محولات ESU المدمجة: تضمين مكثف رنيني

محولات ESU المدمجة: تضمين مكثف رنيني

الملخص

يحتاج جهاز ESU المحمول إلى مرحلة إخراج خفيفة الوزن، لكن محول الإخراج وحده يزن ما بين 800 و1500 غرام. تُدمج هذه المقالة الجزء الرنيني داخل فجوة القلب، مما يُقصر مسار الجهد العالي ويُقلل من حث الحلقة. تُقلل المحاكاة المشتركة التسريب الابتدائي بنسبة 63% والتسريب الثانوي بنسبة 62%. يصل نموذج أولي بقدرة 400 واط وتردد 400 كيلوهرتز إلى كفاءة 94.7% في حجم 64%، مع انخفاض تكلفة المواد بنسبة 14%. تُقدم المقالة الدائرة المكافئة، وتأثير ESL على الاقتران، وقائمة المكونات.

1. مقدمة

تطورت وحدة المعالجة الكهربائية عالية التردد من الصمامات المفرغة إلى الترانزستورات ثم إلى التحكم الرقمي. ويتجه السوق الآن في اتجاهين متعاكسين. تشهد وحدات سطح المكتب نموًا في عدد الأنماط وقوة المعالجة، بينما تشهد الوحدات المحمولة والوحدات التي تعمل بالبطارية نموًا في حجم المبيعات، بمعدل يقارب 18% سنويًا حتى عام 2028.

يُبلغ الجراحون عن الحد الأقصى للوزن المسموح به من على طاولة العمل. فاستخدام قطعة يدوية يزيد وزنها عن 400 غرام يُسبب إرهاقًا في العمليات الجراحية التي تستغرق أكثر من ساعتين. ويزن محول الإخراج ما بين 800 و1500 غرام، ويُمثل ما بين 25 و35% من وزن النظام، لذا فهو يُحدد الحد الأقصى للوزن الإجمالي.

الحل المعتاد، وهو استخدام محول منفصل وجزء رنين منفصل، ينطوي على ثلاث تكاليف. يحتاج كل جزء إلى مساحة خاصة به وقواعد تثبيت منفصلة. تضيف الأسلاك الواصلة بينهما حثًا طفيليًا يتراوح بين 8 و15 نانو هنري، مما يؤدي إلى تغيير نقطة الرنين وخفض معامل الاقتران إلى 0.89. كما أن اللف اليدوي والتثبيت اللاصق يقللان من الإنتاجية.

تتضمن هذه المقالة تضمين الجزء في الفجوة الأساسية. وهي تقدم الدائرة المكافئة، وأرقام ESL، وتصميم الفجوة، والمسار الحراري، والبيانات المقاسة من نموذج أولي بقدرة 400 واط.

2. الآلية الأساسية

2.1 دائرة المحول المكافئة وكثافة الطاقة

يتحول المحول عالي التردد إلى شبكة على شكل حرف T. يقع ملف الحث المغناطيسي عبر الملف الابتدائي، بينما يقع ملفا الحث التسريبي على التوالي مع كل ملف، ويقوم محول مثالي بنسبة n إلى 1 بتغذية الحمل. تتناسب القدرة التي يمكن أن يحملها القلب الحديدي طرديًا مع حجمه وتردده وتدفقه المغناطيسي.

P_v = k · f · B_max · J · A_w · A_c

حيث P_v هي كثافة القدرة، وf تردد التشغيل، وB_max ذروة كثافة التدفق المغناطيسي، وJ كثافة التيار، وA_w مساحة النافذة، وA_c مساحة المقطع العرضي للقلب. يؤدي رفع التردد f إلى تقليص حجم القلب، لكن فقد الطاقة فيه يزداد بنسبة f^1.5، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة وزيادة مساحة التبريد.

