مبدل های DC به DC

مبدل‌های قدرت DC به DC کاربردهای متنوعی در کامپیوترهای شخصی، تجهیزات اداری مثل پرینتر و اسکنر، سیستم الکتریکی فضاپیماها، تجهیزات مخابراتی، سیستم‌های قدرت، درایو موتورهای DC، انرژی‌های تجدیدپذیر و غیره دارند.

ورودی مبدل ‌DC/DC، یک ولتاژ تنظیم‌نشده dc ($$V_g$$) است. مبدل، ولتاژ تنظیم‌ شده V را در خروجی تولید می‌کند که اندازه (و شاید پلاریته) آن با $$V_g$$

‌ تفاوت دارد. برای مثال در یک کامپیوتر که از برق 120 ولت یا 230 ولت ac تغذیه می‌شود، ابتدا ولتاژ یکسو شده و به ترتیب به ولتاژ dc تقریباً 170 یا 340 ولت می‌رسد. یک یا چند مبدل در کامپیوتر وجود دارند که این مقدار dc را به یک مقدار dc دیگر با سطح ولتاژ پایین‌تر تبدیل می‌کنند تا برای آی‌سی‌های مدار قابل استفاده باشد.

بازده مبدل‌های ایده‌آل، 100 درصد است، اما در عمل معمولاً بازدهی 70 تا 95 درصد به دست می‌آید. دستیابی به این بازدهی با مدارهای «سوئیچینگ» (Switched‐mode) یا «چاپر» (Chopper)‌ امکان‌پذیر است که اجزای آن‌ها تلفات توان بسیار کمی دارند. با «مدولاسیون پهنای پالس» (Pulse‐width modulation) یا PWM، می‌توان ولتاژ خروجی را کنترل و تنظیم کرد. این رویکرد در مبدل‌های dc/ac پربازده (اینورترها و تقویت کننده توان)، مبدل‌های ac/ac و تعدادی از مبدل‌های ac/dc (یکسوکننده‌های هارمونیک پایین) نیز به کار می‌رود.

مدار پردازش توان

شکل زیر، یک مبدل dc/dc را نشان می‌دهد که با عنوان «مبدل باک» (buck converter) یا مبدل کاهنده شناخته می‌شود. همان‌طور که می‌بینیم، یک سوئیچ تک‌قطب دومسیره (single‐pole double‐throw) یا SPDT به ورودی dc مبدل متصل شده است. اگر سوئیچ روی وضعیت 1 باشد، ولتاژ خروجی $$v_s\left(t\right)$$

آن برابر با $$V_g$$ است و اگر در وضعیت 2 قرار گیرد، ولتاژ صفر خواهد بود. وضعیت سوئیچ به صورت تناوبی تغییر می‌کند و به همین دلیل، ولتاژ $$v_s\left(t\right)$$ یک شکل موج مستطیلی با دوره تناوب $$T_s$$ و «دوره کاری» (Duty cycle) با نماد D است. سیکل وظیفه یا همان دوره کاری، نسبت مدت زمان قرار داشتن کلید در وضعیت 1 نسبت به کل دوره تناوب است. بنابراین،‌ داریم: $$0\le D\le 1$$. «فرکانس سوئیچینگ» (switching frequency) $$f_s$$ برابر با $$1/T_s$$

است. در عمل، یک کلید یا سوئیچ SPDT با قطعات نیمه‌هادی مانند  دیود ماسفت، آی‌جی‌بی‌تی‌ (IGBT)،  ترانزیستور یا تریستور تحقق می‌یابد. فرکانس سوئیچینگ این قطعات معمولاً بسته به سرعت قطعه نیمه‌هادی، از 1kHz تا 1MHz است.

