قسمت هشتم دوره آنلاین

ویدیو قسمت هشتم دوره آنلاین

مبدل DC-DC

در این بخش به مبدل‌های DC به DC  خواهیم پرداخت که تبدیل از یک ولتاژ DC به یک سطح دیگری از ولتاژ DC  را تسهیل می‌کند. به طور ویژه ما روی Buck یا مبدل‌های کاهش دهنده ولتاژ تمرکز خواهیم کرد. مباحث اصلی آموزشی در این قسمت به سه سوال زیر پاسخ خواهند داد:

۱) این مبدل چگونه کار می‌کند؟

۲) حالت‌های عملیاتی مبدل buck چیست؟

۳) نسبت بین ولتاژ ورودی و خروجی در یک مبدل DC  به DC باک چیست؟

مبدل DC  به DC وظیفه‌ی بالابردن یا پایین آوردن ولتاژ ورودی برای رسیدن به سطح مطلوب ولتاژ خروجی را بر عهده دارد. منبع ورودی DC می‌تولند به طور مثال یک لینک DC به نام گذرگاه dc ولتاژ بالا High votage dc bus باشد. خروجی می‌تواند به یک باتری متصل شود. بسته به نسبت ولتاژ ورودی به خروجی اگر ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی باشد مبدل buck یا کاهش دهنده و مبدل دیگر مبدل افزایش دهنده یا مبدل boost خواهد بود.

مبدل کاهش دهنده

در اینجا به بررسی یکی از ساده ترین مبدل‌های DC یعنی مبدل buck یا کاهش دهنده خواهیم پرداخت. تصویر به طور کلی اجزای الکترونیکی قدرت را در یک خودرو الکتریکی نشان می‌دهد. همانطور که در تصویر مشاهده می‌کنیم باتری از طریق یک گذرگاه  ولتاژ بالا به یک مبدل DC/DC چند جهته متصل شده است. حال می‌خواهیم این قسمت را جزئی‌تر بررسی کنیم. زمانی که قدرت از طریق گذرگاه ولتاژ بالا به باتری منتقل می‌شود که باتری را حین ترمز کردن شارژ می‌کند، ولتاژ روی گذرگاه ولتاژ بالا به ولتاژی پایین تر برای باتری کاهش داده می‌شود. بنابراین این مبدل باتری در حالت buck فعالیت می‌کند. در تصویر می‌توانیم یک دیاگرم ساده شده از یک مبدل buck را مشاهده کنیم.

در سمت چپ آن ولتاژ بالاتر و ولتاژ پایین‌تر باتری در سمت راست آن قرار دارد. در این مورد ولتاژ بالاتر در سمت چپ ولتاژ ورودی و ولتاژ پایین تر در سمت راست ولتاژ خروجی است. در تصویر یک مدار بسته ی مبدل ساده شده را می‌بینیم که شامل یک سوئیچ،‌ یک دیود و یک القاگر است. وظیفه‌ی القاگر هموار سازی ولتاژ خروجی است. در شکل نمودار ولتاژ خروجی بر حسب زمان را مشاهده می‌کنیم. ما زمانی که سوئیچ فعال است را T_on و Tرا زمان کلی دوره تعریف می‌کنیم. اگر سوئیچ فعال باشد ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ ورودی خواهد بود و اگر سوئیچ غیر فعال باشد ولتاژ خروجی برابر با صفر خواهد بود. ولتاژ بین دو مقدار V_in و صفر متغیر است بنابراین یک دامنه و موج بزرگ دارد. همانطور که در شکل می‌بینیم ولتاژ خروجی میانگین با خط چین آبی نمایش داده شده که وابسته به زمان فعال بودن سوئیچ و زمان کلی دوره است. دیود تحت عنوان دیود آزاد که می‌تواند با آزادی حرکت کند شناخته می‌شود و زمانی که سوئیچ غیرفعال است بار جریان را می‌گیرد. بر اساس دیاگرام ساده‌ای که می‌بینیم اگر یک خازن به طور موازی مدار اصافه کنیم، این خازن دامنه ی ولتاژ را کاهش خواهد داد که تغییر آن را در شکل مشاهده می‌کنیم. اگر ظرفیت خازن را افزایش دهیم دامنه ی ولتاژ کاهش بیشتری خواهد یافت.

