بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی عملکرد مبدل های کاهنده ، افزاینده و کاهنده - افزاینده در حالت پیوسته ، بحرانی و گسسته
چکیده
در این مقاله مبدلهای DC/DC افزاینده ، کاهنده و کاهنده - افزاینده مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است . ضمن بررسی نحوه کار این مبدل ها ، عملکرد آن ها در سه حالت مختلف کاری ، پیوسته ، گسسته و حالت بحرانی مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج ولتاژ و جریان خروجی سلف در این حالات ارائه شده است . نتایج نشان میدهد که جریان خروجی سلف در عملکرد گسسته نسبت به عملکرد حالت بحرانی ، زمان بیشتری صفر خواهد بود و این در حالی است که جریان خروجی در عملکرد پیوسته به صفر نخواهد رسید .
کلمات کلیدی
مبدل کاهنده، مبدل افزاینده، مبدل کاهنده - افزاینده، حالت پیوسته، حالت گسسته، حالت بحرانی .
.1 مقدمه
مبدلهای الکترونیک قدرت امروزه پرکاربرد ترین مبدل ها در صنعت ساخت آیسـی هـای دیجیتـال و آنـالوگ محسوب میشوند و روز به روز بر اهمیت آنها افزوده میشود . این مبدل ها در ساخت منابع تغذیـه سـوئیچینگ بسـیار مورد استفاده قرار می گیرند . [1] در مبدل های از نوع سوئیچینگ ، یک المان مانند ترانزیستور وظیفه سوئیچ کردن را بر عهده دارد و از این طریق باعث شارژ و دشارژ المان های اصلی مدار که سلف و خازن هستند ، می شود . بسته به نوع طراحی مدار ، ولتاژ خروجی می تواند کاهش و یا افزایش یابد ،اما در هر صورت ایـن مـدارها بـه صـورت فیـدبک بسـته میشوند تا در برابر نویز و دما و اعمال بار ، خروجی مدار تغییر داده نشود . [2]
.2 مبدل کاهنده :3
یک مبدل DC/DC پله پایینی ولتاژ ورودی است . [3,4] شکل (1 ) مدار قدرت این مبدل را نشان می دهد . همانطور که نشان داده شده است ، رکتیفایر DC/DC است که در اینجا در سه حالت پیوسته و بحرانی و گسسته مورد بررسی قرار گرفته است . همانطور که در شکل نشان داده شده است ، دو متغییر برای داشتن یک مبدل خوب به کار گرفته میشود . این دو متغیر برای اجرای این مبدل عبارتند از : جریان سلف و ولتاژ خازن . تغییرات باز وبسته شدن نیمه هادیها باعث تغییر حالت مدار قدرت میشوند .
شکل :1 مبدل کاهنده
بنابراین مدار قدرت بیانگر یک رابطه بین نیمه هادیها و مدار است . عناصر سوئیچ میتوانند ترانزیستور ، IGBT ، ماس فت و یا هر چیز قابل کنترل دیگری ، باشند .
در عملکرد پیوسته وقتی کلید روشن است ، همانند دیاگرام مبدل که در شکل (2) نمایش داده شده است ، زمانی که سوییچ روشن شود ، جریان نمیتواند تغیرات پلهای داشته باشد ولی شروع به افزایش با تغییرات خطی میکند .
