قسمت نهم دوره آنلاین
ویدیو قسمت نهم دوره آنلاین
مبدل DC به DC بخش دوم
در این بخش با جزئیات بیشتری به مبدل‌های boost یا buck-boost یا افزایش دهنده نگاه خواهیم کرد. در این قسمت به دنبال پاسخ دو سوال خواهیم بود:
۱) یک مبدل boost چگونه کار می‌کند؟
۲) اصول کارکردی ترکیب دو مبدل buck و boost چیست؟
مبدل‌های افزایش دهنده boost
مبدل‌های افزایش دهنده یا boost converters به طور گسترده برای افزایش سطح ولتاژ ورودی به کار می‌روند. به طور مثال زمانی که شما در حال رانندگی با یک خودرو الکتریکی هستید باتری قدرت لازم موتور برای پیشبردن خودرو را فراهم می‌کند. در این مورد مبدل چند جهتی باتری در حالت boost کار می‌کند که برای تبدیل قدرت از یک ولتاژ پایین باتری به قدرتی با ولتاژ بالاتر در گذرگاه ولتاژ بالا است. در این حالت باتری در سمت چپ ولتاژ ورودی (Vin) و گذرگاه ولتاژ بالا در سمت راست ولتاژ خروجی (Vout) است. تبدیل DC به DC توسط یک سوئیچ و یک دیود صورت می‌گیرد. باید به این نکته توجه داشت که بسته به مکان قرار گیری دیود در خروجی حرکت جریان از خروجی به ورودی در مبدل boost ممکن نیست. ولتاژ خروجی این مبدل با تقسیم ولتاژ ورودی بر ۱ منهی سیکل کاری محاسبه می‌شود. تبدیل قدرت به یک ولتاژ خروجی بالاتر در این مبدل‌ها ممکن است زیرا انرژی ذخیره شده در القاگر توسط منبع ورودی ولتاژ در زمانی که سوئیچ فعال است افزایش می‌یابد. زمانی که سوئیچ فعال است ولتاژ در طول القاگر برابر با ولتاژ ورودی است که توسط ناحیه سبز در شکل نشان داده شده است و جریان القاگر به طور خطی افزایش می‌یابد. خازن بار را فراهم می‌کند و بنابراین ولتاژ خروجی کاهش می‌یابد. سپس انرژی ذخیره شده در القاگر زمانی که سوئیچ غیرفعال است به سمت خروجی می‌رود جایی که ولتاژ منفی است که توسط ناحیه قرمز نشان داده شده است. حین این دوره خازن شارژ می‌شود و ولتاژ خروجی افزایش می‌یابد. زمانی که سوئیچ فعال است تغییرات جریان القاگر وابسته به ولتاژ ورودی است در حالی که در زمان غیرفعال بودن این تغییرات به تفاوت ولتاژ ورودی و خروجی بستگی دارد.
حال چگونه می‌توانیم یک مبدل DC به DC بسازیم که توانایی افزایش و کاهش ولتاژ را به طور همزمان داشته باشد؟ می‌توانیم دو مبدل قبلی که ذکر کردیم را با هم ترکیب کنیم. اگر مدار مبدل boost را بچرخانیم و این دو مبدل را ترکیب کنیم یک مبدل ترکیبی ساخته‌ایم. در عمل القاگر هیچوقت ایده‌آل نیست و همواره مقداری اتلاف اهمی دارد پس یک مقاومت با القاگر سری است. سپس توپولوژی مبدل buck-boost در یک توپولوژی دوباره رسم شده است. ولتاژ خروجی در این حالت ولتاژ باتری است و این ولتاژ را ثابت فرض می‌کنیم. این مدار از دو سوئیچ که معادل با دو دیود موازی و غیر هم جهت است تشکیل شده است. این ترکیب چندان ساده نیست زیرا این مبدل یک مبدل buck از چپ به راست و یک مبدل boost از راست به چپ است.
حال ما به آنالیز جزئی کارکرد مبدل boost و buck خواهیم پرداخت. این مبدل باید قادر باشد تا ولتاژ ورودی بالا را به ولتاژ پایین و همچنین عکس آن را انجام دهد. همانطور که مشاهده می‌شود دو سوئیچ S1 و S2 در طول ولتاژ DC ورودی به هم متصل‌اند. در اینجا هر سوئیچ از یک IGBT و یک دیود موازی وغیرهم جهت تشکیل شده است. سوئیچ‌ها به طور متناوب باز و بسته می‌شوند به صورتی که زمان باز بودن یک سوئیچ دیگری بسته است و بالعکس. باید دقت داشت که در این توپولوژی هر دو سوئیچ نمی‌توانند به طور همزمان بسته باشند زیرا اتصال کوتاه رخ خواهد داد. زمان یک سیکل T و سوئیچ S1 برای دوره‌ی Ton بسته است. میتوان گفت که سیکل کاری S1 در این حالت برابر با تقسیم Ton بر T و سیکل کاری سوئیچ S2 برابر با ۱ منهای سیکل کاری S1 است.
انالیز کاری مبدل boost. اگر S2 عمل هدایت را انجام دهد انرژی درالقاگر ذخیره می‌شود. زمانی که S2 خاموش است دیود سوئیچ S1 جریان را به خود می‌گیرد و انرژی را به سطح ولتاژ بالاتر Vin منتقل می‌کند. کارکرد مبدل buck زمانی است که سوئیچ S1 هدایت را انجام می‌دهد. زمانی که S1 خاموش است دیود آزاد S2 جریان را به خود می‌گیرد. با تغییر سیکل کاری از صفر تا ۱ میتوان جهت جریان و حالت boost یا buck را تغییر داد. جریان میانگین می‌تواند بسته به بزرگی میانگین ولتاژ در عرض ترمینال ۱ و ۲ (V12) و ولتاژ خروجی در هر جهت جریان یابد. اینکه مبدل در حالت boost یا buck فعالیت می‌کند را میتوان با مقایسه سیکل کاری با نسبت بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی باتری تعیین کرد همانطور که در جدول خلاصه شده است. قطبیت ولتاژ DC ثابت باقی می‌ماند و جریان تغییر جهت می‌دهد.
حال به بررسی مبدل buck-boost در کنار مبدل باتری چند جهته می‌پردازیم. وقتی قدرت دوباره تولید شده از طریق گذرگاه ولتاژ بالا از موتور انتقال می‌یابد مبدل در حالت buck کار می‌کند. این زمانی اتفاق می‌افتد که سیکل کاری سوئیچ S1 یک ولتاژ میانگین در ترمینال ۱ و ۲ که بیشتر از ولتاژ باتری است تولید کند. از طرف دیگر این مبدل زمانی در حالت boost کار می‌کند که باتری به موتور قدرت دهد. این زمانی اتفاق می‌افتد که سیکل کاری سوئیچ S1 یک ولتاژ میانگین در ترمینال ۱ و ۲ که کمتر از ولتاژ باتری است تولید کند. به خاطر داشته باشید که سیکل کاری سوئیچ S2 همواره برابر با ۱ منهای سیکل کاری سوئیچ S1 است. در واقعیت مبدل باتری پیچیده‌تر است. اگر به عایق کاری بین ورودی و خروجی نیاز داشته باشیم میتوان از از مبدل پل فعال دوگانه با ترانسفورماتور فرکانس بالا استفاده کرد.
