چاپرهای جریان مستقیم: مروری بر توپولوژی ها، مواد نیمه هادی، روش های کنترل و چالش های فرکانس بالا در کاربردهای توان متوسط و بالا

چاپرها به عنوان یکی از اساسی ترین مبدل های الکترونیک قدرت، نقش حیاتی در تبدیل ولتاژ جریان مستقیم با راندمان بالا و قابلیت کنترل دقیق در کاربردهایی از قبیل منابع تغذیه سوئیچینگ، خودروهای برقی و سیستم های انرژی تجدیدپذیر ایفا می کنند. این مقاله به بررسی جامع توپولوژی های اصلی چاپرها شامل کاهنده، افزاینده و کاهنده-افزاینده، روش های مدولاسیون عرض پالس و فرکانس، ادوات نیمه هادی سیلیکونی، گالیم نیترید و کاربید سیلیکون، و کنترل کننده های تناسبی-انتگرالی-مشتقی، پیش بین و مبتنی بر شبکه عصبی می پردازد. داده های تجربی گردآوری شده نشان می دهد که افزایش فرکانس سوئیچینگ از ۵ به ۲۰ کیلوهرتز، راندمان چاپر مبتنی بر ترانزیستور دوقطبی را از ۹۱ به ۸۳ درصد کاهش می دهد اما ابعاد سلف را ۴۰ درصد کوچک تر می کند. استفاده از IGBT به جای ماسفت در توان ۱۰ کیلووات، راندمان را از ۸۸ به ۹۴ درصد افزایش می دهد. در فرکانس ۱۰ مگاهرتز، ماسفت های گالیم نیترید راندمان ۸۲ درصدی دارند در حالی که ماسفت های سیلیکونی تنها ۶۲ درصد راندمان ارائه می دهند. چاپرهای اینترلیو شده چهارفاز در توان ۵ کیلووات، راندمان ۹۷.۸ درصد و چگالی توان ۶.۵ کیلووات بر لیتر دارند که به طور قابل توجهی بالاتر از چاپرهای کلاسیک با راندمان ۹۳.۵ درصد و چگالی توان ۳.۲ کیلووات بر لیتر است. کنترل کننده ی مبتنی بر شبکه عصبی، زمان پاسخ به تغییرات ولتاژ ورودی را از ۱.۲ میلی ثانیه به ۰.۳۵ میلی ثانیه کاهش می دهد. در دمای محیط ۱۰۰ درجه سانتی گراد، ماسفت های اکسید گالیم راندمان ۹۴.۸ درصدی دارند در حالی که گالیم نیترید به ۹۱.۲ درصد کاهش می یابد. نرخ خرابی سالانه چاپرهای نصب شده در سیستم های فتوولتائیک ۳.۲ درصد است و خرابی خازن های الکترولیتی با ۴۲ درصد موارد شایع ترین علت است. در مجموع، ادوات با شکاف باند وسیع امکان طراحی چاپرهایی با فرکانس چند مگاهرتز و چگالی توان بالای ۲۰ وات بر سانتی متر مکعب را فراهم کرده اند.

کلیدواژه ها:

چاپر ، مبدل کاهنده ، مبدل افزاینده ، گالیم نیترید ، کاربید سیلیکون ، مدولاسیون عرض پالس ، کنترل پیش بین ، چگالی توان