2.2 مصدر الحث الطفيلي

في تصميم منفصل، يستقر الجزء الرنان على دعامة تبعد بضعة سنتيمترات عن القلب. يحدد طول السلك، بالإضافة إلى هندسة اللف، مقدار التسريب. يبلغ التسريب الابتدائي المقاس 185 نانو هنري، والثانوي 95 نانو هنري. حلقة مقاومة أخذ العينات يُظهر الرسم البياني الحالي تأكيدًا لكلا الأمرين. ثمّ يستقر معامل الاقتران عند 0.89 بدلًا من 0.98 الذي تتوقعه البنية المُحكمة.

يؤدي التسريب إلى تحريك نقطة الرنين. ويتبع تردد السلسلة الفعلي الحث الكلي في الحلقة.

f_actual = 1 / [2π√((L_leak + L_ESL) · C)]

حيث L_leak هي تسريب الملف، وL_ESL هي محاثة الجزء، وC هي السعة المتسلسلة، وf_actual هي نقطة التوصيل المتسلسلة. عند خفض L_ESL من 15 نانو هنري إلى 5 نانو هنري، ينخفض ​​انزياح التردد بنسبة 7% تقريبًا. ويتبع تموج الكسب المنحنى نفسه، ويتغير عمق القطع تبعًا له.

2.3 الجزء ESL ومعامل الاقتران

تُضاف محاثة المكون إلى التسريب على التوالي، لذا يُحدد نوع العبوة معامل الاقتران. يعمل مكون خزفي عادي ذو أطراف توصيل بحث يتراوح بين 8 و15 نانو هنري، مما يُخفض قيمة k بمقدار 0.05-0.08. أما مكون SMD متعدد الطبقات فيعمل بحث يتراوح بين 0.5 و2 نانو هنري، لكن تصنيفه يتوقف عند جهد أقل من 2 كيلو فولت. مقابض الابواب مكثف يعمل بجهد يتراوح بين 3-6 نانو هنري ويحافظ على قيمة k أعلى من 0.95 أثناء تغطية نطاق 10-30 كيلو فولت.

تُحدد هذه النقطة الأخيرة تصميم البنية. يجب أن يتحمل الجزء المدمج الجهد العالي الكامل مع الحفاظ على مقاومة كهربائية تبلغ بضعة نانوهنري. ولا يُمكن تحقيق ذلك إلا من خلال جسم أسطواني ذي أطراف توصيل قصيرة.

2.4 اختيار تصميم الشبكة لفئة 400 واط

تُستخدم أربعة أنواع من طوبولوجيات الرنين بشكل شائع في أعمال وحدات الطاقة الكهربائية. يتميز محول الرنين التسلسلي بالبساطة والكفاءة، ولكنه يُظهر أداءً ضعيفًا عند الأحمال الخفيفة. أما محول الرنين المتوازي، فيحافظ على أدائه الجيد عند انعدام الحمل، ولكنه يفقد كفاءته عند الأحمال الخفيفة. وتغطي مرحلة LLC نطاقًا واسعًا بكفاءة عالية، ولكنها تتطلب تصميمًا دقيقًا. بينما تضيف مرحلة LCC فرعًا متوازيًا، وتحافظ على كفاءة عالية في مراحل القطع والمزج والتخثير.

عند قدرة تزيد عن 400 واط، تبرز أهمية مرحلة LCC، لأن الحمل ينتقل عبر ثلاثة عقود بين الأنماط. يحدد الفرع التسلسلي نقطة الرنين، بينما يحدد الفرع المتوازي الكسب. مكثف الفيلم يغطي الفرع المتوازي للطاقة الكبيرة، لكن الفرع التسلسلي يحتاج إلى جزء سيراميكي منخفض ESL للحفاظ على النقطة.

الشكل 1 - يؤدي تحريك الجزء الرنان من دعامة إلى فجوة القلب إلى قطع مجموعة الأسلاك 15 نانو هنري إلى 3-6 نانو هنري، وبالتالي يظل معامل الاقتران عند 0.96 وتتوقف نقطة السلسلة عن الانجراف.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: يصل البناء المنفصل إلى الحد الأدنى للوزن

يُحدد الوزن بواسطة الأجزاء وقواعد التثبيت، وليس بواسطة الهيكل الأساسي فقط. يحتاج كل جسم منفصل إلى دعامة، وفاصل، ومجموعة أسلاك، ويُضيف كل منها كتلة. يبلغ حجم الهيكل المنفصل بقدرة 400 واط 80 مم × 60 مم × 50 مم، ويزن حوالي 850 غرامًا. إزالة الدعامة والأسلاك هي الطريقة الوحيدة لتغيير هذا الوزن.

