محولات التيار المستمر (DC/DC Converters)

مقدمة:

أحياناً في نظام التيار المستمر DC نحتاج إلى أن نتحكم بالجهد ليتناسب مع الجهد المطلوب سواءً بخفض الجهد أو رفعه كالجهد الغير منتظم الناتج من الأنظمة الشمسية والموجود بالصورة (1)، وكما نعلم أن المحول الكهربائي (Transformer) يقوم بتحويل الجهد من مستوى لآخر لكنه يعمل فقط على نظام التيار المتردد AC ولا يعمل على نظام التيار المستمر DC، فما العمل للتحكم بالجهد في نظام التيار المستمر DC؟ المحول المستخدم لذلك هو محول نظام التيار المستمر (DC/DC Converter) كما هو مبين بالصورة (1)، دعونا نتعرف عليه وعلى أشهر أنواعه باختصار.

صورة (1): مثال لاستخدام محول التيار المستمر في نظام الطاقة الشمسية. [1].

نظرة عامة:

محول نظام التيار المستمر عبارة عن محول تعمل على تحويل جهد DC من قيمة معينة إلى قيمة أخرى باستعمال دائرة إلكترونيات القوى (Power Electronics Circuit)، وتقوم أيضاً بتحويل التيار من قيمة منخفضة إلى قيمة أعلى أي أن القدرة ثابتة عند عملية التحويل وهذا أهم ما يميز محول نظام التيار المستمر عن بعض مخفضات ومنظمات الجهد التي تستهلك قدرة عند تحويل الجهد.

أنواع محولات التيار المستمر:

تختلف أنواع محولات التيار المستمر باختلاف العناصر الكهربائية الموجودة فيها سواءً كان اختلاف كلي للعناصر الكهربائية أو حتى اختلاف ترتيب العناصر فيها، ومن أشهر أنواعها:

1- محول تيار مستمر خافض للجهد (Buck Converter).

2- محول تيار مستمر رافع للجهد (Boost Converter).

3- محول تيار مستمر خافض-رافع للجهد (Buck-Boost Converter).

وتتشابه جميعها في العناصر الكهربائية وتختلف في ترتيب العناصر الكهربائية، أي أن كل نوع من هذه الأنواع لها نفس العناصر الكهربائية وفي نفس الوقت كل نوع له ترتيبه الخاص لهذه العناصر، وسنتحدث ونفصل كل نوع على حده.

أولاً: محول تيار مستمر خافض للجهد (Buck Converter):

تعريفه: هو عبارة عن محول (DC/DC Converter) يعمل على تحويل جهد مستمر DC من قيمة مرتفعة إلى قيمة أقل باستعمال دائرة إلكترونيات القوى (Power Electronics Circuit)، ويقوم أيضاً بتحويل التيار من قيمة منخفضة إلى قيمة أعلى أي أن القدرة ثابتة عند عملية التحويل.

مكوناته:

كما نرى بالدائرة المكافئة للمحول الخافض للجهد بالصورة (2) تتكون من:

1- مصدر جهد DC.

2- مفتاح إلكتروني (Electronic Switch) ومن أشهرها MOSFET و IGBT و BJT.

3- محث (Inductor).

4- مكثف (Capacitor).

5- دايود (Diode).

6- الحمل الذي سيتم تغذيته بجهد الخرج (Vout).

صورة (2): الدائرة الكهربائية المكافئة للمحول الخافض للجهد. [2]

آلية العمل:

يمكننا تقسيم آلية العمل إلى قسمين هما:

1- المفتاح الإلكتروني (ON).

2- المفتاح الإلكتروني (OFF).

وسنتحدث عن كل قسم، فيما يلي:

1- المفتاح الإلكتروني (ON):

في هذه الحالة سيتم تمرير التيار من المصدر إلى المفتاح الإلكتروني ثم إلى المحث ثم يصل إلى الحمل كما هو مبين بالصورة (3)، وسيتم شحن المحث لفترة زمنية معينة أي سيكتسب فرق جهد أيضاً سيبدأ المكثف بتخزين الطاقة.

صورة (3): آلية عمل المحول الخافض في حالة المفتاح الإلكتروني مغلق . [3]

2- المفتاح الإلكتروني (OFF):

بعد أن تم شحن المحث إلى فترة زمنية محددة سيتم فتح المفتاح ليتم تفريغه إلى الحمل كما هو مبين بالصورة (4) وسيبدأ المكثف بتفريغ الطاقة، و عند تطبيق قانون كيرشوف سنجد أن جهد الخرج أصبح أقل لأن جهد تغذية الحمل أصبح من المحث فقط.

