HV-Bus-Assisted Flyback Converter With Only One Additional Active Switch for Leakage- Energy Recycling and Full-Range Soft Switching

في عالم الكهرباء الحديث، غالبًا ما تنتقل الطاقة عبر طريق سريع عالي الجهد لتصل إلى وجهتها، بينما تتطلب الأجهزة التي تستخدمها بالفعل — مثل الحواسيب والمستشعرات وأجهزة التحكم — تيارًا منخفض الجهد وأكثر لطفًا. ولتجسير هذه الفجوة، يستخدم المهندسون دوائر متخصصة لخفض الجهد، ومن الضروري أن تعزل الجانب منخفض الجهد عن جانب الجهد العالي لمنع الصدمات الخطيرة. ومن أكثر الأدوات شيوعًا لهذه المهمة جهاز يسمى "محول فلاي باك" (flyback converter). إنه يعتبر من الأدوات الأساسية في الصناعة، ويحظى بتقدير لسهولته وتكلفته المنخفضة، ولكنه يعاني من خلل مستمر؛ فداخل قلبه المغناطيسي، تُحبس كمية ضئيلة من الطاقة في فجوة تسمى "الحث التسربي" (leakage inductance). وعندما ينطفئ المفتاح الرئيسي، لا تجد هذه الطاقة المحبوسة مكانًا تذهب إليه سوى الارتطام بالمفتاح، مما يخلق نبضة جهد عنيفة. ولحماية الدائرة، يضيف المهندسون عادةً صمام أمان يقوم ببساطة بحرق هذه الطاقة الزائدة على شكل حرارة، مما يهدر الطاقة ويجعل النظام أقل كفاءة.

اقترح باحثون في جامعة كاوهسيونغ الوطنية للعلوم والتكنولوجيا في تايوان طريقة جديدة للتعامل مع هذه الطاقة المهدورة دون إضافة أجزاء معقدة. فقد صمموا نسخة معدلة من محول "فلاي باك" تستفيد من خط طاقة الجهد العالي الموجود بالفعل في النظام لإعادة تدوير تلك الطاقة المحبوسة. وبدلاً من ترك الطاقة تتبدد كحرارة، تقوم دائرتهم بتوجيهها عائدة إلى ناقل الجهد العالي (high-voltage bus)، حيث يمكن استخدامها مرة أخرى. لا يعمل هذا النهج على استعادة الطاقة المهدورة فحسب، بل يعمل أيضًا على تنعيم عملية التبديل، مما يسمح للمفتاح الإلكتروني الرئيسي بالعمل والتشغيل والإيقاف بأقل قدر من الاحتكاك الكهربائي. قام الفريق ببناء واختبار ثلاثة نماذج عاملة لهذا المحول الجديد، مما أثبت قدرته على العمل بشكل مستقل، وإعادة تدوير الطاقة، والعمل بكفاءة عبر نطاق واسع من مستويات الطاقة.

يكمن جوهر هذا الابتكار في كيفية استغلال الباحثين للبيئة المحيطة بالمحول. ففي العديد من الأنظمة الحديثة، مثل تلك الموجودة في المركبات الكهربائية أو مراكز البيانات، يوجد ناقل تيار مستمر عالي الجهد يعمل جنبًا إلى جنب مع بطارية. يتصل المحول الجديد، الذي يسميه المؤلفون "المحول المساعد بناقل الجهد العالي" (HV-bus-assisted flyback converter)، مباشرة بالبطارية ولكنه يستخدم مكونًا إضافيًا واحدًا فقط للتواصل مع ناقل الجهد العالي ذاك. وفي أبسط صوره، يكون هذا المكون الإضافي مجرد "ديود" (diode)، وهو صمام كهربائي يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط. فعندما ينطفئ المفتاح الرئيسي، يفتح هذا الديود مسارًا لتلك الطاقة التسربية المحبوسة للتدفق عائدة إلى خط الجهد العالي بدلاً من احتراقها. هذا الإجراء يعمل على كبح نبضة الجهد، مما يحمي المفتاح ويستعيد الطاقة التي كانت ستضيع لولا ذلك.

ومع ذلك، أدرك الباحثون أنه يمكنهم تقديم أداء أفضل من خلال استبدال هذا الديود البسيط بمفتاح يتم التحكم فيه بشكل نشط. فمن خلال تشغيل هذا المفتاح وإيقافه في لحظات دقيقة، يمكنهم إجبار كمية صغيرة من التيار على التدفق في الاتجاه المعاكس عبر المكون المغناطيسي قبل تشغيل المفتاح الرئيسي مباشرة. يعمل هذا التيار العكسي مثل يد لطيفة تضغط على زنبرك، حيث يقوم بتفريغ الشحنة الكهربائية التي تتراكم على المفتاح. وهذا يسمح للمفتاح الرئيسي بالعمل عندما يكون الجهد عبره صفرًا بالفعل، وهي حالة تُعرف باسم "التبديل عند جهد صفر" (zero-voltage switching). عندما يعمل مفتاح بجهد صفر، فإنه لا يولد أي حرارة تقريبًا ويخلق ضوضاء كهربائية ضئيلة جدًا، وهو تحسن كبير مقارنة بالطرق التقليدية حيث يصارع المفتاح جهدًا عاليًا.

