توضیحات

 

پروژه شبیه سازی مبدل باک-بوست در متلب

 

منابع تغذیه سوئیچینگ دارای ساختارهای متنوعی می باشند، ساختارهای پایه، برای این منابع به همراه مزایا و معایب آنها در زیر آورده شده اند:

ساختار باک:

مداری ساده، تلفات پایین و راندمان بالایی دارد، ولی در این ساختار تنها ایزولاسیون بین ورودی و خروجی سوئیچ قدرت می باشد که معمولا ولتاژ شکست کمی دارند. مبدل باک تنها کاهنده ولتاژ ورودی می باشد.

ساختار بوست:

اغلب در توان های پایین استفاده می شود، دارای کاربرد محدودی می باشد و بیشتر برای بهبود ضریب کیفیت در ورودی دیگر منابع تغذیه سوئیچینگ، استفاده می شود. مبدل بوست تنها افزاینده ولتاژ می باشد و همچنین مانند ساختار باک فاقد ایزولاسیون بین ورودی و خروجی می باشد.

ساختار منبع تغذیه فوروارد:

دارای مداری ساده می باشد و تنها دارای یک سوئیچ قدرت می باشد. ایزولاسیون بین خروجی و ورودی از طریق ترانسفورمر ایجاد می شود، بیشتر در توان های پایین استفاده می شود.

ساختار فلای بک:

در میان تنظیم کننده های حالت فلای بک، تنها تنظیم کننده فلای بک( باک-بوست ایزوله) دارای ایزولاسیون می باشد. وجود ترانسفورمر برای انتقال انرژی باعث می شود که، ایزولاسیون بین ورودی و خروجی به چند هزار ولت هم برسد، حتی اگر سوئیچ قدرت از بین برود، خطا به سمت خروجی منتقل نشود. این به خاطر این است که، انتقال انرژی از طریق فریت صورت می گیرد که، هادی نمی باشد، پس در این ساختار ولتاژ شکست عایقی ترانسفورمر، مقدار ایزولاسیون را تعیین می کند.

تنظیم کننده های حالت باک:

ساختارهای پایه ای مبدل های حالت باک از چهار المان اصلی، سوئیچ قدرت که کار برش ولتاژ را انجام می­دهد، یک یکسوساز (عموماً دیود)، یک القاگر سری و خازن خروجی تشکیل یافته اند. سوئیچ قدرت مستقیما بین ورودی و بخش فیلتر خروجی قرار می گیرد. بین سوئیچ قدرت و فیلتر ممکن از ترانسفورمری به منظور ایجاد ایزولاسیون و همچنین افزایش و یا کاهش ولتاژ استفاده شود. القاگر سری، خازن خروجی و دیود در زمان خاموش بدون سوئیچ قدرت تغذیه بار را به عهده دارند. سوئیچ قدرت فقط انرژی از دست رفته را حین خاموش بدون خود، باز می گرداند.

شکل  منبع تغذیه سوئیچینگ ساختار باک.

در موقع روشن بودن سوئیچ، جریان بار از ورودی و طريق القاگر به خروجی منتقل می شود و به منبع از طریق سیم بازگشت یا زمین باز می گردد. بعد از خاموش شدن سوئیچ، جریان بار از طریق القاگر و دیود تأمین می شود. به طور خلاصه می توان گفت که جریان فوروارد همیشه از طريق القاگر به بار منتقل می شود. مقدار انرژی منتقل شده به بار توسط نسبت زمان روشن بودن سوئیچ (سیکل وظیفه) (Duty Cycle) تعیین می شود. در مبدل های فوروارد با توجه توضیحات بالا، سیکل وظیفه می تواند بین ۰ تا ۱۰۰ درصد یا در عمل بین ۵ تا ۹۵ در صد تغییر کند.

در مبدل های باک به خاطر این که جریان بار توسط القاگر و خازن تأمین می شود، می توان به اعوجاج کمتری در ولتاژ خروجی رسید.