صورة (4): آلية عمل المحول الخافض في حالة المفتاح الإلكتروني مفتوح. [3]

لكن على ماذا تعتمد قيمة جهد الخرج التي سيتم إنتاجها؟ الإجابة هي على قيمة Duty Cycle (D) ، والتي تعرف بأنها نسبة الفترة الزمنية لحالة المفتاح الإلكتروني (ON) على الفترة الزمنية كاملة للدورة الواحدة، وكلما زادت D ازدادت معها قيمة جهد الخرج (Vout) والتي تعطى بالعلاقة الرياضية الموجودة بالصورة (5).

صورة (5): علاقة رياضية توضح أثر تغير Duty Cycle على جهد الخرج في المحول الخافض للجهد. [4]

ثانياً: محول تيار مستمر رافع للجهد (Boost Converter):

تعريفه: Boost Converter هو عبارة عن محول (DC/DC Converter) يعمل على تحويل جهد DC من قيمة منخفضة إلى قيمة أعلى باستعمال دائرة إلكترونيات القوى (Power Electronics Circuit)، ويقوم أيضاً بتحويل التيار من قيمة عالية إلى قيمة منخفضة أي أن القدرة ثابتة عند عملية التحويل.

مكوناته:

كما نرى بالدائرة المكافئة للمحول الرافع للجهد بالصورة (6) فإنه تتكون من:

1- مصدر جهد DC.

2- محث (Inductor).

3- مفتاح إلكتروني (Electronic Switch) ومن أشهرها MOSFET و IGBT .

4- مكثف (Capacitor).

5- دايود (Diode).

6- الحمل الذي سيتم تغذيته بجهد الخرج (Vout).

صورة (6): الدائرة الكهربائية المكافئة للمحول الرافع للجهد. [5]

آلية العمل:

يمكننا تقسيم آلية العمل إلى قسمين، هما:

1- المفتاح الإلكتروني (ON).

2- المفتاح الإلكتروني (OFF).

وسنتحدث عن كل قسم، فيما يلي:

1- المفتاح الإلكتروني (ON):

في هذه الحالة سيتم تمرير التيار من المصدر إلى المحث ثم إلى المفتاح الإلكتروني كما هو مبين بالصورة (7)، وسيتم شحن المحث لفترة زمنية معينة أي سيكتسب فرق جهد ولن يتم تمرير تيار في الطرف الآخر.

صورة (7): آلية عمل المحول الرافع للجهد في حالة المفتاح الإلكتروني مغلق. [6]

2- المفتاح الإلكتروني (OFF):

بعد أن تم شحن المحث إلى فترة زمنية محددة سيتم فتح المفتاح ليتم تفريغه إلى الطرف الآخر وسيبدأ المكثف بتخزين الطاقة كما هو مبين بالصورة (8)، و عند تطبيق قانون كيرشوف سنجد أن جهد الخرج ازداد لأن جهد تغذية الحمل أصبح من المصدر الرئيسي بالإضافة إلى جهد المحث الذي تم شحنه، لكن ما الذي يضمن لنا عدم تمرير التيار من المحث إلى الطرف الآخر من الحمل؟

الجواب هو وجود الدايود ووضعه بالطريقة الموجودة بالصورة (8) حيث أنها تضمن للتيار في أن يسير في اتجاه واحد، أيضاً يضمن لنا عدم تمرير التيار من المكثف إلى الطرف الآخر من الحمل.

صورة (8): آلية عمل المحول الرافع في حالة المفتاح الإلكتروني مفتوح. [6]

وكما أن جهد الخرج للمحول الخافض للجهد يعتمد على قيمة Duty Cycle (D)، أيضاً جهد الخرج (Vout) المحول الرافع للجهد يعتمد على D، وكلما زادت D زادت معها قيمة جهد الخرج (Vout) والتي تعطى بالعلاقة الموجودة بالصورة (9).

