אווה אוהמאייר, Excelitas Technologies
ספקי כוח במתח גבוה (HVPS) דרושים בקונפיגורציות וקיבולות רבות. המידות, סוג המעטה, המשקל, כניסות ויציאות, מיסוך תרמי והפרעות אלקטרומגנטית (EMI), שיטת הקירור, המחברים וכדומה, יכולים להשתנות מיישום ליישום. בעוד שיצרנים מסוימים מציעים מוצרים סטנדרטיים שיכולים להימכר “כמוצר מדף”, יישומי HVPS בדרך כלל מצריכים התאמה אישית. בהתאם למפרטים, דרישות רגולטוריות, תוכנית הפיתוח של יצרני ציוד מקורי. ההתאמה של פלטפורמה קיימת, שינויים המבוקשים על ידי הלקוח וגורמים אחרים, התהליך יכול לארוך עד שנה. HVPS המתוכנן מההתחלה יכול לקחת זמן ארוך אף יותר.
חברת Excelitas Technologies מתכננת ומייצרת ספקי כוח בעלי ביצועים גבוהים ואמינות גבוהה לדרישות הייחודיות של לקוחות ויישומים ספציפיים. מוצרים המפותחים על ידי החברה מספקים רמות הספק של עד 100kW, עם מתחי יציאה הנעים בין 300V ועד 750kV. ספקי הכוח של החברה מותאמים באופן אישי ליישומים ספציפיים, עם עשרות דגמים חדשים המפותחים בכל שנה. מאמר זה דן בכמה מפרמטרי התכן והביצועים שצריך לקחת בחשבון כדי לתכנן ולייצר HVPS.
שיקולים הנדסיים בתכנון של HVPS
HVPS שייכים לקבוצה מגוונת של התקנים המספקים כוח חשמלי למעגלים אלקטרוניים. הם כוללים ספקי כוח AC ל-DC, ממירים מ-DC ל-DC, וספקי כוח מבוקרי זרם. למעשה כל ה-HVPS החדשים מתוכננים עם טכנולוגית מצב מתג (switch mode), כדי להשיג ביצועים גבוהים תוך שמירה על גודל קטן ועלויות נמוכות. הרשימה של טופולוגיות מצב מתג היא ארוכה ולכל אחת מהאפשרויות יש יתרונות ביצועים בתחומים או ביישומים מסוימים. יש לציין גם שבמקרים רבים, ה-HVPS צריך לספק מספר יציאות.
יש הבדלים גם באופן בו ספק הכוח ארוז, עם לוחות מעגלים חשופים, מודולים, מסגרות פתוחות, מסגרות סגורות, ומדפים שהם הווארייציות האופייניות.
מערכות HVPS גדולות יכולות להיות מותקנות בתוך ארונות. איור 1 מתאר ספקי HVPS מודולריים שונים ושתי יחידות גדולות המותקנות בארון.
הבחירה במערכת בידוד ב-HVPS מתקבלת בדרך כלל בהתאם למתח היציאה, הספק היציאה והמארז. מערכות בידוד אופייניות מבוססות על אוויר, שמן דיאלקטרי, אפוקסי, סיליקון RTC וגופרית הקספלואוריד (SF). גם שיטת הקירור מהווה שיקול שיש לקחת בחשבון, והאפשרויות הן בדרך כלל אוויר, מים או שמן, בהתאם לתכן הפלטפורמה, כמות החום שצריך לפזר, מתח היציאה, ושיקולים של תשתית ההתקנה. איור 2(א) להלן הוא צילום של בית ממולא סיליקון RTC המאחסן ספק כוח לקרני רנטגן לשימוש רפואי של Excelitas ואיור 2(ב) מתאר בית ממולא שמן המכיל ספק HV של Excelitas. לאחר מכן, יש מאפיינים ספציפיים הנדרשים על פי היישום, כמו למשל תיקון מקדם ההספק, מספר ויכולת הכוונון של היציאות, וממשק המשתמש או הבקרה. בקרות אופייניות כוללות לוח קדמי מקומי (אנלוגי או דיגיטלי), ממשק חשמלי כולל אותות אנלוגיים ודיגיטליים, וכן ממשקי מחשב כולל YSB, אתרנט, RS232 ו-GPIB.
עבור דרישות מתח נמוכות ובינוניות, לפעמים ספק כוח מהמדף יכול לענות על צורכי היישום. מצד שני, דרישות כוח במתח גבוה כמעט תמיד מצריכות פתרון ייחודי, בעיקר בגלל שספק כוח קיים יכול לעתים רחוקות לענות על השילוב הספציפי של המפרטים המתייחסים לביצועים, אריזה, קירור ומידות פיזיות. גם לשיקולים של הפחתת סיכונים ובטיחות יש חלק חשוב. לדוגמה, הגנה מובנית מפני היווצרות קשת, השפעות EMI, וירידות במתח קו הכניסה מבטיחים את שלמות הציוד, בעוד שאמצעי תכן, כמו למשל מעגלי שולבים, אחסון אנרגיה נמוך עקב פעולה בתדירות גבוהה, וויסות מעגל הבקרה של היציאה, מיועדים להגן על העובדים ועל הציוד.