شکل 1: مبدل باک: (الف) شکل مداری؛ (ب) شکل موج ولتاژ

«شبکه کلید» (Switch network)، مولفه dc‌ ولتاژ را تغییر می‌دهد. طبق  آنالیز  فوریه، مولفه dc یک شکل موج برابر با مقدار میانگین آن است. میانگین ولتاژ $$v_s\left(t\right)$$

با رابطه زیر محاسبه می‌شود:

انتگرال رابطه (۱) برابر با ناحیه زیر شکل موج یا ضرب اندازه $$V_g$$

‌ در زمان $$D{T}_s$$ است. می‌توان مشاهده کرد که شبکه سوئیچ، مولفه dc ولتاژ را با ضریب D کاهش می‌دهد. از آن‌جایی که $$0\le D\le 1$$، مولفه dc ولتاژ $$v_s$$ از ولتاژ $$V_g$$

کمتر یا مساوی با آن است.

در حالت ایده‌آل، توان تلف شده شبکه کلید صفر است. وقتی اتصال بسته می‌شود، کلید هدایت می‌کند و ولتاژ دو سر آن صفر است. بنابراین، توان تلف شده‌ای هم ندارد. وقتی اتصال کلید باز باشد، جریانی در آن برقرار نیست، بنابراین توان اتلافی نیز نخواهد داشت. در نتیجه، یک شبکه کلید ایده‌آل، مولفه dc ولتاژ را بدون اتلاف توان تغییر می‌دهد.

هرچند مولفه dc ولتاژ $$v_s$$

شامل هارمونیک‌های نامطلوب فرکانس سوئیچینگ است. در بسیاری از کاربردها، باید این هارمونیک‌ها را حذف کرد تا ولتاژ خروجی مبدل با مولفه dc‌ برابر شود ($$V=V_s$$). معمولاً از یک فیلتر پایین‌گذر (low‐pass filter) برای این کار استفاده می‌شود. مبدل شکل بالا، یک بخش فیلتر پایین‌گذر LC دارد. فرکانس گوشه فیلتر ($$f_0$$

) با رابطه زیر قابل محاسبه است:

فرکانس گوشه به گونه‌ای انتخاب می‌شود که به اندازه کافی کمتر از فرکانس سوئیچینگ باشد. بنابرابن، فیلتر فقط مولفه dc ولتاژ $$v_s\left(t\right)$$

را عبور می‌دهد. از آن‌جایی که خازن و سلف ایده‌آل در نظر گرفته شده‌اند، فیلتر، هارمونیک‌های سوئیچینگ را بدون اتلاف توان از بین می‌برد. در نتیجه، مبدل، یک ولتاژ خروجی dc تولید می‌کند که اندازه آن با دوره کاری D قابل کنترل است.

نسبت تبدیل (conversion ratio) یا (M(D به عنوان نسبت ولتاژ dc خروجی V به ولتاژ dc ورودی $$V_g$$

در شرایط حالت ماندگار تعریف می‌شود:

برای یک مبدل کاهنده، (M(D برابر است با:

این رابطه در شکل 2 رسم شده است. می‌توان مشاهده کرد که ولتاژ dc خروجی V، با تنظیم دوره کاری D بین 0 و $$V_g$$

‌ قابل کنترل است.

شکل ۲: ولتاژ خروجی مبدل کاهنده بر حسب دوره کاری

شکل 3 نحوه پیاده‌سازی شبکه کلید مبدل باک را با استفاده از یک ماسفت قدرت و یک دیود نشان می‌دهد. مدار راه‌انداز گیت، با دستور سیگنال منطقی $$\delta \left(t\right)$$

، ماسفت را بین دو وضعیت هدایت (on) و عدم هدایت (off) سوئیچ می‌کند. وقتی ‌$$\delta \left(t\right)$$ در وضعیت بالا (high) باشد ($$0<t<D{T}_s$$)، ماسفت $$Q_1$$ هدایت خواهد کرد. بنابراین، $$v_s\left(t\right)$$ تقریباً برابر با $$V_g$$ است و دیود بایاس معکوس می‌شود. در این حالت، جریان مثبت سلف $$i_L\left(t\right)$$ از ماسفت می‌گذرد. در زمان $$t=D{T}_s$$، سیگنال $$\delta$$ پایین (low) بوده و ماسفت $$Q_1$$ را خاموش می‌کند. جریان سلف باید پیوسته بماند؛ بنابراین، $$i_L\left(t\right)$$، دیود $$D_1$$ را بایاس مستقیم کرده و $$v_s\left(t\right)$$ تقریباً برابر صفر خواهد بود. از آن‌جایی که جریان سلف باید مثبت باقی بماند، دیود $$D_1$$

