مقدمه ای بر الکترونیک قدرت

الکترونیک قدرت مبحث بسیار پر کاربرد استفاده از قطعات قدرت مانند ماسفت ها ، آی جی بی تی ها ، تریستور ها و سایر ادوات قدرت می باشد که با استفاده از علم کنترل و تبدیل توان الکتریکی از ولتاژی به ولتاژ دیگر می باشد.

پیشرفت های روز افزون در زمینه ساخت ادوات قدرت با تکنولوژی ساخت کلید های قدرت یا پاور سویچ ها مانند تایریستور ها، GTO ، BJT ، IGBT و ماسفت ها قدرت یکی از دلایل پیشرفت سریع مباحث الکترونیک قدرت شد که دامنه کاربرد آن از توان های بسیار بالا در حد انتقال خطوط پر فشار تا توان های پایین برای لوازم الکتریک خانگی شده است .

از جمله کاربرد های تجهیزات الکترونیک قدرت در زمینه راه اندازی موتور های الکتریکی، کمپرسور ،پمپ ، وسایل نقلیه، لکوموتیو ، اتوماسیون های مختلف در کارخانجات ، رایانه ها، شارژر های باتری، منابع تغذیه ، UPS ، ادوات پزشکی و سایر موارد می باشد.

دامنه کاربری بسیار گسترده و پیشرفت هر روز علوم تولید ادوات و ملزومات دست به دست هم داده است تا با تمام توان این بخش از علم الکترونیک و بر پیشرفت چشم گیر داشته باشد .

الکترونیک قدرت به پردازش توان الکتریکی با استفاده از نیمه هادی های قدرت می پردازد. یکی از عناصر کلیدی در مبدل ها سویچ ها بوده که با روش های مختلفی از جمله سوئیچینگ توانسته اند بخش اعظمی از این مبدل ها را در اختیار داشته باشند.

یک مبدل برق سوئیچینگ شامل درگاه های ورودی توان بالا و ورودی های کنترل و نیز درگاه خروجی توان می باشد .

در مبدل های توان می توان از چندین حالت پایه نام برد .

1. مبدل های DC  به  DC
2. مبدل های DC  به  AC
3. مبدل های AC به  DC
4. مبدل های AC  به  AC

در تمام این حالات چهارگانه دامنه ولتاژ و فرکانس قابل کنترل و هدف کنترلی هستند .

کنترل در مبدل های سوئیچینگ همواره الزامی و ضروری بوده و به طور معمول ولتاژ خروجی را تنظیم و نیاز به جریان بار خروجی از مبدل را نظارت می کنند.

همواره در مبدل برق مسئله بازدهی از اهمّیّت فوق العاده ای برخوردار است که اولین دلیل آن صرفه جویی در هزینه های تولید برق مصرفی بوده است.

مبدل های برق با بازده زیاد هم ضروری هستند و هم مورد پذیرش عموم . این را هم بدانیم که توان خروجی یک مبدل برق بر توان ورودی برابر است با بازده مبدل برق ، همچنین توان تلف شده برابر است با تفاضل توان خروجی از توان ورودی . توان تلف شده در مبدل ها به حرارت تبدیل شده که حتما باید دفع شود که خود ایجاد بحران می کند.

هر چقدر توان تلف شده بیشتر شود خود عوامل بحرانی تری مانند سیستم خنک کاری قوی تری می طلبد . همچنین گرما در مبدل های برق باعث می شود که عناصر در دمای بالاتر کار کنند که این مسئله خود قابلیت اطمینان سیستم را پایین می آورد و نیز در توان های بسیار بالا خنک سازی بسیار گران شده و مقرون بصرفه نخواهد بود .

لذا افزایش راندمان کلیدی بوده و برای رسیدن به توان های بالاتر در تبدیل برق ضروری و نیاز اساسی ما است.

با استفاده از عناصر و قطعات الکترونیکی ماننده انواع مقاومت ها ، خازن ها، سلف ها ، ترانسفورماتور ها، کلید های قدرت و  ... می توان مدارات بسیار خوبی برای کار در ناحیه خطی طراحی و تولید کرد که در حالات سوئیچینگ به راحتی کار کنند.

در دو حالت توان تلف شده در عناصر نیمه هادی کم است یکی در حالتی که عنصر نیمه هادی در حالت خاموش کند جریان آن صفر است و ثانیا اگر در ناحیه روشن یا اشباع کار کند افت ولتاژ آن کم است که در این حالت نیز تلفات نا چیز خواهد بود .

یک روش بسیار ارزان قیمت ولی با بازده کم استفاده از مدار تقسیم ولتاژی است. در یک مبدل DC  به  DC که به صورت ساده شامل یک مقاومت متغیر باشد که مقدارش بر حسب ولتاژ خروجی مورد نیاز تنظیم می شود. جریان بار را از مسیر مقاومت متغیر برقرار خواهیم نمود .

در مدار دیگری اگر یک کلید دوحالته با مقاومت متغیر جایگزین کنیم هنگامی که کلید قطع است خروجی صفر است و ولتاژ منبع تغذیه یا باتری به بار نمی رسد و حالت ولتاژ صفر را خواهد داشت اما اگر کلید را وصل کنیم ولتاژ دو سر بار برابر با ولتاژ دو سر منبع تغذیه خواهد بود ( با صرفنظر از تلفات سیم ها و ادوات – ایده آل ) حال با این کار یک موج مربعی را ایجاد کرده ایم.

در حالتی که کلید ایده آل باشد توان تلف شده را صفر در نظر می گیریم و هنگامی که کلید را بسته ایم ولتاژ دو سر کلید صفر بوده و جریان از آن جاری است که توان تلف شده برابر صفر خواهد بود و اگر کلید را باز کنیم جریان صفر می شود و ولتاژ دو سر کلید هرچقدر باشد باز هم به دلیل جریان صفر توان صفر خواهد بود .

بنابر این تغیرات مولفه های DC ولتاژ با ادوات ایده آل به صورت توان تلفات صفر خواهد بود.