صورة (9): علاقة رياضية توضح أثر تغير Duty Cycle على جهد الخرج في المحول الرافع للجهد. [4]

ثالثاً: محول خافض-رافع (Buck-Boost Converter):

تعريفه: هو عبارة عن محول (DC/DC Converter) يعمل على تحويل جهد DC من قيمة مرتفعة إلى قيمة أقل (Buck) أو العكس (Boost) باستعمال دائرة إلكترونيات القوى (Power Electronics Circuit)، ويقوم أيضاً بتحويل التيار من قيمة منخفضة إلى قيمة أعلى أو العكس أي أن القدرة ثابتة.

مكوناته:

كما نرى بالدائرة المكافئة للمحول الخافض-الرافع للجهد بالصورة (10)، فإنه تتكون من:

1- مصدر جهد DC.

2- مفتاح إلكتروني (Electronic Switch) ومن أشهرها MOSFET و IGBT.

3- محث (Inductor).

4- دايود (Diode).

5- مكثف (Capacitor).

6- الحمل الذي سيتم تغذيته بجهد الخرج (Vout)، ونلاحظ أن قطبية الحمل عكس قطبية المصدر.

صورة (10): الدائرة الكهربائية المكافئة للمحول الخافض-الرافع للجهد. [7]

آلية العمل:

كما تم تقسيم آلية عمل Buck Converter و Boost Converter إلى قسمين، أيضاًٍ يمكننا تقسيم آلية العمل إلى قسمين هما:

١- المفتاح الإلكتروني (ON).

٢- المفتاح الإلكتروني (OFF).

وسنتحدث عن كل قسم، فيما يلي:

١- المفتاح الإلكتروني (ON):

في هذه الحالة يتم تمرير التيار من المصدر إلى المفتاح الإلكتروني إلى الملف ليتم تخزين الطاقة فيها دون المرور إلى الجانب الآخر (الحمل)، كما هو مبين بالصورة (11).

صورة (11): آلية عمل المحول الخافض- الرافع في حالة المفتاح الإلكتروني مغلق . [8]

2- المفتاح الإلكتروني (OFF):

الآن وبعد أن تم فتح المفتاح الإلكتروني سيتم تفريغ الطاقة التي تم تخزينها في الملف إلى الحمل كما هو مبين بالصورة (12) ،وسيبدأ المكثف بتخزين الطاقة ونلاحظ أن اتجاه تيار الحمل معاكس لاتجاه تيار المصدر بمعنى أن قطبية جهد الحمل معاكسة لقطبية جهد المصدر.

صورة (12): آلية عمل المحول الخافض-الرافع في حالة المفتاح الإلكتروني مفتوح. [8]

وكما هو الحال في Buck Converter و Boost Converter أيضاً جهد الخرج (Vout) في Buck-Boost Converter يعتمد على قيمة Duty Cycle والتي تعطى بالعلاقة الرياضية الموجودة بالصورة (13)، ويعمل ك Buck في حال إذا كانت قيمة D أقل من 0.5 وأكبر من 1 Boost في حال إذا كانت قيمة D أكبر من 0.5 وأقل من 1.

صورة (13): علاقة رياضية توضح أثر تغير Duty Cycle على جهد الخرج في المحول الخافض-الرافع للجهد. [4]

ملاحظة هامة:

يجب التنويه أن العلاقات الرياضية السابقة لجميع أنواع محولات القدرة الثلاث مبنية على عدة افتراضات أهمها:

1- مقاومة المحث تساوي صفر وفي الواقع لا تساوي صفر.

2- الدايود مثالي أي أن قيمة الجهد بين طرفيه و الذي سيتم استهلاكه (Voltage Drop) يساوي صفر وفي الواقع ليس كذلك، وقيمة الجهد بين طرفيه تعتمد على شبه الموصل المصنوعة منها، ومن أشهر أشباه الموصلات التي تصنع منها الدايودات هو السيليكون وقيمة الجهد الذي سيستهلكه في حال إن كان الدايود مصنوع من السيليكون هو 0.7 فولت.

3- الترانزيستور (المفتاح الإلكتروني) أيضا مثالي وفي الواقع ليست كذلك بل لها قيمة أعلى من الصفر بقليل جداً لذلك تهمل.

4- سعة المكثف كبيرة جداً وبالتالي جهد الخرج ثابت وفي الواقع سعة المكثف محدود وبالتالي فإن جهد الخرج ليست ثابتة بل ستحتوي على تموجات (Ripples) غالباً تكون طفيفة ولذلك نفترض أن جهد الخرج ثابت.