در شرایطی که سطح ولتاژ منفی به ورودی اعمال شود ، دیود به بایاس معکوس خواهد رفت ، خازن خروجی با منبع شارژ شده و بار نیز از طریق منبع تغذیه میشود و جریان سلف به صورت خطی افزایش مییابد و انرژی را در خود ذخیره میکند . در این فاصله جریان دیود صفر است ودر بایاس معکوس قرار دارد . معادلات در زمان سوئیچ روشن به شکل زیر است :
در این معادلات Vd ولتاژ مرجع و VO ولتاژ خروجی است و I L جریان سلف و DUTY چرخه است . زمانی که سوییچ خاموش است دیاگرام مدار مبدل معادل شکل ( (3 است . همانطور که دیده میشود جریان اعمال شده به بار از طریق دیود فراهم شده و دیود در بایاس موافق قرار میگیرد و انرژی ذخیره شده در سلف تخلیه شده و میتواند بار را تامین کند . کار خازن در این فاصله ، حفظ ولتاژ خروجی بدون ریپل است . بنابراین مقداری از بار از طریق سلف و خازن تامین میشود و در اینجا منبعی نیست . انرژی ذخیره شده در سلف تخلیه شده و جریان در سراسر سلف شروع
به کاهش میکند و خازن هم دشارژ شده و تنها ولتاژی که به سلف اعمال میشود ولتاژ منفی است . معادلات خروجی در این حالت به شرح زیر است :
درصد تغییرات به میزان تغییرات D بستگی دارد وتغییرات بین 0و1 است . بنابراین می تواند به سادگی بیانگر این نکته باشد که ولتاژ خروجی همیشه کمتر از ولتاژ ورودی است . شکل (4) شکل موج ولتاژ و جریان سلف در مد عملکرد پیوسته را نشان میدهد . همانطور که در شکل مشخص است ، جریان سلف به صفر نمیرسد . پس مبدل در مدل پیوسته کار میکند . یک علت قابل توجه در عملکرد پیوسته تغییر بزرگ در خروجی سلف است و بدیهی است بار همیشه تامین خواهد شد . فرکانس سوئیچینگ بستگی به سلف در حالت پیوسته دارد ودر طراحی برای ریپل خروجی باید خازن مناسب دیده شود . یک سیستم بحرانی عملکردی بین پیوسته و ناپیوسته دارد که در شکل( (5 نشان داده شده است . در عملکرد بحرانی جریان سلف صفر میشود و زمانی که کلید روشن میشود ،جریان مجددا از صفر خارج میشود و این بیانگر این است که این مبدل در محدوده باند خودش است .
همانطور که در شکل ( 6) نشان داده شده است ، به لحاظ شکل موج مبدل کاهنده در حالت گسسته نسبت به حالت بحرانی متقاوت است . در حقیقت در حالت بحرانی جریان سلف فقط در خط صفر ضربه میزند و افزایش مییابد. ولی در حالت گسسته جریان در صفر باقی میماند . در واقع در حالت گسسته جریان قبل از T به صفر می رسد و تا سوئیچ بعدی صفر میماند اما در حالت بحرانی جریان در لحظه T صفر میشود و فقط در خط صفر ضربه میزند .
.3 مبدل افزاینده: 4
این مبدل سطح ولتاژ DC منبع را افزایش میدهد . [5] مدار این مبدل با یک پله ولتاژ ورودی در شکل (7) نشان داده شده است . در این مبدل یک سوئیچ در موازات ورودی است که در مبدلهای کاهنده به صورت سری قرار میگیرد . تفاوت دیگر با مبدل کاهنده این است که سلف فورا بعد از مرجع است و این سلف میتواند در خروجی یکسو ساز قرار گیرد و این موضوع باعث میشود که یک سایز کوچک EMI داشته باشیم ، مشکلی است که حفاظت اتصالی در مدار فعال نیست . در عملکرد پیوسته، زمانی که سوئیچ روشن است و 0 t DT است ، دیاگرام مدار مبدل در این حالت در شکل (8) نشان داده شده است .
شکل : 7 مدار مبدل کاهنده شکل : 8 حالت سوئیچ روشن شکل : 9 حالت سوئیچ خاموش
همانطور که در شکل (8) مشخص است ، با بسته شدن سوئیچ ، ولتاژ منفی به دیود اعمال میشود و دیود در بایاس معکوس میگیرد . در این زمان سوئیچ هدایت کرده وجریان القاگر برابر جریان مرجع شده و جریان در سراسر سوئیچ برقرار است و ولتاژ مرجع به سلف اعمال میشود و واضح است که جریان دیود صفر است . بنابراین جریان بار از خازن وانرژی ذخیره شده در سلف تامین میشود و خازن دشارژ میگردد و معادلات زیر برقرار است :
زمانی که کلید خاموش است ، هیچ ولتاژ منفی اطراف دیود نیست و در حقیقت دیود در بایاس موافق قرار میگیرد و آماده هدایت است و تنها جریان از طریق دیود به بار اعمال میشود . بنابراین در این سوئیچ جریان صفر خواهد شد و جریان سلف برابر با جریان ورودی است و مشابه این جریان در سراسر دیود است . سلف انرژی خود را برای شارژ خازن که دشارژ بود ، تخلیه میکند و در طول این فاصله بار را هم تامین میکند . ولتاژ اطراف سلف منفی است و انرژی از سلف تخلیه شده و جریان به صورت خطی همانطور که در شکل (10) نشان داده شده است ، کم میشود و معادلات در این فاصله به صورت زیر است :