تنظیم کننده های حالت بوست

مبدل بوست نوعی مبدل DC-DC افزاینده است. از این مبدل برای رگولاته کردن منابع تغذیه DC و ایجاد ترمز موتورهای DC استفاده می شود. در این مبدل، ولتاژ خروجی همواره بزرگتر از ولتاژ ورودی خواهد بود. از آنجا که اساس کار این مبدل ها سوئیچینگ(کلیدزنی) است، برای از بین بردن ریپل موجود در ولتاژ خروجی از یک خازن استفاده می گردد و همچنین با استفاده از یک دیود، جریان خروجی رو یکسو می کنیم تا بارهای راکتیو بتوانند بدون مشکل تغدیه شوند. سلف موجود در قسمت ورودی مداره انرژی مورد نیاز خود را در هنگام بسته بودن کلید از ولتاژ ورودی دریافت و در هنگام باز شدن کلید، این انرژی را آزاد می سازد. در نتیجه در حالت پایدار، ولتاژ خروجی مقداری ثابت و بزرگتر از ورودی خواهد بود.

 

شکل ساختار کلی بوست

 

معرفی ساختار فوروارد:

طرح کلی مبدل فورواد در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل ساختار کلی مبدل فوروارد

عملکرد این مبدل همانند مبدل باک می باشد که بین ولتاژ ورودی و خروجی ایزولاسیون انجام شده است. دارای مداری ساده می باشد و تنها دارای یک سوئیچ قدرت می باشد. ایزولاسیون بین خروجی و ورودی از طریق ترانسفورمر ایجاد می شود، بیشتر در توان های پایین استفاده می شود. شکل موج جریان و ولتاژ ادوات مختلف این مبدل در یک دوره کاری در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل موج ولتاژ و جریان ادوات مختلف مبدل فوروارد

ساختار فلای بک

طرح کلی مبدل فلای بک در شکل زیر آورده شده است.

 

شکل طرح کلی منبع تغذیه سوئیچینگ فلای بک

که L_m اندوكتانس مغناطیس کنندگی(Magnetizing Inductance) و L مجموع اندوکتانس نشتی(Leakage Inductance) ارجاع شده به اولیه می باشد. همانطور که مشاهده می شود، در این ساختار از قطعات کمی استفاده شده است.

ترانسفورمر در این مبدل، هم به منظور ایزولاسیون و هم به عنوان ذخیره کننده انرژی به کار می رود. در واقع در ساختار فلای بک، ترانسفورمر بیشتر به عنوان سلف تزویج شده عمل می کند. وقتی سوئیچ قدرت (در شکل IGBT) (Insulated Gate Bipolar Transistor) روشن می باشد، جریان به صورت خطی در اولیه بالا می رود و انرژی دلخواه در هسته و فاصله هوایی ترانسفورمر ذخیره می شود. وقتی سوئیچ خاموش می شود با توجه به این که شار مغناطیسی هسته می خواهد جهت خود را حفظ کند، دیود روشن شده و جریان در ثانویه جاری می شود. به طور خلاصه می توان گفت که، جریان در اولیه و ثانویه به طور همزمان جاری نمی باشد. در تنظیم کننده های حالت فوروارد، جریان هم در اولیه ترانسفورماتور و هم در ثانویه آن به طور همزمان جاری می باشد. در اولیه، جریان به سر نقطه دار سیم پیچی وارد می شود و در سمت ثانویه جریان از سر نقطه دار سیم پیچی ثانویه خارج می شود. این امر سبب می شود که، آمپر دورهای اولیه و ثانویه هم دیگر را خنثی کنند و هسته ترانسفورماتور منبع تغذیه ساختار فوروارد به اشباع نرود. پس فقط جریان مغناطیس کننده در ساختارهای فوروارد می تواند باعث اشباع هسته شود، در حالیکه این جریان مغناطیس کننده معمولا کسر کوچکی از جریان اولیه می باشد و ندرتا به%10 جریان اولیه می رسد. اما در ساختار فلای بک تمام موج مثلثی جاری در اولیه، باعث تحریک هسته و به تبع آن اشباع هسته می شود. بنابراین در توان های کم نیز هسته ترانسفورماتور سریعا به اشباع می رود و سبب می شود که سوئیچ اصلی به خاطر جریان بیش از حد از بین برود. در این صورت برای جلوگیری از اشباع هسته، ما مجبوریم که روی هسته ترانسفورمر فلای بک، فاصله هوایی ایجاد کنیم. این امر باعث افزایش اندوکتانس نشتی ترانسفورماتور می شود و به همین خاطر باعث ایجاد تلفات قابل ملاحظه ای می شود. فاصله هوایی می تواند در هسته های از جنس فریت  با طولی مشخص در پایه وسطی ایجاد شود.