در بخش باقیمانده دوره تناوب هدایت خواهد کرد. دیودهایی که این‌چنین عمل می‌کنند، «دیود هرزگرد» (freewheeling diode) نامیده می‌شوند.

شکل 3: پیاده‌سازی سوئیچ ایده‌آل با استفاده از یک ترانزیستور و یک دیود هرزگرد؛ حلقه فیدبک برای تنظیم ولتاژ خروجی

سیستم کنترل PWM

از آن‌جایی که ولتاژ خروجی مبدل تابعی از دوره کاری D است، با یک سیستم کنترل می‌توان دوره کاری را تغییر داد و ولتاژ خروجی را برای رسیدن به مقدار مرجع $$v_r$$

کنترل کرد. شکل 3، نمودار بلوکی یک سیستم فیدبک ساده را برای مبدل نشان می‌دهد. ولتاژ خروجی با یک مقسم ولتاژ در دسترس قرار گرفته و با ولتازژ مرجع $$v_r$$ مقایسه می‌شود. سیگنال خطا از یک جبرا‌ن‌ساز تقویت‌کننده عملیاتی (آپ امپ)‌ عبور می‌کند. ولتاژ آنالوگ $$v_c\left(t\right)$$ به یک PWM وارد می‌شود. مدولاتور این بلوک، یک شکل موج ولتاژ سوئیچینگ تولید می‌کند که کنترل کننده گیت ماسفت $$Q_1$$ است. دوره کاری (D) شکل موج، با ولتاژ کنترل $$v_c\left(t\right)$$

رابطه تناسبی دارد. این روش گاهی کنترل مُد ولتاژ (voltage‐mode control) نامیده می‌شود.

اگر سیستم کنترل به خوبی طراحی شده باشد، دوره کاری به صورت خودکار و به گونه‌ای تنظیم خواهد شد که ولتاژ خروجی $$v$$

مبدل، ولتاژ مرجع $$v_r$$ را دنبال کند. این فرایند، مستقل از تغییرات $$v_g$$ یا جریان بار است. از آن‌جایی که PWM با نرخی برابر فرکانس سوئیچینگ $$f_s$$، ولتاژ $$v_c\left(t\right)$$

‌ را می‌گیرد، سیستم فیدبک به گونه‌ای طراحی شده که اساساً پهنای باند آن، کمتر از فرکانس سوئیچینگ باشد.

انواع مبدل‌های DC/DC

تعداد زیادی از مبدل‌های dc به dc اندازه و پلاریته ولتاژ ورودی را تغییر می‌دهند. شکل زیر، چند نمونه مبدل dc/dc متداول را همراه با نمودار نسبت تبدیل آن‌ها نشان می‌دهد. در هر یک از مدارها، کلید با یک ماسفت و یک دیود تحقق یافته است، هرچند از سایر قطعات نیمه‌هادی نیز می‌توان استفاده کرد.

شکل 4: مبدل‌های dc/dc متداول ($$M\left(D\right)=V/V_g$$

)

مبدل نخست، «مبدل باک» یا کاهنده است که ولتاژ dc را کاهش می‌دهد و نسبت تبدیل آن $$M\left(D\right)=D$$

است. توپولوژی دیگر، مبدل بوست (Boost converter) یا افزاینده نام دارد که نسبت به مبدل کاهنده، جای سوئیچ و سلف آن تعویض شده است. این مبدل، ولتاژ خروجی $$V$$ را تولید می‌کند که اندازه آن بزرگتر از ولتاژ ورودی $$V_g$$ است. نسبت تبدیل مبدل بوست $$M\left(D\right)=1/(1-D)$$

است.

