Aukšto perjungimo dažnio tiesiaeigių valdiklių taikymo praktika ir efektyvumo didinimo schema greitajame įkrovos maitinimo šaltiniuose

Su vartojimo elektronikos ir elektromobilių sparčiu vystymusi kasdien auga greitojo įkrovimo maitinimo šaltinių paklausa. Žmonės ne tik siekia kuo didesnio įkrovimo greičio, bet taip pat vis labiau dėmesio skiria įkrovimo efektyvumui, stabilumui ir saugumui. Aukšto dažnio tiesieji valdikliai kaip greitojo įkrovimo maitinimo šaltinių pagrindinis komponentas lemiamą vaidmenį žymiai padidinant įkrovimo greitį ir mažinant energijos nuostolius. Skirtingai nuo tradicinių jungiklių valdiklių, tiesieji valdikliai turi privalumų, tokių kaip žemas triukšmas, paprasta konstrukcija ir aukšta valdymo tikslumas, todėl jie plačiai naudojami mažosios ir vidutinės galios greitojo įkrovimo scenarijuose. Tačiau, kad būtų patenkinta greitojo įkrovimo poreikis, padidinus jungimo dažnį, tiesieji valdikliai susiduria su problemomis, tokiais kaip padidėję galios nuostoliai, sumažėjęs efektyvumas ir blogėjantis šiluminis stabilumas, kurios riboja jų tolesnį taikymą. Todėl tyrimas, kaip praktiškai taikyti aukšto dažnio tiesiuosius valdiklius greitojo įkrovimo maitinimo šaltiniuose, bei veiksmingų efektyvumo gerinimo schemų kūrimas turi svarbų praktinį reikšmingumą skatinant greitojo įkrovimo technologijų vystymąsi.

Greitųjų įkrovos maitinimo šaltinių praktinėje taikymo srityje aukšto dažnio jungties tiesiniai valdikliai susiduria su trimis pagrindinėmis problemomis. Pirmoji – galios nuostolių problema. Kai jungties dažnis didėja, valdiklio jungties ir laidymo nuostoliai žymiai padidėja. Jungties nuostoliai kyla jungiklio įsijungimo ir išsijungimo metu, o kuo dažnis aukštesnis, tuo trumpesnis jungties laikas ir tuo didesni nuostoliai. Laidymo nuostoliai susiję su jungiklio įjungimo varža ir darbinės srovės dydžiu; aukšto dažnio veikimas netiesiogiai padidina įjungimo varžą, todėl padidėja laidymo nuostoliai. Antra problema – šilumos valdymas. Dideli galios nuostoliai lemia, kad valdiklio mikroschema generuoja daug šilumos, o jei šiluma laiku nebus pašalinta, mikroschemos temperatūra staigiai pakils, dėl ko ne tik sumažės valdiklio naudingumo koeficientas, bet ir bus paveikta jo tarnavimo trukmė, o netgi gali būti pažeista mikroschema. Trečioji problema – elektromagnetinis trikdys. Aukštas jungties dažnis sukuria stiprią elektromagnetinę spinduliuotę, kuri trukdo kitų komponentų normaliam veikimui įkrovos maitinimo šaltinyje ir neigiamai veikia visos sistemos stabilumą bei patikimumą.

Norint išspręsti aukščiau minėtas problemas ir visiškai panaudoti aukšto perjungimo dažnio tiesiaeigio valdiklių privalumus, reikia taikyti praktines taikymo priemones. Grandinės projektavimo srityje turėtų būti pasirinkta tinkama valdiklio topologija. Dažnai naudojamos tiesiaeigio valdiklių topologijos apima nuosekliasias tiesiaeigio įtampų stabilizatorius ir žemo įtampos kritimo stabilizatorius (LDO). Aukšto perjungimo dažnio scenarijuose labiau tinka žemo įtampos kritimo stabilizatoriai, kurie pasižymi dideliu reakcijos greičiu ir maža energijos sąnaudomis. Taip pat optimizuojant valdiklio grandinės parametrus, pvz., reguliuojant vartų valdymo įtampą ir srovę, galima sumažinti perjungimo nuostolius ir pagerinti perjungimo greitį. Komponentų parinkimo srityje turėtų būti naudojami aukštos kokybės galios komponentai, tokie kaip gallio nitrido (GaN) ir silicio karbido (SiC) įrenginiai. Šie įrenginiai pasižymi žemu įjungimo pasipriešinimu, greitu perjungimo greičiu ir aukšta šiluminės laidumo verte, todėl jie efektyviai sumažina galios nuostolius ir pagerina valdiklio šiluminę stabilumą. Be to, pridėjus filtras grandinę į valdiklio įėjimo ir išėjimo galus galima slopinti elektromagnetinę sąveiką ir pagerinti sistemos atsparumą trukdžiams.