بررسی دینامیک مبدل باک:

حالت هدایت یک مبدل تابعی، از ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی، جریان خروجی، و مقدار اندوكتانس مغناطیس کنندگی می باشد. یک مبدل باک می تواند برای عملکرد در حالت جریان پیوسته، سطح مشخصی از بار طراحی شود. معمولا، بازه ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی، و جریان بار توسط مشخصه های مبدل تعریف می شوند. پس فقط مقدار اندوكتانس مغناطیس کنندگی، پارامتر قابل طراحی برای ماندن در حالت هدایت پیوسته می باشد.

یکی از اولین مسائلی که باید در طراحی و ساخت یک منبع تغذیه سوئیچینگ در نظر گرفت، انتخاب حالت جریان آن می باشد. این دو حالت کاری از نظر جنبه های مختلف مانند فشار روی ادوات سوئیچینگ، پاسخ دینامیکی ولتاژ خروجی، جریان های اولیه و ثانویه، ریپل ولتاژ خروجی و اندازه ترانسفورمر قدرت با هم متفاوت می باشند.

دینامیک مبدل باک در حالت جریان پیوسته:

در حالت جریان پیوسته، تنظیم کننده باک، به دو حالت کاری تقسیم می شود. حالتی که سوئیچ روشن می باشد و دیود خروجی خاموش می باشد، که در این حالت انرژی منبع به بار منتقل شده و انرژی در در سلف و خازن خروجی ذخیره می شود. حالت دوم سوئیچ خاموش و دیود خروجی روشن می باشد. در این حالت انرژی ذخیره شده در سلف و خازن به بار منتقل می شود. بازه زمانی وضعیت روشن بودن سوئیچ، توسط رابطه زیر تعریف می شود.

که Ts دوره تناوب سوئیچ زنی و Ton زمان روشن بودن سوئیچ، در یک تناوب سوئیچینگ می باشند. بازه زمانی خاموش بودن سوئیچ T_off نامگذاری شده است. تنها دو حالت در هر دوره تناوب برای وضعیت جریان پیوسته وجود دارد، T_off معادل رابطه زیر می باشد.

مقدار (1-D) بعضی وقت ها به صورت D نام گذاری می شود.

کنترل مبدل باک در حالت حلقه بسته در شکل زیر نشان داده شده است. همانطور که دیده می شود. برای کنترل ولتاژ خروجی میزان روشن بودن کلید S_w توسط کنترل کننده تعیین می شود. همچنین از ولتاژ خروجی و جریان خازن خروجی به منظور ورودی های کنترل کننده استفاده می شود.

شکل  کنترل حلقه بسته مبدل باک

در صورتی که از متغیرهای فوق به منظور ورودی های کنترل کننده مبدل باک استفاده شود. در اینصورت فضای حالت سیستم مبدل باک در حالت جریان پیوسته به صورت زیر قابل بیان می باشد:

که در آن C ظرفیت خازن خروجی, L اندوكتانس فیلتر خروجی, R_L مقاومت بار, Vo ولتاژ خروجی Vi ولتاژ ورودی ضریب اندازه گیری سنسور ولتاژ خروجی, Vref ولتاژ فرمان (مرجع) و وضعیت کلید Sw می باشد. اگر کلید بسته بوده (روشن باشد) 1=u و اگر کلید خاموش باشد (مدار باز) u=0 می باشد.

رابطه به صورت ماتریسی و به صورت فضای حالت استاندارد :

کنترل مناسب ولتاژ خروجی یکی از وظایف مهم مبدل های الکتریکی است که در اکثر کاربردها به آن نیاز است. کنترل مبدل های DC/DC بنا به دلایل متعدد همچون دارا بودن معادلات غیرخطی، تغییر پارامترها با زمان و غیره، امر نسبتا پیچیده ای است. پیچیدگی و غیر خطی بودن معادلات حاکم بر این سیستم ها، مواجه بودن با مسئله تغییر پارامترها, تغییرات ولتاژ ورودی و عدم آشنایی کامل از دینامیک بار، سبب شده است که مدل پیچیده و در عین حال، غير دقیقی (مبهم) از سیستم در اختیار باشد. از این رو، کنترل کننده های سنتی مانند کنترل کننده های تناسبی- انتگرالی عملکرد چندان مناسبی در این زمینه ندارند. وقتی ضرایب کنترل کننده های PI برای یک نقطه کار تنظیم می شوند، با تغییر نقطه کار ضرایب بهینه دیگری برای عملکرد بهینه نیاز است. این امر به آن دلیل است که با تغيير نقطه کار، مدهای سیستم تغییر خواهد کرد.