در «مبدل باک-بوست» (buck‐boost converter) یا کاهنده-افزاینده، سوئیچ، به صورت متناوب سلف را بین ورودی و ولتاژ خروجی قرار می‌دهد. این مبدل، پلاریته ولتاژ را معکوس می‌کند و می‌تواند اندازه آن را کاهش یا افزایش دهد. نسبت تبدیل در این مبدل $$M\left(D\right)=-D/(1-D)$$

است.

«مبدل چوک» (Cuk converter)، دو سلف دارد که با ورودی و خروجی مدار سری هستند. شبکه کلید، به صورت تناوبی خازن را در مسیر سلف‌های خروجی و ورودی قرار می‌دهد. نسبت تبدیل این مبدل مشابه نسبت تبدیل مبدل کاهنده-افزاینده است و علاوه بر توانایی تغییر پلاریته ولتاژ می‌تواند آن را کاهش یا افزایش دهد.

«مبدل سپیک» (single‐ended primary inductance converter) یا SEPIC، توانایی کاهش یا افزایش ولتاژ را دارد، اما نمی‌تواند پلاریته آن را تغییر دهد. نسبت تبدیل این مبدل $$M\left(D\right)=D/(1-D)$$

است.

مبدل باک

مبدل باک نوعی مبدل DC-DC کاهنده بوده که مقدار متوسط ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی است. از این مبدل برای کنترل سرعت موتورهای DC استفاده می‌شود. از آنجا که اساس کار این مبدل‌ها سوئیچینگ (کلیدزنی) است، ولتاژ خروجی دارای هارمونیک خواهد بود که برای برطرف کردن این مشکل از یک فیلتر پایین‌گذر متشکل از سلف و خازن استفاده می‌گردد. همچنین با استفاده از یک دیود، جریان را برای بارهای سلفی یکسان می‌سازند.

این دو شکل نیز تنظیمات مدار از یک مبدل باک در دو حالت زمانی که سوئیچ بسته است و حالت خاموش، زمانی که سوئیچ باز است(فلش ها به عنوان مدل جریان) را نشان می دهند.

موقعی که سوئیچ بسته است ، جریان از طریق سلف به بار می رسد ، سلف و خازن در همین مرحله ( بسته به مدت زمان بسته بودن سوئیچ) شارژ می شود . زمانی که سوئیچ باز شود ، مدار از طریق دیود بسته شده و انرژی سلف که قبلا ذخیره شده بود ، از طریق دیود به خازن رسیده و خازن دوباره شارژ می شود . زمان قطع کلید ، سلف همانند منبع ولتاژ عمل می کند . در این مدار ، به دلیل قطع و وصل مکرر سوئیچ ، فرصت کافی برای شارژ کامل سلف وجود ندارد به همین دلیل همیشه ولتاژ سلف کمتر از ولتاژ ورودی می باشد .

این مبدل بسته به جریانی که از سلف می‌گذرد، می‌تواند در سه حالت عمل کند: حالت پیوسته: زمانی که جریان سلف همواره بزرگتر از صفر باشد. حالت بحرانی: زمانی که جریان سلف فقط در یک لحظه صفر شود. حالت ناپیوسته: زمانی که جریان سلف در یک بازه زمانی صفر شود. مزایای این مبدل عبارتند از : 1) کم بودن تعداد المان های مدار 2) سادگی مدار کنترل 3) عدم نیاز به ترانس 4) توانایی کار در نسبت تبدیل های خیلی کوچک خروجی نسبت به ورودی 5) محدود سازی کامل جریان اتصال کوتاه توسط مدار کنترل (فقط در مد کنترل جریانی) معایب این مبدل شامل موارد زیر است : 1) پالسی بودن جریان ورودی مدار 2) وجود ترانزیستور high side که باعث پیچیدگی مدار گیت درایو می شود.