استفاده از فناوری منابع برق ACDC و روند آینده

جهانی را تصور کنید بدون منبع تغذیه—گوشی‌های هوشمند، رایانه‌ها و حتی وسایل نقلیه الکتریکی ما از کار می‌افتادند و تمدن مدرن را به حالت توقف در می‌آوردند. این جزء الکترونیکی بی‌ادعا به عنوان زیرساخت حیاتی عمل می‌کند که وجود دیجیتال ما را نیرو می‌دهد. این مقاله اصول کار، تکامل فناوری و روندهای آینده سیستم‌های تبدیل توان AC/DC را بررسی می‌کند.

منبع تغذیه یک دستگاه الکتریکی است که جریان ورودی (معمولاً از برق شهری) را به مقادیر ولتاژ و جریان دقیقی که توسط تجهیزات متصل شده مورد نیاز است، تبدیل می‌کند. عملکرد اصلی آن شامل تحویل توان پایدار و کنترل شده به یک یا چند بار است، در حالی که نوسانات ولتاژ ورودی و سایر اختلالات خارجی را جبران می‌کند.

منابع تغذیه در دو پیکربندی اصلی وجود دارند: واحدهای خارجی (مانند شارژرهای لپ‌تاپ) و ماژول‌های داخلی (موجود در رایانه‌های رومیزی). آنها بیشتر به انواع تنظیم شده (حفظ خروجی ثابت با وجود تغییرات ورودی) و تنظیم نشده (جایی که خروجی با تغییرات ورودی نوسان می‌کند) تقسیم می‌شوند.

جریان مستقیم (DC) به طور مداوم در یک جهت جریان دارد که معمولاً توسط باتری‌ها، سلول‌های خورشیدی یا مبدل‌های AC/DC تولید می‌شود. اکثر دستگاه‌های الکترونیکی با توان DC کار می‌کنند. جریان متناوب (AC) به طور دوره‌ای جهت خود را معکوس می‌کند و اساس شبکه‌های انتقال برق را تشکیل می‌دهد.

از آنجایی که خانوارها برق AC دریافت می‌کنند در حالی که دستگاه‌ها به DC نیاز دارند، تبدیل ضروری می‌شود. منبع تغذیه AC/DC این شکاف را با تبدیل ولتاژ شبکه به توان DC سازگار با دستگاه پر می‌کند.

• ولتاژ/جریان پیک: بیشترین دامنه شکل موج
• فرکانس: چرخه‌های تکمیل شده در ثانیه (اندازه‌گیری شده در هرتز)
• مقدار ریشه میانگین مربعات (RMS): مقدار موثر ولتاژ/جریان (Vpeak/√2 برای امواج سینوسی خالص)
• فاز: تفاوت زاویه‌ای بین شکل موج‌ها (بحرانی در سیستم‌های سه فاز)

برق AC به دلیل راندمان تبدیل آن بر شبکه‌های انتقال غالب است. تأسیسات تولید معمولاً برق 40 کیلوولت تولید می‌کنند که برای کاهش تلفات به 150-800 کیلوولت افزایش می‌یابد. پست‌های منطقه‌ای این را به 4-35 کیلوولت کاهش می‌دهند قبل از تبدیل نهایی به 120 ولت یا 240 ولت برای مصرف‌کننده.

این زنجیره تبدیل ولتاژ برای سیستم‌های DC غیرعملی است زیرا ترانسفورماتورهای معمولی به میدان‌های مغناطیسی متناوب متکی هستند—پدیده‌ای منحصر به برق AC.

مبدل‌های AC/DC خطی سنتی از ترانسفورماتورها برای کاهش ولتاژ ورودی قبل از یکسو‌سازی و فیلتر کردن استفاده می‌کنند. در حالی که این طرح‌ها قابل اعتماد هستند، با محدودیت‌های قابل توجهی مواجه هستند:

• ترانسفورماتورهای حجیم با فرکانس پایین
• تنظیم ولتاژ ناکارآمد از طریق اتلاف گرما
• مقیاس‌پذیری محدود برای کاربردهای با توان بالا

منابع تغذیه سوئیچینگ مدرن، فناوری تبدیل را از طریق عملکرد با فرکانس بالا (معمولاً 50 کیلوهرتز-1 مگاهرتز) متحول کردند. این سیستم‌ها:

1. ورودی AC را مستقیماً یکسو و فیلتر می‌کنند
2. DC را به پالس‌های با فرکانس بالا خرد می‌کنند
3. ولتاژ را با استفاده از ترانسفورماتورهای فشرده با فرکانس بالا تبدیل می‌کنند
4. خروجی را دوباره یکسو و فیلتر می‌کنند

مناطق مسکونی معمولاً از توان تک فاز (یک هادی زنده + خنثی) استفاده می‌کنند، در حالی که کاربردهای صنعتی از سیستم‌های سه فاز (سه هادی با جداسازی فاز 120 درجه) استفاده می‌کنند. پیکربندی‌های سه فاز راندمان و پایداری انتقال توان برتری را ارائه می‌دهند و بارهای صنعتی سنگین و شارژ سریع EV (120 کیلووات+ در مقابل 7 کیلووات برای تک فاز) را فعال می‌کنند.

استانداردهای ولتاژ جهانی به طور قابل توجهی متفاوت هستند:

برنامه‌های کاربردی مدرن به منابع تغذیه فشرده و کارآمدی نیاز دارند که قادر به حفظ عملکرد در بارهای متغیر باشند. در حالی که مبدل‌های سوئیچینگ بر طرح‌های فعلی غالب هستند، تحقیقات مداوم بر موارد زیر متمرکز است:

• نیمه‌رساناهای باند پهن (SiC/GaN) برای راندمان بالاتر
• سیستم‌های کنترل دیجیتال پیشرفته
• مغناطیس‌های یکپارچه برای کاهش بیشتر اندازه
• سازگاری ولتاژ ورودی جهانی

این تکامل فناوری به پیشبرد مرزهای چگالی توان و راندمان تبدیل ادامه می‌دهد و نسل‌های جدیدی از دستگاه‌های الکترونیکی و سیستم‌های انرژی را ممکن می‌سازد.