ההגדרה של “מתח גבוה” משתנה בהתאם להקשר. גורמי בטיחות הבוחנים מעגלים אלקטרוניים בדרך כלל מגדירים מתח של יותר מ-48 כמתח גבוה, בעוד שתקן החשמל הארצי (NEC) האמריקאי קובע מתח גבוה מ-600 וולט.
לפעמים מתייחסים לרמה שרירותית גבוהה או שווה ל-1kV כמתח גבוה. למטרות מאמר זה, Excelitas מתייחסת למוצרי מתח גבוה בטווח של 300
עד 750.
למרות השונות בתכן ובביצועים, HVPS מתוכננים בדרך כלל כפי שמוצג באיור 3, כשהם כוללים מסנן EMI, מעגל תיקון מקדם הספק (PFC), מיישר, ממיר, שנאי מתח גבוה, מכפיל/מסנן-מיישר, מחלק מתח גבוה, ומערכת בקרת משוב. האופן בו הרכיבים הללו מסודרים במעגלים תלוי בסוג ה-HVPS ובגישת הטופולוגיה המיושמת על ידי מהנדס התכן כדי לעמוד במפרטים. מתח הכניסה יכול להיות AC או DC, כאשר יחידות עם הספק נמוך יותר משתמשות בדרך כלל ב-DC (עד 36VDC), וספקי כוח חזקים יותר מיועדים
ל-AC ( עד 480).
כפי שמוצג באיור 3, הספק הכניסה מוזן בתחילה דרך מסנן EMI ושלב מיישר כדי לייצר DC (על ידי המרת הכניסה, אם זו כניסת AC), וכדי לסנן רעשי שווא. המיישר כולל גם מעגלים לתיקון מקדם ההספק כדי להקטין למינימום את זווית המופע, בין צורת הגל של הזרם והמתח, כדי להשיג מקדם הספק טוב (ההספק בפועל חלקי ההספק הריאקטיבי) גדול מ-0.8 ואפילו גבוה עד כדי 0.99.
תיקון מקדם ההספק יכול להיות פסיבי או אקטיבי. מעגל פסיבי, שהוא הטכניקה המועדפת בדרך כלל ליחידות עם הספק גבוהה, כולל רשת משרנים וקבלים, והוא יכול לעתים קרובות ליצור מקדם הספק גבוה כדי 0.94, כאשר מודדים בהספק מלא. תיקון מקדם הספק אקטיבי, מצד שני, מוכתב לפעמים על ידי תקנות ממשלתיות מאחר והוא יכול ליצור מקדם הספק העולה על 0.98 בכל הטווח של יציאת ההספק של ה-HVPS. תקני CE אשר נקבעו על ידי האיחוד האירופי, לדוגמה, יכולים להיות ישימים במונחים של תכולה הרמונית ביישומים מסוימים. יתרון נוסף של PFC אקטיבי הוא העובדה שנוצר פס DC מווסת, הגורם לעתים קרובות לויסות הקו של ה-HVPS טוב כל כך עד שהוא למעשה לא ניתן למדידה. מעגלים פסיביים יוצרים פס DC עם ערך התלוי בגודל קו ה-AC .Excelitas יכולה לתכנן גם תיקון מקדם הספק חיובי תלת פאזי וגם חד פאזי, וכן PFC פסיבי.
אם נתייחס שוב לאיור 3, יציאת המתח DC הנוצרת מהמסנן מיושמת על ממיר תהודה, אשר לאחר מכן יוצר אות AC בתדר גבוה. הממיר מניע את הליפופים העיקריים של שנאי “מעלה” מתח גבוה, השלב הבא בתהליך. הממיר יכול להקשות על תכן ספק הכוח, מבחינת הזהירות המיוחדת בה צריך לנקוט כדי להבטיח אמינות ויעילות גבוהים, וכדי להשיג את השוליים הרצויים מבחינת נקיבת הרכיב.
למרות שזרימת האותות והשלבים המוצגים באיור 3 מובנים היטב, הטופולוגיות בפועל יכולות להיות מסובכות ומאתגרות למהנדס כדי ליצור יציאת כוח יציבה העומדת בדרישות הלקוח והיישום. השנאי, לדוגמה, מצריך שיקול דעת קפדני של גורמים כמו למשל גיאומטריית הליבה, מספר הסלילים הראשוניים והמשניים, האופן בו הסלילים מלופפים, והסוג והשיטה של הבידוד משכבה לשכבה. כאן יכולות להיווצר בעיות מבחינת קיבול, פריצת בידוד, ותנאים לא רצויים אחרים. כמו בשלב הממיר, ניסיון הנדסי עשיר ויישום של שיטות “ניסוי וטעייה” הם חיוניים כדי להגיע לתכן נאות.