در سال های اخیر کارهای فراوانی برای بهبود کنترل کننده ولتاژ انجام شده است. لذا این کنترل کننده ها به اندازه کافی در مقابل اغتشاشات خارجی و تغییر پارامترها و اختلال هنگام کار سیستم مقاوم نمی باشند. از این رو روش های دیگری برای جایگزینی با این کنترل کننده ها ارایه شده است. از آن جمله می توان به کنترل شبکه عصبی, کنترل ژنتیک PI کنترل کننده شبکه عصبی فازی اشاره کرد. اما بین کنترل کننده های موجود کنترل کننده ای که دارای حجم محاسباتی کمتر. پاسخ بهتر در مقابل اغتشاشات و همچنین پایداری آن در نواحی کاری سیستم تضمین شده باشد. در ارجحیت قرار دارد.

موارد زیر را می توان از جمله مشخصه های مبدل های با عمکرد بالا برشمرد:

– دستیابی به خطای حالت ماندگار تقريبا صفر در کنترل ولتاژ

– مقاوم در برابر تغییرات ولتاژ ورودی

– مقاوم در برابر تغییرات بار خروجیDC/DC

 

منابع تغذیه سوئیچینگ:

ایدة منابع تغذیه سوئیچینگ در سال ۱۹۷۰ توسط مهندسان الکترونیک مطرح گردید که در ابتدای امر از بازدهی پایینی برخوردار بود ولی در مقایسه با باتریها و منابع تغذیه آنالوگ وزن وحجم کوچکتر ولی در عین حال توان بالایی داشتند. در منابع تغذیه از عناصر ابتدایی نظیر ترانزیستورهای دوقطبی و مدارات منواستابل و آستابل استفاده می شد که این خود باعث کاهش راندمان چیزی در حدود ۶۸% می شد. امروزه منابع تغذیه سوئیچینگ جایگاه خاصی در صنعت برق و الکترونیک و مخابرات یافته اند و بدلیل برتری ها و مزایای زیادی که نسبت به دیگر منابع تغذیه دارا می باشند توجه صنعت گران و مهندسان برق را به خود معطوف کرده اند تا جایی که گروهی از مهندسان الکترونیک در بهبود و کارایی ها و کیفیت آنها تحقیقات گسترده ای انجام داده اند البته نتیجه این تلاشها پیشرفت روزافزونی است که در ساخت این سیستم ها پدید آمده است. البته پیشرفت در تکنولوژی ساخت قطعات نیز تاثیر بسزایی در منابع تغذیه سوئیچینگ داشته است. با پیدایش ماسفت های(MOSFET) سریع و پرقدرت تلفات ترانزیستوری بطور چشمگیری کاهش پیداکرد و عمده تلفات در ترانس ها خلاصه شد که برای غلبه بر این مشکل فرکانس کاری مدار را تا حد یک مگاهرتز افزایش دادند.

معایب منابع تغذیه سوئیچینگ:

• نیاز به فیلتر کردن خروجی و حذف نویزهای تولیدی
• ناپایداری ولتاژ
• حساسیت زیاد به امواج محیط به گونه ای که بعضا در برابر دیش های مخابراتی اصلا عمل نمی کنند.

تمامی موارد ذکر شده فوق در کاهش کارامدی وافزایش قیمت موثر هستند ولی البته باطراحی بهتر قابل بهبود می باشند. تابه حال در مورد مزایا و معایب رگولاتورهای خطی وسوئیچینگ بحث شد و از مطالب فوق می توان نتیجه گرفت که این منابع حوزه های کاری مشخصی دارند که عموما برای مدارهای با راندمان بالا و ولتاژ بالا مثل مدارهای تغذیه شونده با باطری های قابل حمل ، تغذیه سوئیچینگ برتری دارد ولی برای ولتاژهای ثابت وکم، منابع خطی ارزان تر و بهترند.