لإثبات مفهومهم، أنشأ الفريق ثلاثة نماذج أولية مادية، كل منها بقدرة 200 واط، بجهود خرج تبلغ 12 و24 و48 فولت. قاموا بتوصيل هذه الوحدات بناقل جهد عالي مشترك مضبوط عند 400 فولت وببطارية تتراوح بين 120 و150 فولت. تضمن الإعداد محولًا ثنائي الاتجاه منفصلاً لإدارة تدفق الطاقة بين البطارية وناقل الجهد العالي، مما يضمن قدرة وحدات "فلاي باك" الجديدة على العمل بشكل مستقل دون التداخل مع بقية النظام. أظهرت التجارب أن الوحدات تعمل تمامًا كما هو متوقع؛ فعندما يعمل المفتاح الرئيسي، كان الجهد عبره صفرًا بالفعل، مما أكد قدرة التبديل الناعم. كما تم توجيه طاقة التسرب بنجاح إلى ناقل الجهد العالي، وظلت جهود الخرج مستقرة حتى عند تغير الحمل بسرعة أو تذبذب جهد البطارية.

تم قياس نتائج الأداء بدقة. فعندما استُخدم المفتاح المساعد كديود فقط، حققت المحولات كفاءة حمل كامل بنسبة 87.2 بالمائة لنموذج 12 فولت، و92.6 بالمائة لنموذج 24 فولت، و95.3 بالمائة لنموذج 48 فولت. وعندما قام الباحثون بتفعيل التحكم الكامل في المفتاح المساعد لتمكين التبديل عند جهد صفر، تحسنت الكفاءة بشكل أكبر؛ حيث وصل نموذج 12 فولت إلى 89.6 بالمائة، ونموذج 24 فولت إلى 94.2 بالمائة، وحقق نموذج 48 فولت نسبة 96.1 بالمائة. تشير هذه الأرقام إلى أنه بينما يضيف التحكم النشط قدرًا ضئيلًا من التعقيد، فإن تقليل خسائر التبديل يجعل النظام أكثر كفاءة، خاصة عند مستويات الطاقة العالية. لاحظ الباحثون أن ديود الخرج ظل المصدر الأكبر لفقدان الطاقة في النظام، لا سيما في النماذج ذات الجهد المنخفض حيث يكون التيار أعلى، لكن المكاسب الإجمالية كانت كبيرة.

كانت إحدى أهم النتائج هي قدرة النظام على العمل بشكل مستقل. فقد عملت وحدات الجهد الثلاث المختلفة جنبًا إلى جنب على نفس ناقل الطاقة، ولم يؤدِ تغيير الحمل في إحداها إلى إزعاج الوحدات الأخرى. يشير هذا إلى أن التصميم نموذجي للغاية، مما يعني أن المهندسين يمكنهم بسهولة إضافة المزيد من الوحدات إلى نظام ما دون الحاجة إلى إعادة تصميم الدائرة بأكملاء أو القلق بشأن التفاعلات المعقدة بين المكونات. نجح نظام التحكم، الذي يديره متحكم دقيق واحد، في تنظيم جهد الخرج عبر جميع الظروف، بما في ذلك عندما تم رفع جهد البطارية من 120 إلى 150 فولت. كما كان الاستجابة العابرة (transient response)، أو مدى سرعة تفاعل النظام مع التغيرات المفاجئة في الطلب على الطاقة، سريعة، حيث استقرت في غضون بضعة مللي ثوانٍ فقط.

قارنت الدراسة أيضًا تصميمهم بالحلول الأخرى الموجودة التي تحاول إعادة تدوير طاقة التسرب أو تحقيق التبديل الناعم. تتطلب العديد من تلك البدائل مفاتيح أو مكثفات أو محثات إضافية متعددة، مما يزيد من تكلفة وحجم وتعقيد الدائرة. في المقابل، يحقق التصميم الجديد أهدافه باستخدام مفتاح نشط واحد وديود واحد فقط، مما يحافظ على عدد المكونات منخفضًا. وبينما أظهرت بعض المحولات الأخرى كفاءة أعلى قليلاً في اختبارات محددة، غالبًا من خلال استخدام تقنيات تقويم متزامنة أكثر تعقيدًا تتطلب تحكمًا متطورًا، إلا أن هذا النهج الجديد يقدم حلاً متوازنًا؛ فهو يحافظ على الهيكل البسيط ومنخفض التكلفة الذي يجعل محولات "فلاي باك" شائعة، مع إضافة فوائد الأداء المتمثلة في إعادة تدوير الطاقة والتبديل الناعم.

خلص الباحثون إلى أن نهج المساعدة بناقل الجهد العالي هذا يوفر حلاً عمليًا ومنخفض التكلفة لتحويل الطاقة المعزولة في الأنظمة التي يتواجد فيها ناقل جهد عالي وبطارية معًا. فمن خلال إعادة تدوير طاقة التسرب وتمكين التبديل الناعم، يقلل التصميم من توليد الحرارة والضوضاء الكهربائية، وهي عوامل حاسمة لموثوقية إمدادات الطاقة الصناعية، وأنظمة التوزيع في المصانع، وإعدادات تخزين البطاريات. إن الاختبار الناجح للوحدات الثلاث يثبت أن النظرية تصمد في العالم الحقيقي، مما يوفر مسارًا نحو إلكترونيات طاقة أكثر كفاءة ومتانة دون عبء التعقيد المفرط. ويعد هذا العمل مثالاً واضحًا على كيف يمكن لتعديل بسيط ومستهدف لدائرة كلاسيكية أن يؤدي إلى تحسينات كبيرة في الأداء والكفاءة.