השלב הבא הוא מכפיל המתח הגבוה, הכולל רשת של דיודות מתח גבוה וקבלים ליישור, סינון והכפלה של מתח השנאי. תהליך התכן כולל ניתוח של המעגלים, פיתוח אב טיפוס, ובדיקה כדי להבטיח את התוצאות הרצויות. יש להגן על המעגלים מפני אנרגיה גבוהה המשתחררת כאשר קבלים טעונים נפרקים (היפוך מתח), ובאופן כללי, ספק הכוח צריך להיות מסוגל לעמוד בשינויים בזרמים ובמתחים. התכן של HVPS כדי להניע שפופרת קרני רנטגן הוא דוגמה להגנה הנדרשת על המעגל, במובן זה שה-HVPS צריך להיות מסוגל לעמוד בהשפעות הרגעיות של היווצרות קשת, תוך התמודדות עם תגובת הקשת של המערכת כולה.
השלב האחרון, עבור רוב הדרישות, הוא מחלק מתח גבוה מקוזז עם לולאת משוב. המחלק מצריך תכן קפדני כדי להשיג את התגובה הרגעית הדרושה, להגביל עליות יתר פתאומיות, ולתפקד באופן נאות בזמן פעולות הפעלה וכיבוי רגילות. הנחת היסוד הבסיסית היא שיחס החלוקה של AC יהיה שווה ליחס החלוקה של DC של מחלק המשוב, כך שה-HVPS יווסת באופן מדויק בזמן תנאים רגעיים (הדלקת מתח גבוה, כיבוי, פריקת מטען, היווצרות קשת). כמו כן חשוב מאוד שמחלק מתח גבוה מתוכנן כהלכה יאפשר ניטור מתח גבוה מדויק, המציג באופן אמין מה קורה ביציאת המתח הגבוה בזמן אמת.
כפי שמוצג באיור 3, מעגל הבקרה משלב ספק כוח עזר במתח נמוך, הנקרא ספק “אחזקה” להפעלת מעגלי בקרה (וסת, לוגיקת תקלות, בקרה מרחוק וכדומה). בעת הצורך, אפשר לשלב פונקציות נוספות בתכן ה-HVPS. דוגמה לכך היא ה-Omniblock, מקור קרני רנטגן שלם המשלב את שפופרת קרני הרנטגן עם ה-HVPS במעטה קומפקטי אחד.
יישומי HVPS עבור Excelitas
בשל טווחי המתח וההספק הקיימים ב-Excelitas, ספקי כוח יכולים לענות על הדרישות של מספר פלחי שוק, ולהשתלב במגוון רחב של ציוד מקורי. טבלה 1 מספקת רשימה חלקית של יישומים ומוצרים.
מוצרים ספציפיים “חוצים את הקווים” מבחינת פלחי שוק. HPVS, לדוגמה, משמשים כדי להפעיל לייזרים למטרות כמו טיפולים רפואיים, בדיקות אופטיות, יישור פלטפורמות X-Y מדויקות, וריתוך ללא מגע. מערכות לבדיקות באמצעות קרני רנטגן, המשלבות גם HVPS (השפופרת וספק הכוח ארוזים לפעמים ביחד כמוצר אחד), משמשות לפעולות מגוונות החל מבדיקת מטענים בנמלי תעופה ועד יישומים תעשייתיים לבדיקות ללא הרס. החברה תכננה וייצרה גם ספקי כוח לטעינת קבלים ליישומים העובדים עם הספק פולסים, במיוחד במכשירי לייזר ופנסים.
תכנון ופיתוח ספק כוח של Excelitas
כפי שצוין קודם לכן, התהליך של תכנון וייצור מותאמים של HVPS יכול לקחת עד כדי שנה. לקוחות שהם יצרני ציוד מקורי בדרך כלל לא רוצים לתכנן ספק כוח מההתחלה, והם מחפשים טכנולוגיית פלטפורמה קיימת כנקודת התחלה מוכחת וחסכונית למוצר חדש. ברוב המקרים, לא ניתן להשתמש בספק כוח מהמדף בשל ייחודיות דרישות התכן והביצועים.