چگونگی عملکرد یک منبع تغذیه سوئیچینگ:

یک رگولاتور خطی براساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی بوسیلة یک نیمه هادی قدرت که در حالت خطی بکار گرفته شده است کار می کند که حاصلضرب اختلاف ولتاژ خروجی با ورودی در جریان بار توانی است که در این عنصر نیمه هادی باید تلف شود که بعضاً زیاد است و مهمترین عامل پایین بودن راندمان می باشد. دلیل این امر هم، عملکرد ترانزیستور در حالت خطی است. یعنی جایی که ولتاژ در سرسوییچ و جریان عبوری آن ، هردو زیاد است. اما یک رگولاتور سوئیچینگ را می توان به عنوان یک منبع خطی در نظر گرفت ، در حالی که در یک منبع از نوع سوئیچینگ ، تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در روشن به خاموش یا اصطلاحا زمان کارکرد ترانزیستور خروجی انجام می گیرد. به دلیل کارکرد ترانزیستور در حالت خاموش و روشن تلفات در نیمه هادی در مقایسه باحالت خطی خیلی کم است . دلیل نامگذاری این منابع به نام های خطی وسوئیچینگ هم حالت عملکرد عنصر نیمه هادی است.

انواع رگولاتورهای ولتاژ :

مدارات رگولاتور ولتاژ به سه دسته تقسیم می شوند. در رگولاتور نوع سری یک المان کنترل خطی(ترانزیستور) بصورت سری و ولتاژ جریان مستقیم رگوله نشده برای ثابت نگهداشتن ولتاژ خروجی و فیدبک استفاده می شود. ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی رگوله نشده است و مقداری قدرت در المان کنترل تلف می شود. یک نوع دیگر از این رگولاتورها رگولاتور موازی است که در آن المان کنترل بجای سری شدن با بار از خروجی به زمین بسته می شود و موازی با بار قرار می گیرد. یک مثال ساده مقاومت به اضافه دیود زنر است. روش دیگری برای تولید یک ولتاژ DC رگوله شده که اساسا از آنچه تاکنون دیده ایم متفاوت است وجود دارد و آن رگولاتور سوئیچینگ است. شکل زیر یک رگولاتور سوئیچینگ را نشان می دهد.

شکل رگولاتور سوئیچینگ ساده

چاپرهای DC:

در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به تبدیل یک منبع جریان مستقیم ( DC) ولتاژ ثابت به یک منبع ولتاژ متغیر می باشد. چاپر(chopper)   DC وسیله ای است که مستقیماً DC را به DC تبدیل می کند. چاپر می تواند به جهت افزایش یا کاهش پله ای ولتاژ منبع DC بکارگرفته شود. از این رو می توان چاپرها را به دو دسته سوئیچر کاهنده و سوئیچر افزاینده تقسیم کرد.

شکل  چاپر کاهنده.

شکل چاپر افزاینده.

در یک چاپر کاهنده( کاهش پله ای ) با باز و بسته شدن سوئیچ ولتاژ دو سر بار صفر یا برابر ورودی می شود. در اینجا کلید می تواند یک ماسفت قدرت یاترانزیستور قدرت یا تریستور قدرت با کموتاسيون اجباری باشد. از چاپر می توان جهت بالا بردن ولتاژ DC استفاده کرد که با نام چاپر افزاینده ( افزایش پله ای) نشان داده شده است. هنگامی که سوئیچ بسته است انرژی در سلف ذخیره می شود و زمانی که سوئیچ باز می شود انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد. اگر یک خازن بزرگ همان طوری که با خط چین در شکل نشان داده شده است متصل شود ولتاژ خروجی پیوسته خواهد بود.

چاپرها دو نوع عملکرد متفاوت دارند:

١- عملکرد فرکانس ثابت.

در این روش فرکانس چاپر ثابت نگه داشته می شود و زمان بودن کلید تغییر داده می شود. پهنای پالس در این روش تغییر می کند و این نوع کنترل مدولاسیون پهنای پالس(PWM)نام دارد.

۲- عملکرد فرکانس متغیر.

در این حالت فرکانس چاپر تغییر می کند و زمان روشن و خاموش بودن ثابت نگه داشته می شود. این روش مدولاسیون فرکانس نام دارد. در این روش فرکانس باید در محدوده وسیعی تغییر یابد تا رنج کاملی از ولتاژ خروجی را داشته باشیم که بدلیل هارمونیک هایی با فرکانس های غیر قابل پیش بینی طراحی فیلتر آن دشوار می شود

اصول رگولاتورهای سوئیچینگ:

چاپرهای DC را می توان در رگولاتورهای تغییر دهنده حالت جهت تبدیل یک ولتاژ DCمعمولا تثبیت نشده به یک ولتاژ خروجی DC تثبیت شده بکار گرفت. تثبیت کردن معمولا از طریق روش مدولاسیون پهنای پالس در یک فرکانس ثابت انجام می گیرد و عنصر کلیدزنی معمولاً ترانزیستور دوقطبی یا ترانزیستوراثر میدان (ماسفت ) یاترانزیستوردوقطبی باگیت عایق شده (IGBT) قدرت می باشد. اجزا رگولاتورهای تغییردهنده حالت در شکل زیر نشان داده شده اند.

