مبدل DC-DCچیست؟
مبدل DC-DC مبدلی است که سطح ولتاژ DC منبع ورودی را به سطح ولتاژ DC دیگری تبدیل می کند. تبدیل DC-DC را می توان به طور مستقیم یا با استفاده از روش های جایگزین انجام داد. راه جایگزین این است که ورودی DC را به AC تبدیل کنید و پس از افزایش یا کاهش ولتاژ AC با استفاده از ترانسفورماتور افزاینده یا کاهنده به دوباره به ولتاژDCتبدیل شود.
این روش برای تبدیل سطح ولتاژ DC بسیار طولانی و دشوار است. روش کوتاه و مستقیم تبدیل مستقیم DC-DC با استفاده از مبدل بوست (boost)یا مبدل باک(buck) است. کار مبدل بوست تقویت ولتاژ ورودی است در حالی که مبدل باک برای کاهش سطح ولتاژ ورودی استفاده می شود.
دو توپولوژی اصلی در مبدل های DC-DC وجود دارد که به نام مبدل های DC ایزوله و غیر ایزوله شناخته میشوند. کلمه ایزوله به معنای مستقل بودن وعدم اتصال ورودی و خروجی مبدل DC-DC است که این ایزولاسیون توسط بخش AC انجام میشود.
نمونه هایی از اینورترهای DC-DC غیر ایزوله عبارتند از Buck، Boost، Buck-Boost، Cuk و مبدل SEPIC. در مقابل، نمونه هایی از مبدل های ایزوله عبارتند از مبدل های Push-pull، Forward، Flyback، Half-Bridge و Full-Bridge.
المان اصلی در مبدل های DC-DC غیر ایزوله یک سوئیچ کنترل شده است. وقتی سوئیچ روشن است؛ ولتاژ ورودی در سرتاسر بار ظاهر می شود در حالی که ولتاژ ظاهر شده در سراسر سوئیچ صفر است. در مقابل، هنگامی که کلید خاموش است، ولتاژ صفر در بار ظاهر می شود در حالی که تمام ولتاژ ورودی در سراسر سوئیچ ظاهر می شود.
سوئیچ به صورت متناوب روشن و خاموش می شود،که باعث ایجادیک جریان ضربانی در خروجی میشود. سپس خروجی از فیلتر عبور می کند که مقدار متوسط DC خروجی ضربان دار را استخراج می کند. سپس مقدار متوسط DC توسط زمان روشن و خاموش شدن سوئیچ که به عنوان Duty cycle شناخته می شود، کنترل می شود. در حالت ایده آل تلفات توان صفر است زیرا توان ورودی برابر با توان خروجی است.
مبدل کاهنده(buck)
یک مبدل باک مستقیماً سطح ولتاژ ورودی DC اعمال شده را پایین می آورد.در اینجا به طور مستقیم به این معنی است که مبدل باک مبدل DC غیر ایزوله است. مبدل های غیر ایزوله برای تمام مدارهای سطح برد که نیاز به تبدیل محلی است، ایده آل هستند. دستگاه‌های فکس، اسکنرها، تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی، رایانه‌ها، دستگاه‌های کپی همگی نمونه‌هایی از مدارهای سطح برد هستند که ممکن است نیاز به تبدیل در هر سطحی در داخل مدار باشد. از این رو، یک مبدل باک، سطح DC ولتاژ ورودی را به سایر سطوح مورد نیاز تبدیل می کند.
توپولوژی پایه مبدل باک:
مبدل باک پایه شامل یک کلید کنترل شونده، یک دیود، خازن و مدار کنترل کلید است. سوئیچ جریان برق ورودی به خروجی را با روشن و خاموش کردن متناوب کنترل می کند. مدت زمانی که سوئیچ روشن است به عنوان سیکل وظیفه(دیوتی سایکل) شناخته می شود وبا حرف D نمایش داده میشود.
مقدار دیوتی سایکل(D) بین 0 و 1 است. برای D=0، ولتاژ صفر در بار ظاهر می شود در حالی که برای D=1، تمام ولتاژ ورودی در دوسر بار ظاهر می شود. به همین دلیل است که مبدل باک برای D بزرگتر از 0 و کمتر ازکار می کند. مدار اصلی مبدل باک در زیر قابل مشاهده است.
ولتاژ مبدل Buck با استفاده از دو روش مختلف یعنی PWM و PFM کنترل می شود. در PWM (مدولاسیون عرض پالس)، زمان کلی روشن ماندن سوئیچ(T) ثابت نگه داشته می شود در حالی که زمان روشن شدن کلید تغییر می کند(ton). در روش PFM(مدولاسیون فرکانس پالس) ، زمان کلی سوئیچینگ(T) متغیر است در حالی که زمان روشن شدن سوئیچ(ton) ثابت نگه داشته می شود.
در مبدل باک دو حالت کار وجود دارد یکی مد کاری جریان پیوسته (CCM) و دیگری مد کاری جریان (DCM).
