סקירה על יישומי טופולוגיה ובקרה של שנאים אלקטרוניים להספק במתח בינוני-גבוה II

2 בחירת מבנה כולל של PET

טופולוגיות PET מגוונות מאוד. בהתבסס על מספר שלבי המרת האנרגיה, ניתן לסווג אותן לסוגים חד-שלביים, דו-שלביים ותלת-שלביים [7]. מבנים דו-שלביים כוללים כאלה עם אפיקי DC במתח גבוה ונמוך, כפי שמוצג באיור 1.

ב-PET חד-שלבי (איור 1(א)), תדר בינוני/גבוה שנאי בידוד מחבר ממירי AC/AC משני הצדדים. ממיר AC/AC בצד הראשוני מווסת את מתח הקלט AC בתדר קו למתח AC בתדר גבוה, אשר מצומד דרך השנאי ולאחר מכן מומר חזרה למתח AC בתדר קו על ידי ממיר AC/AC בצד המשני. ל-PET חד-שלבי יש פחות שלבי המרה ופחות רכיבים, יעילות גבוהה וצפיפות הספק גבוהה. עם זאת, היעדר אפיק DC הופך אותם ללא מתאימים לרשתות AC/DC היברידיות, ובקרת ניתוק הספק היא מורכבת.

שנאי PET דו-שלביים כוללים אפיק DC בצד המתח הגבוה או הנמוך. הטופולוגיה בצד אחד של שנאי הבידוד דומה לזו של PET חד-שלבי, בעוד שהצד השני מתחבר לאפיק DC דרך מעגלי AC/DC או DC/AC (איור 1(ג) ואיור 1(ד)). עם חיבורי DC במתח גבוה או נמוך, שנאי PET דו-שלביים יכולים להתחבר לרשתות DC במתח בינוני/גבוה בצד המתח הגבוה או למערכות פוטו-וולטאיות/אחסון בצד המתח הנמוך. עם זאת, ההספק הפעיל המועבר על ידי ממירים משני צידי שנאי הבידוד רגיש מאוד לפרמטרי השראות דליפה של השנאי. בנוסף, קבל אפיק ה-DC חווה תנודות משמעותיות בתדר הקו הכפול, ותנודות זרם הממיר גדולות [7], מה שהופך את הבקרה למאתגרת.

לטרנזיסטורי PET תלת-שלביים (איור 1(ב)) יש אפיקי DC משני צידי המתח הגבוה והנמוך. זרם AC בתדר קווי הקלט מיושר לאפיק DC במתח גבוה באמצעות המרה AC/DC, מווסת לגלים מרובעים בתדר גבוה, מצומד לצד המתח הנמוך באמצעות שנאי תדר בינוני/גבוה, מיושר לאפיק DC במתח נמוך, ולבסוף הפוך למתח AC בתדר קווי באמצעות המרה DC/AC. טרנזיסטורי PET תלת-שלביים יכולים להתחבר למערכות DC במתח גבוה ונמוך כאחד. השליטה על כל שלב המרה היא עצמאית יחסית, מה שמקל על בקרת ניתוק ופיצוי. עם זאת, שלבי המרה מרובים גורמים למבנה המורכב ביותר. בשל התכנון הרב-שלבי, טופולוגיות PET תלת-שלביות משיגות ביתר קלות חיבור מדורגים בצד המתח הגבוה ומקבילים בצד המתח הנמוך, ועונות על צרכי יישומי מתח בינוני/גבוה. לפיכך, טופולוגיות תלת-שלביות הן הנפוצות ביותר במחקר ויישומי PET במתח בינוני/גבוה.

עבור PETs ביישומי מתח בינוני/גבוה, לצד המתח הנמוך יש רמות מתח נמוכות עם מגבלות מתח מינימליות על המכשיר. לעומת זאת, שלב יישור המתח הגבוה ושלב הבידוד הביניים מתמודדים עם רמות מתח גבוהות, מה שמטיל דרישות מחמירות יותר על טופולוגיות מעגלים והתקנים. מחקרים קיימים מתמקדים בשני כיוונים: ① טופולוגיות ושיטות בקרה חדשות עבור PETs במתח בינוני/גבוה המבוססות על דירוגי מתח המכשירים הקיימים; ② טופולוגיות ובקרות PET המשתמשות בהתקנים חדשים במתח גבוה, כגון התקני SiC של 10kV [8, 9]. עם זאת, התקני SiC במתח גבוה עדיין נמצאים בשלב המחקר והפיתוח במעבדה, והתקנים מסחריים עדיין אינם יכולים לעמוד בדרישות המתח. לכן, טופולוגיות מרובות מודולים מדורגות או מרובות רמות של מודול יחיד משמשות כדי לעמוד בדרישות מתח קלט גבוה. טופולוגיות אופייניות מוצגות באיור 2, ונותחו בסעיף 3.