شکل عناصر رگولاتورهای سوئیچینگ.

از شکل فوق می توان دریافت که خروجی یک چاپر DC با بار مقاومتی و ناپیوسته و شامل هارمونیک هایی می باشد.

مقدار ریپل ولتاژ خروجی معمولاً با استفاده از یک فیلتر سلف و خازن (LC) کاسته می شود. رگولاتورهای سوئیچینگ به صورت مدارهای مجتمع یافت می شوند. طراح می تواند فرکانس کلیدزنی را با انتخاب مقادیر مقاومت (R) وخازن (C) نوسان کننده فرکانسی انتخاب کند. به عنوان یک قانون سرانگشتی برای حداکثر کردن بازده حداقل دوره تناوب نوسان گر باید حدود صد مرتبه بیشتر از زمان کلیدزنی ترانزیستور باشد. برای مثال اگر ترانزیستوری زمان کلیدزنی برابر 0.5 میکروثانیه داشته باشد دوره تناوب نوسان گر 50 میکرو ثانیه خواهد بود که در نتیجه حداکثر فرکانس نوسان گر ۲۰ کیلوهرتز خواهد بود. این محدودیت ناشی از تلفات کلیدزنی ترانزیستور می باشد. تلفات کلیدزنی ترانزیستور با فرکانس کلیدزنی افزایش و در نتیجه بازده کاهش می یابد. بعلاوه تلفات هسته سلف ها کارکرد با فرکانس بالا را محدود می سازد. ولتاژ کنترلی (V_c) با مقایسه ولتاژ خروجی با مقدار مطلوب آن بدست می آید. Vc را می توان با یک ولتاژ دندان اره ای (Vr) مقایسه کرد تا سیگنال کنترلی PWM برای چاپر DC تولید شود.

رگولاتورهای سوئیچینگ فاقد ترانسفورماتور ایزوله کننده:

رگولاتور باک:

دریک رگولاتور باک مقدار متوسط ولتاژ خروجی( Vout) کمتر از ولتاژ ورودی (Vin) است. مدار شبیه سازی شده یک رگولاتور باک که از یک IGBT قدرت به عنوان سوئیچ استفاده می کند در شکل زیر نشان داده شده است که مشابه یک چاپر کاهش پله ای می باشد. طرز کار مدار را می توان به دو حالت تقسیم کرد. حالت اول هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور در 0=t روشن می شود. جریان ورودی که صعودی می باشد از سلف و فیلتر و مقاومت بار عبور می کند. حالت دوم هنگامی شروع می شود که ترانزیستور در لحظه t2 خاموش می شود به خاطر وجود انرژی ذخیره شده در سلف دیود هرزگرد هدایت میکند و جریان سلف به عبور از خازن و بار و دیود ادامه می دهد. جریان سلف تا زمان روشن شدن دوباره ترانزیستور در سیکل بعدی نزول می کند. شکل موج­های ولتاژ و جریان نشان داده شده برای حالت پیوسته جریان در سلف می باشند. بسته به فرکانس کلیدزنی و اندوکتانس فیلتر جریان سلف می تواند ناپیوسته نیز باشد.

رگولاتور باک ساده و بازده آن بیش از 90% است و فقط به یک ترانزیستور نیاز دارد. در این رگولاتور ولتاژ خروجی فقط یک قطبیت داشته و جریان خروجی یک سویه است. همچنین برای جلوگیری از اتصال کوتاه در مسیر دیود به یک مدار محافظ نیاز است. با استفاده از آن می توان مدارهای فوق العاده کارآمد (95 درصد یا بالاتر برای مدارهای یکپارچه) ساخت که مفید هستند برای کارهایی از قبیل تبدیل ولتاژ اصلی DCدر یک PCبا کامپیوتر ۱۲ به ۳.۳ولت و نیز در یک لپ تاپ ۲۴-۱۲ ولت به ۱.۸ – ۸. ۰ ولتاژ مورد نیاز برای پردازنده را تبدیل می کنند . ساده ترین و آسان ترین و در عین حال ابتدایی ترین آرایش مربوط به این نوع است که نقاط ضعف مربوط به خود را داراست.