1-حالت جریان پیوسته(CCM):
اگر جریان بار در طول سیکل کامل صفر نشود، در این صورت گفته می شود که مبدل حالت هدایت پیوسته دارد.
برخی از ویژگی های CCM به شرح زیر است:
1-مبدلی که در حالت CCM پایدار است در حالت DCM نیز پایدار خواهد بود.
2-توان ارسال در CCM تقریباً متناسب با سیکل وظیفه D است،در حالی که، توان ارسال در DCM تقریباً متناسب با مربع چرخه وظیفه D است.
2-حالت جریان ناپیوسته(DCM):
اگر جریان بار در طول سیکل کامل صفر شود، در این صورت گفته می شود که مبدل حالت هدایت ناپیوسته دارد.
برخی از ویژگی های DCM به شرح زیر است:
1- امپدانس خروجی افزایش می یابد.
در حالت کلی کار کردن در ناحیه پیوسته بهتر و آسان است.
اصول عملکرد مبدل کاهنده (buck)
دو حالت مختلفت وجود دارد:1-روشن شدن سوئیچ2-خاموش شدن سوئیچ
حالت اول:روشن بودن سوئیچ
با روشن کردن سوئیچ، دیود بایاس معکوس می شود،و تمام جریان ورودی از سلف عبور می کند. بنابراین جریان ورودی( Idc )که در مدار جریان دارد با جریان سلف برابر است.
IL= Idc
سلف در زمان روشن شدن شارژ می شود. این جریان به جریان بار (Io) و جریان خازن (Ic) تقسیم می شود.
IL= Ic + IR
ولتاژ سلف VLon در این سیکل برابر است با اختلاف ولتاژ بین ولتاژ DC اعمال شده (Vdc) و ولتاژ خروجی (Vo) .
متوسط ولتاژ دو سر سلف( VL) با توجه به قانون تعادل ولت ثانیه صفر است. با توجه به کل زمان سیکل(T)
و دیوتی سایکل(D) مدت زمان روشن ماندن کلید از رابطه زیر بدست می آید.
ton= DT
ریپل جریان در حالت روشن شدن را می توان از رابطه ولتاژ جریان سلف به شکل زیر پیدا کرد.
VL = Ldi/dt
di/dt = VL/L
با جایگذاری VLداریم:
di/dt = (Vdc-Vo)/dt
ΔILon = Δton (Vdc-Vo)/L
ΔILon = DT (Vdc-Vo)/L
در شکل زیر نمودار تغییرات جریان سلف و ولتاژ سلف در یک دوره تناوب رسم شده است.
حالت دوم:خاموش شدن سوئیچ
پس از خاموش کردن سوئیچ، حالت 1 به حالت 2 تغییر می کند. در این حالت قطبیت سلف برعکس می شود و شروع به کار به عنوان منبع می کند. جریان در این حالت به دلیل انرژی ذخیره شده در سلف جاری میشود. منبع DC در این مدت قطع می باشد. بنابراین، جریان در مدار تا تخلیه سلف جاری می ماند. ولتاژ ظاهر شده در سرتاسر سلف برابر با منفی ولتاژ بار است.
VLoff = -Vo
پس از خاموش کردن سوئیچ، قطبیت سلف تغییر می کند که باعث می شود دیود بایاس مستقیم شود. ولتاژ آند در این مدت نسبت به کاتد مثبت تر می شود و از این رو شروع به هدایت می کند.
مدت زمان خاموش شدن(toff) از رابطه زیر بدست می آید.
toff = T – ton
toff = T – DT
toff = (1- D) T
شیب جریان سلف را می توان یک بار دیگر از روی معادله جریان -ولتاژ سلف پیدا کرد.
VL = Ldi/dt = -Vo
di/dt = -Vo/L
ΔILoff = Δtoff (-Vo)/L
با قرار دادن مقدار Δtoff داریم:
ΔILoff = T (1-D) (-Vo)/L
و در آخر برای بدست آوردن رابطه میان ولتاژ ورودی وخروجی به شکل زیر عمل میکنیم:
طبق قانون تعادل ولت ثانیه ولتاژ دوسرسلف در یک دوره تناوب صفر است.
VL = VLonton + VLofftoff = 0
VLon ولتاژ دو سر سلف در زمان روشن شدن ( ton) است در حالی که VLoff ولتاژ زمان خاموشی است. با قرار دادن مقادیر VLon، ton، VLoff، toff در معادله بالا، نتیجه زیر بدست می آید
VL = (Vdc – Vo) DT + (– Vo) (1 – D) T = 0
با ساده سازی بیشتر داریم:
VdcD – VoD – Vo + VoD = 0
و در نتیجه:
Vo = DVdc
که در آن مقدار D بین 0 و 1 است. از رابطه بالا نتیجه میشود که میانگین ولتاژ خروجی همیشه کمتر از ولتاژ ورودی اعمال شده است.