כדי לעמוד בתוכנית הפיתוח של מערכת יצרן ציוד מקורי בה ה-HVPS ישולב, על מתכנן מערכת הציוד המקורי לספק לחברה מפרטים עיקריים ראשוניים ופרטים רלוונטיים, בשלב מוקדם ככל הניתן בתהליך הפיתוח. (פרטים רלוונטיים יכולים לכלול דרישות שאינן מפרטים כמו חומרים, תהליך יצור, בדיקה, בניית אב טיפוס, ספקים מאושרים, תיעוד וכדומה). למעשה, השתתפות מוקדמת של החברה יכולה לא רק לפשט ולהאיץ את התכנון והפיתוח, אלא גם לאפשר למחלקת ההנדסה של החברה לעבוד עם הלקוח כדי להגיע לביצועים ומפרטים פיזיקליים אופטימליים (גודל, משקל, סוג מעטה, שיטת קירור וכדומה) של ספק הכוח.
בשלבים הראשוניים של מאמץ התכן המותאם, החברה מעדיפה לבקר באתר הלקוח כדי לראות את השלב הנוכחי של תכן הציוד המקורי ולבדוק את הציפיות שייתכן שלא משתקפות במפרט. למעשה, ברוב המקרים, גם אם המפרט מפורט מאוד, הוא לא כולל את כל האספקטים הרלוונטיים של דרישות התכן והביצועים. ביקורים של החברה אצל יצרן הציוד המקורי צריכים לכלול, כמינימום, את ראש הפרויקט ומהנדסי התכן העובדים על הפרויקט.
דיונים טכניים ודיוני מצב קבועים בין מתכנני המערכת והחברה יועילו ללקוח מבחינת לוח זמנים, איכות מוצר ועלות. הדיונים הללו מתקיימים בדרך כלל בטלפון, אבל יכולים להצריך ביקורים, ישיבות מחוץ לאתר ומפגשים אינטרנטיים. מתוך האינטראקציה בין עובדי החברה והלקוח, נוצר תכן עקרוני המתייחס לדרישות יצרן הציוד המקורי, תוך מניעה (או לפחות מזעור) של עיכובים בפרויקט, והקטנה למינימום של סיכוני מתח גבוה לציוד ולאנשים. יעילות הפרויקט אף היא משתפרת מאחר ואפשר להקצות משאבים (עובדים, מתקנים, רכיבים, חומרים וכדומה) ולקבוע לוחות זמנים לניהול חסכוני של הפרויקט.
חשוב להבין שמפרטים או פרמטרים מסוימים מכתיבים או מגדירים את גישת התכן. כמו כן בדרך כלל יש סט של שקלולי תמורות (trade-offs) בין למשל שלושה פרמטרים, כאשר כדי להשיג מצב אופטימלי של הפרמטר החשוב ביותר, קשה יותר להשיג מצב אופטימלי בשני הפרמטרים האחרים, ולכן דרוש חומר נוסף או גודל גדול יותר כדי להשיג זאת. בהחלטות שקלול התמורות הללו עובדי החברה יכולים לתרום רבות ליצרן הציוד, כדי למנוע מפרטים קשים ליישום העלולים להעמיס עלויות מיותרות על הלקוח. עבור ספקי כוח מסוג DC, דוגמה לכך היא תנודות יציאה לעומת אנרגיה אצורה לעומת תגובה רגעית. אפשר להשיג תנודות יציאה נמוכות מאוד על ידי הוספת קיבול יציאה, אבל הדבר יגדיל את האנרגיה האצורה בספק הכוח ועלול להזיק לעומס המחובר לספק הכוח. לחילופין, אפשר להקטין את התנודות על ידי תדרי מיתוג גבוהים יותר המגדילים את פיזור ההספק או מצריכים התקני מוליכים למחצה יקרים יותר. הבנת שקלולי התמורות עוזרת להגיע לתכן אופטימלי של היישום.
באופן דומה יש שקלולי תמורות לגבי מפרטים ותכן ביישומי טעינת קבלים. קצב הטעינה בדרך כלל משוקלל כנגד דיוק והדירות. קצב טעינה מהיר יותר מאפשר קצב חזרה גבוה יותר, המגדיל את הספק היציאה עבור קבל מטען נתון, ועלול להגדיל את העלות והגודל. בנוסף, חשוב להבין את טיב מאפייני הפריקה כדי לקבוע את רמת הספק השיא או ההספק הרגעי, אשר יכול להיות מפרט תכן חשוב יותר מאשר יציאת ההספק הממוצעת הדרושה.
1מתחי הכניסה DC השכיחים ביותר הם 12
ו-24. מתחי AC תלויים לעתים קרובות במדינה. 115/230Vac, 60Hz, לדוגמה, הוא התקן בארצות הברית, בעוד שהתקן במרבית אירופה הוא 240Vac, 50Hz. מתח הקו במדינות באסיה שונה מזה שקיים בארצות הברית ובאירופה, ספקי כוח יכולים להיות מתוכננים גם למגוון מתחי כניסה.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת ניו טכנולוג’י