نقطة الضعف الثانية: يؤدي الحث الطفيلي إلى تغيير نقطة الرنين

يؤدي توصيل سلك بقيمة 15 نانو هنري مقابل مكثف موصول على التوالي بقيمة 4.7 نانو فاراد إلى تحريك نقطة التوصيل بنسبة 8% تقريبًا. يتم ضبط الجهاز على طاولة العمل مع إزالة الغطاء، ثم تستقر الأسلاك وتتحرك النقطة مرة أخرى. والنتيجة هي انحراف في التردد بنسبة ±8.5% وتموج في الكسب بنسبة ±15%، والذي يظهر على شكل عمق قطع يتفاوت بين الأجهزة.

نقطة الألم الثالثة: الحرارة داخل بنية ضيقة

يُقلل التصميم المدمج من المسار الكهربائي، ولكنه يُقلل أيضًا من المسار الحراري. يقع القلب والملف والقطعة في حيز واحد، لذا يُسخن كل مصدر حراري المصدرين الآخرين. بدون مسار مُخطط، ترتفع درجة حرارة القطعة فوق الحد المُصمم لها، مما يؤدي إلى فقدان السعة. مع استخدام مادة الإيبوكسي العازلة وغلاف معدني، تبقى النقاط الساخنة المقاسة عند 68 درجة مئوية في القلب، و58 درجة مئوية على القطعة، و72 درجة مئوية على الملف.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: اختيار المادة الأساسية لتردد 400 كيلو هرتز

تغطي أربع درجات النطاق. تصل كل من PC40 وPC44 إلى التشبع عند 390 مللي تسلا، مع تفوق PC44 في انخفاض الفقد. تصل كل من PC95 و3C95 إلى التشبع عند 380 مللي تسلا مع انخفاض الفقد أيضًا، وتحافظ PC95 على نقطة كوري عند 230 درجة مئوية. بالنسبة لوحدة 400 واط، تحافظ PC44 أو PC95 على ارتفاع درجة حرارة القلب أقل من 60 درجة مئوية. يحمل قلب E70 قدرة 400 واط في مرحلة LCC.

الاستراتيجية الثانية: تحديد نسبة الانعطافات من الحافلة وذروة الازدحام المروري

تعتمد النسبة على ناقل الإدخال، وأقصى دورة تشغيل، وذروة الإخراج، والاقتران:

n ≈ V_in_dc · D_max / (V_out_peak · k_coupling)

حيث V_in_dc هو جهد دخل ناقل التيار المستمر، وD_max هي نسبة التشغيل القصوى، وV_out_peak هو جهد الخرج الأقصى، وk_coupling هو معامل الاقتران، وn هي نسبة عدد اللفات. عند جهد 48 فولت تيار مستمر، ونسبة تشغيل 0.9، وجهد ذروة 2000 فولت، وk = 0.96، تكون النسبة حوالي 1:44.

الاستراتيجية الثالثة: تحديد حجم جزء السلسلة

يحدد فرع السلسلة نقطة الرنين لمرحلة LCC:

f_s = 1 / (2π√(L_s · C_s))

حيث L_s هي المحاثة التسلسلية، وC_s هي السعة التسلسلية، وf_s هو التردد التسلسلي. عند L_s = 50 ميكروهنري وf_s = 400 كيلوهرتز، تصبح قيمة C_s حوالي 3.17 نانوفاراد. أما استخدام مكثف بقيمة 4.7 نانوفاراد فيترك هامش ضبط بدلاً من العمل عند الحد الأقصى.