دیدیم که خازن به کاهش دامنه ی ولتاژ کمک می‌کند و در واقع خازن نرخ تغییر ولتاژ خروجی را کاهش می‌دهد که خود را به عنوان جریان خازن نشان می‌دهد. دلیل این است که خازن می‌تواند ولتاژ را با جذب یا آزاد کردن انرژی ذخیره شده خود تا یک مقداری نگه دارد که به ظرفیت خازن و میدان ولتاژ DC در خازن بستگی دارد. زمانی که خازن به طور موازی با نیرو قرار می‌گیرد و ولتاژ DC را ذخیره می‌کند، القاگر می‌تواند برای نگه داری جریان DC به طور سری در مدار قرار گیرد. القاگر نرخ تغییر جریان خروجی را هموار می‌کند که به عنوان ولتاژ القاگر منعکس می‌شود. به طور مشابه القاگر قادر به ذخیره و آزاد کردن انرژی ذخیره شده‌اش است که به القا و میدان جریان عبوری از درون القاگر بستگی دارد.

حال می‌خواهیم مبدل buck را بر شارژ باتری حین ترمز کردن اعمال کنیم. باتری به خروجی متصل است و ولتاژ، ولتاژ خروجی باتری است. می‌توانیم دو حالت اجرایی برای مبدل buck در نظر بگیریم. در حالت اجرایی اول منبع ورودی به خروجی متصل است که مقداری از انرژی را در القاگر ذخیره می‌کند و باتری را شارژ می‌کند. باید توجه داشت که ولتاژ القاگر مثبت است زیرا ولتاژ ورودی بزرگتر از ولتاژ خروجی باتری است. در حالت دوم سوئیچ خاموش می‌شود و از آن‌جایی که ورودی از القاگر قطع شده است،‌ در این حالت انرژی ذخیره شده در القاگر به باتری داده می‌شود.

حال می‌خواهیم ببینیم جریان القاگر در این دو حالت چگونه تغییر می‌کند. در حالت اول جریان القاگر افزایش می‌یابد در حالی که تغییرات جریان وابسته به تفاوت ولتاژ ورودی و خروجی است. در حالت دوم ولتاژ القاگر برابر با قرینه ی ولتاژ خروجی است. در این حالت القاگر انرژی ذخیره شده را به باتری می‌دهد که مقداری هم مقاومت داخلی دارد. تغییرات جریان فقط به ولتاژ خروجی بستگی دارد.

نگاهی بیاندازیم به ولتاژ القاگر زمانی که سوئیچ فعال و غیرفعال است. در یک سیکل تغییر سوئیچ در حالت پایدار باید به این نکته توجه داشت که میانگین ولتاژ خروجی باید برابر با صفر باشد. این بدین معنی است که مساحت ناحیه سبز حین فعال بودن سوئیچ باید با مساحت ناحیه قرمز حین غیر فعال بودن سوئیچ برابر باشد و به عنوان نتیجه ولتاژ القاگر در شروع و پایان یک سیکل یکسان باقی خواهد ماند.

گراف نمودار زمان فعال بودن و غیرفعال بودن سوئیچ را در یک سیکل نشان می‌دهد. سیکل کاری برابر است با نسبت زمان فعال بودن سوئیچ تقسیم بر کل زمان دوره. مقادیر سیکل کاری از صفر تا یک متغیر است.

همانطور که پیش‌تر توضیح دادیم مبدل‌های کاهش دهنده یا buck به طور گسترده برای کاهش ولتاژ ورودی به کار می‌­روند. ولتاژ خروجی مبدل buck محصول ولتاژ ورودی و سیکل کاری است. به طور کاربردی مبدل باتری که در حالت buck کار می‌کند،‌ ولتاژ خروجی باتری محصول ولتاژ ورودی از گذرگاه ولتاژ بالا و سیکل کاری است.

روش‌های متفاوتی برای کاهش ولتاژ DC وجود دارد. روش اول تعدیل عرض پالس یا PWM که در آن زمان کلی دوره ثابت شده است و زمان فعال بودن سوئیچ متغیر است. این روش زمانی که فرکانس سوئیچینگ پایه ثابت باشد موثر است.

روش دیگر تعدیل فرکانس است که بر خلاف روش PWM زمان فعال بودن سوئیچ ثابت می‌ماند و زمان کلی دوره تغییر می‌کند. این روش زمانی استفاده می‌شود که به فرکانس سوئیچینگ متغییر نیاز داشته باشیم.

برای دیدن قسمت‌های بعدی دوره اینجا کلیک کنید

برای دیدن قسمت‌های قبلی دوره اینجا کلیک کنید