Remiantis praktinio taikymo priemonėmis, tikslinės naudingumo didinimo schemos parengimas gali dar labiau pagerinti aukštos jungimo dažnio tiesinių valdiklių veikimą. Pirmoji schema – jungimo strategijos optimizavimas. Taikant minkštąjį jungimą, jungimo nuostoliai gali būti žymiai sumažinti. Minkštojo jungimo technologija realizuoja nulinį įtampų arba nulinį srovės jungimą pridedant pagalbines grandines, dėl ko mažėja įtampų ir srovės apkrova jungimo metu ir taip sumažėja nuostoliai. Antra schema – šilumos valdymo sistemos tobulinimas. Reikia suprojektuoti tinkamą šilumos šalinimo konstrukciją, pavyzdžiui, pridėti šilumos šalintuvus, šilumos vamzdelius arba naudoti skystojo aušinimo technologiją, kad būtų padidinta šilumos šalinimo galia. Kartu galima pridėti šilumos stebėjimo ir apsaugos grandines, kurios realiuoju laiku stebėtų mikroschemos temperatūrą ir reguliuotų valdiklio veikimo būseną per karščio sąlygomis, kad būtų išvengta perkaitimo. Trečioji schema – protingos valdymo technologijos integruojimas. Naudojant mikrovaldiklius galima realizuoti protingą valdiklio parametrų koregavimą, pavyzdžiui, realiuoju laiku koreguoti jungimo dažnį ir išėjimo įtampą atsižvelgiant į įkrovos būseną, dėl ko padidėja valdiklio naudingumas. Be to, optimizuojant montavimo plokštės išdėstymą, kad būtų sumažinta parazitinė induktyvumas ir talpa, taip pat galima sumažinti galios nuostolius ir elektromagnetinę sąveiką.

Norint patikrinti praktinio taikymo priemonių ir naudingumo didinimo schemos veiksmingumą, buvo sukurtas bandymų stendas. Bandymuose kaip pagrindinė įranga naudojamas 65 W greitojo įkrovimo maitinimo šaltinis, o aukštos perjungimo dažnio tiesiaeigis valdiklis naudoja galio nitrido įrenginį su 1 MHz perjungimo dažniu. Bandymų rezultatai rodo, kad taikant aukščiau minėtas priemones ir schemas valdiklio galios nuostoliai sumažėja 25 % lyginant su tradicine schema, greitojo įkrovimo maitinimo šaltinio naudingumas padidėja nuo 88 % iki 92 %, o mikroschemos temperatūra nuolatinės veiklos metu sumažėja 15 °C. Kartu sistema sukurta elektromagnetinė sąsaja žymiai sumažėja, o įkrovimo stabilumas ir saugumas efektyviai pagerėja. Bandymų rezultatai patvirtina, kad šiame straipsnyje siūlomos praktinio taikymo priemonės ir naudingumo didinimo schema yra įgyvendinamos ir veiksmingos, todėl jos gali efektyviai išspręsti aukštos perjungimo dažnio tiesiaeigius valdiklius greitojo įkrovimo maitinimo šaltiniuose kylančias problemas.

Didelės perjungimo dažnio tiesinės valdymo schemos svarbią vietą užima greitojo įkrovimo maitinimo šaltiniuose, tačiau praktikoje vis dar kyla problemų, tokių kaip didelė galios praradimas, silpna šiluminė stabilumas ir stiprus elektromagnetinis triukšmas. Per racionalų grandinės projektavimą, komponentų parinkimą ir šilumos valdymo priemones, kartu su minkštu perjungimu ir protingos valdymo technologijomis, galima žymiai pagerinti valdymo schemos naudingumo koeficientą ir stabilumą. Toliau vystantis galios elektronikos technologijoms, būsimos didelės perjungimo dažnio tiesinės valdymo schemos kelsis link aukštesnio dažnio, didesnio naudingumo koeficiento ir mažesnių gabaritų. Plačiosios juostos pusprietaisų medžiagų ir protingų valdymo algoritmų integracija taps pagrindine plėtros kryptimi, kas dar labiau skatins greitojo įkrovimo technologijų modernizavimą ir plėtrą bei geriau tenkins augančius greitojo įkrovimo poreikius įvairiose srityse.