الاستراتيجية الرابعة: تحديد حجم الفجوة حول الجزء

يستقر الجزء في فجوة محفورة في الساق المركزية، بحيث يتشارك جسمه والقلب مساحة واحدة. ويتبع طول الفجوة مساحة القلب ومعامل الحث المستهدف.

l_g = μ₀ · N_p² · A_e / L_m

حيث μ₀ هي نفاذية الفراغ عند 4π × 10⁻⁷ هنري/متر، وN_p عدد لفات الملف الابتدائي، وA_e مساحة القلب الفعالة، وL_m معامل الحث المغناطيسي، وl_g طول الفجوة. اترك مسافة 0.5-1 مم حول جسم القطعة للتجميع، واملأ الفراغ بإيبوكسي عالي التوصيل. غلّف سلك الجهد العالي وحافظ على مسافة زحف عند 8 مم/كيلوفولت أو أكثر.

الاستراتيجية الخامسة: دمج اللفات

رصّي الملفين الأساسي والثانوي بالتناوب، بالترتيب التالي: أساسي، ثانوي، أساسي، ثانوي. سيؤدي ذلك إلى توزيع المجال بشكل أكثر انتظامًا، وانخفاض التسريب، وبالتالي انخفاض فقد الطاقة الناتج عن الدوامات. استخدمي سلك ليتز على الملف الثانوي لتقليل تأثير السطح. استخدمي رقائق نحاسية على الملف الأساسي لتوزيع الحرارة. هذا التغيير البسيط هو ما يُحدث الفرق الأكبر في معدل التسريب.

الاستراتيجية السادسة: تخطيط المسار الحراري

تتسرب الحرارة من القلب والملف والجزء عبر طبقة الإيبوكسي وغلاف القلب والسطح الخارجي. استخدم إيبوكسي مملوءًا بين الجزء والقلب لضمان توصيل الفجوة للحرارة وعزلها في آنٍ واحد. ثم شغّل الوحدة بكامل طاقتها واقرأ النقاط الساخنة الثلاث. تأكد من أن جميعها ضمن نطاق 125 درجة مئوية لقيمة العزل الكهربائي وحدود القلب.

الاستراتيجية 7: تثبيت نافذة العملية

تُحدد ثلاث خطوات عملية الأرقام النهائية. لف السلك بضغط مُتحكم به، 50-80 غرامًا على سلك ليتز و300-500 غرامًا على الرقاقة المعدنية. تشريب السلك تحت فراغ عند ضغط 100 باسكال أو أقل لمدة 30 دقيقة أو أكثر، ثم معالجته عند 120 درجة مئوية لمدة 4 ساعات. إزالة الغازات من مادة الإيبوكسي المُغلِّفة تحت فراغ لمنع الفقاعات من خفض جهد بدء التفريغ الجزئي. إنهاء العملية باختبار جهد عالٍ بنسبة 100% عند 1.5 ضعف جهد التشغيل لمدة 60 ثانية مع حد تسريب لا يتجاوز 1 ميكرو أمبير.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
الجهد المقدر HVDCT-472	20 كيلو فولت العاصمة	جهد عالي 1.5× لمدة 60 ثانية
مواسعة	4.7 نانو فاراد ±5%	1 ميجاهرتز، 1 فولت RMS
ESL، جسم قصير	3-6 نانوهيدروجين	1 ميجاهرتز، طول السلك 8 مم
معامل الاقتران، الجزء المضمن	فوق 0.95	400 كيلو هرتز، حمل كامل
مقاومة العزل	أعلى من 100 جيجا أوم عند 500 فولت تيار مستمر	25 درجة مئوية، 60% رطوبة نسبية
نطاق درجة حرارة	-40 ° C إلى + 125 ° C	سلسلة IEC 60068-2
قدرة نبض dv/dt	أعلى من 50 كيلو فولت/ميكروثانية	عند الجهد المقدر

5. مكثفات HVC للفجوة المدمجة

يعمل التصميم المدمج بكفاءة عندما يحمل جزء واحد الجهد العالي، ويحافظ على قيمته حتى مع ارتفاع درجة الحرارة، ولا يضيف أي حث تقريبًا. تقوم شركة HVC بتصنيع أجزاء لهذا الغرض، من مصنع مملوك لها في دونغقوان تبلغ مساحته 6000 متر مربع، ضمن نطاق جهد يتراوح من 1 كيلوفولت إلى 150 كيلوفولت.

