسينات من فعالية التطبيقات مثل أجهزة الدفع بالكهرباء.

[1] J. A. Ferreira et al., “Optimized Gate Drive for High-Power GTO Thyristors,” IEE Transactions on Industry Applications, vol. 38, no. 2, pp. 405-412, 2002. Available online

[2] ABB Semiconductors, “GTO Gate Drive Application Note,” Document No. 5SYA 2041-00, 2018. PDF download]

[3] T. L. Skvarenina, “The Power Electronics Handbook,”CRC Press, 2002, Chapter 4: GTO Thyristors and Their Gate Drives. (see also ]Routledge)