ستة معايير مهمة هنا

• ESL من 3-6 نانو هنري. يحافظ جسم HVDCT ذو الأسلاك القصيرة على معامل الاقتران أعلى من 0.95 عند 400 كيلو هرتز، لذلك لا يؤدي الجزء المدمج إلى انحراف الحلقة.
• 4.7 نانوفاراد عند 20 كيلوفولت. HVDCT-472 يغطي فرع سلسلة LCC بهامش ضبط أعلى من الهدف 3.17 نانو فاراد.
• دقة ±5%. الفئة الأولى N4700 تحافظ المادة العازلة على قيمتها من -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية، لذا فإن نقطة السلسلة تبقى ثابتة مع ارتفاع درجة حرارة القلب.
• ظل الزاوية δ أقل من 0.1% عند 1 ميجاهرتز. انخفاض الفقد يحافظ على برودة الجزء داخل الفجوة، حيث يكون المسار الحراري قصيرًا.
• قطع غيار متطابقة. HVR-BSP المقاومات ذات الأغشية السميكة, ثنائيات المقوم، ويتم شحن الأجزاء المتطابقة من نفس الخط وتناسب نفس الخطة الحرارية.
• راجع العلامات التجارية الرائدة. تتوافق أجزاء نظام التبريد والتكييف عالي الكفاءة مع المعايير الكهربائية لـ VISHAY، موراتا، وسلسلة مقابض الأبواب TDK، وتعمل في إنتاج وحدات ESU المحمولة بكميات كبيرة.

التوصيل والدعم

يتم شحن القطع القياسية خلال 4-8 أسابيع، ومجموعات المحولات المتطابقة خلال 6-10 أسابيع. يرجى إرسال مستوى الطاقة، وجهد ناقل البيانات، وتردد التبديل، ورسم تخطيط القلب. سترسل لكم شركة HVC قائمة بالقطع مع بيانات ESL وESR بتردد 400 كيلوهرتز، بالإضافة إلى مخطط تخطيط الفجوات، وذلك خلال خمسة أيام عمل.

6. أسئلة مكررة

س1: ما مقدار الوزن الذي يوفره التصميم المدمج؟

في تصميم 400 واط، ينخفض ​​الوزن من حوالي 850 غرامًا إلى حوالي 420 غرامًا، أي بنسبة 51%. وينخفض ​​الحجم من 185 سم³ إلى 118 سم³. ويعود معظم هذا الانخفاض إلى إزالة الحامل ومجموعة الأسلاك، وليس إلى استخدام قلب أصغر. ويحمل قلب E70 نفسه نفس القدرة البالغة 400 واط.

س2: لماذا يعتبر جزء اللغة الإنجليزية كلغة ثانية مهماً للغاية؟

لأنه يزيد من تسرب الملف في التوصيل التسلسلي. يؤدي استخدام سلك توصيل بقيمة 15 نانو هنري مع مكثف موصول على التوالي بقيمة 4.7 نانو فاراد إلى تحريك نقطة التوصيل التسلسلي بنسبة 8% تقريبًا، مما يُخفض قيمة k من 0.98 إلى 0.89. أما استخدام جسم ذي أسلاك توصيل قصيرة بقيمة 3-6 نانو هنري فيُبقي قيمة k أعلى من 0.95، ويُقلل الانحراف إلى 2.1%. هذا هو الفرق بين وحدة مضبوطة ووحدة غير مضبوطة.

س3: ما هي المادة الأساسية التي يجب أن أختارها لتردد 400 كيلو هرتز؟

PC44 أو PC95. يصل كلاهما إلى التشبع عند حوالي 390 ملي تسلا و380 ملي تسلا، ويحافظ PC95 على نقطة كوري عند 230 درجة مئوية. يحافظ كلاهما على ارتفاع درجة حرارة النواة أقل من 60 درجة مئوية عند 400 واط في نواة E70. يعمل PC40 بقدرة أقل ولكنه يسخن أكثر عند هذا التردد.

س4: كيف يمكنني تحديد طول الفجوة؟

من معامل الحث المغناطيسي المطلوب: l_g = μ₀ · N_p² · A_e / L_m. يجب أن يتناسب جسم القطعة مع هذه الفجوة بمسافة خلوص تتراوح بين 0.5 و1 مم، لذا اختر حجم القلب بناءً على قطر القطعة وقدرتها. املأ الفراغ بمادة إيبوكسية مملوءة، وقم بتغليف سلك الجهد العالي بسلك ذي مسافة زحف تبلغ 8 مم/كيلوفولت.

س5: هل ترتفع درجة حرارة الجزء المدمج؟

يمكن ذلك، لأن القلب والملف والقطعة تشترك في حجم واحد. بلغت القراءة المقاسة عند الحمل الكامل 68 درجة مئوية في القلب، و72 درجة مئوية على الملف، و58 درجة مئوية على القطعة. جميعها تبقى ضمن نطاق درجة حرارة العزل الكهربائي البالغة 125 درجة مئوية. تقوم طبقة الإيبوكسي المعبأة بين القطعة والقلب بمعظم العمل.

س6: ما هي الكفاءة التي يجب أن أتوقعها عند الحمل الخفيف؟

تكون الزيادة الأكبر في هذه النقطة. عند تحميل بنسبة 10%، تصل كفاءة البناء المنفصل إلى 74.2% وكفاءة البناء المدمج إلى 82.5%، أي بزيادة قدرها 8.3 نقطة. عند التحميل الكامل، تصل الكفاءة إلى 88.5% و94.7% على التوالي. تحافظ بنية LCC على هذا التوزيع بين عمليات القطع والمزج والتخثير، وهذا ما يجعلها مناسبة لوحدة متعددة الأوضاع.

7. المراجع

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, المعدات الكهربائية الطبية - الجزء 1: المتطلبات العامة للسلامة الأساسية والأداء الأساسيجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2012.
2. IEC 60601-2-2: 2017 ، المعدات الكهربائية الطبية - الجزء 2-2: متطلبات خاصة للسلامة الأساسية والأداء الضروري لمعدات الجراحة عالية التردد وملحقاتهاجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
3. إيك 60384-8، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 8: المكثفات الثابتة ذات العازل الخزفي، الفئة 1جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2015.
4. إيك 60270، تقنيات اختبار الجهد العالي - قياسات التفريغ الجزئيجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2015.
5. إريكسون، آر دبليو، وماكسيموفيتش، د. أساسيات إلكترونيات القدرة، الطبعة الثالثة. تشام: سبرينغر، 2020.
6. موهان، ن.، أنديلاند، ت.م.، وروبنز، و.ب. إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة. هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي، 2003.
7. هـ. وانغ وف. بلايبيرغ، موثوقية المكثفات لتطبيقات وصلة التيار المستمر في محولات إلكترونيات الطاقة - نظرة عامة، مجلة IEEE للمعاملات في التطبيقات الصناعية، المجلد 50، العدد 5، الصفحات 3569-3578، 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. ملاحظات حول موسم القوس وتصميم اللوحة (ملاحظة فنية حول القوس الكهربائي عالي الجهد، وبقايا التدفق والتصميم)، شركة جوهانسون للعوازل الكهربائية، https://www.johansondielectrics.com/docs/3939/arc-season-and-board-design-observations.pdf .
9. غيغابايت / تي 17702-2021، 电力电子电容器 (المكثفات لإلكترونيات الطاقة). بكين: 国家市场监督管理总局، 2021.
10. رشيد، م.ح. (محرر)، دليل إلكترونيات الطاقة، الطبعة السابعة، أكسفورد: باتروورث-هاينمان، 4.
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com