شکل رگولاتور باک.

 

معایب رگولاتور باک:

• به منظور تثبیت ولتاژ خروجی لازم است که ولتاژ ورودی یک تا دو ولت بیشتر از ولتاژ خروجی باشد.
• هنگامی که سوئیچ روشن می شود هنوز دیود روشن است که به آسیب دیدگی سوئیچ و دیود منجر می شود( لذا باید از یک دیود سریع با زمان بازیابی حداقل استفاده شود).
• سوئیچ های قدرت هنگام سوختن اتصال کوتاه می شوند به همین دلیل خروجی را به بار وصل می کنند ( راه­حل آن حس کردن تغییرات سریع جریان بار و انتقال آن به یک تریستور موازی است ).
• علی رغم تمامی معایب و محدودیت هایی که ذکر شد در شرایط عادی این منابع توانایی تحویل بیش از صد وات توان به خروجی را دارند.

رگولاتور بوست:

این رگولاتور یکی از انواع رگولاتورهای فلای بک است که خروجی آن بزرگتر یا مساوی ورودی است. در رگولاتور بوست ولتاژ خروجی می تواند بیشتر از ولتاژ ورودی باشد که به همین علت چنین نامگذاری شده است. مدار شبیه سازی یک رگولاتور بوست که از یک IGBT قدرت استفاده می کند. طرز کار مدار را می توان به دو حالت تقسیم کرد. حالت اول با روشن شدن ترانزیستور در 0=t آغاز می شود. ولتاژ ورودی روی القاگر می افتد و جریان صعودی از سلف و ترانزیستور می گذرد. حالت دوم هنگامی شروع می شود که ترانزیستور در لحظه t2 خاموش می گردد. جریانی که تا به حال از ترانزیستور عبور می کرد حالا از سلف خازن ( L-C ) و بار و دیود عبور می کند. جریان سلف کاهش می یابد تا اینکه ترانزیستور در سیکل بعدی دوباره روشن گردد. انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می گردد

شکل موج های ولتاژ و جریان برای حالتی که جریان بار پیوسته است در زیر نشان داده شده اند. همان طور که گفته شد این رگولاتور بدون استفاده از ترانسفورماتور می تواند ولتاژ خروجی را افزایش دهد. به خاطر داشتن فقط یک ترانزیستور این مدار بازده بالایی دارد. ولتاژ خروجی در برابر تغییرات سیکل کاری چرخه کار (D.C) خیلی حساس است و پایدار کردن رگولاتور ممکن است مشکل باشد. مقدار متوسط جریان سلف بزرگتر از مقدار متوسط جریان خروجی است و جریان موثر خیلی بزرگتری از خازن فیلتر عبور خواهد کرد که باعث می شود مجبور شویم از خازن لتر بزرگتر و سلف بزرگتری نسبت به رگولاتور باک استفاده کنیم. دو حالت کاری پیوسته و ناپیوسته برای این رگولاتور قابل ذکر است. تمایز این دو حالت این است که انرژی القاگر به صفر می رسد یا نه.

شکل رگولاتور بوست.

 

یکی از کاربردهای اصلی این مبدل در منابع تغذیه DCتنظیم شده و ترمز مولدی موتورهای DCاست . همانند سایر رگولاتورهای فاقد ترانسفورمر ایزوله این توپولوژی هم نقاط ضعف فراوانی دارد. بویژه در ارتباط با بار و حالات خطرناک گذرا که باعث می شود هر گونه تموج رودی به خروجی انتقال یابد. استفاده از ترانسفورمر ایزوله طیف وسیعی از اشکالات را بر طرف خواهد نمود.

رگولاتور باک – بوست:

این رگولاتور نوعی از رگولاتور فلای بک است که عملکرد آن خیلی به عملکرد رگولاتور بوست شبیه است. به علاوه به عنوان یک رگولاتور معکوس کننده هم شناخته می­شود. تفاوت موجود میان رگولاتور ربوست و باک-بوست همانطور که در شکل زیر پیدا است تعویض جایگاه القاگر و سوئیچ قدرت است. همانند رگولاتور بوست القاگر انرژی را ذخیره می کند. مادامی که سوئیچ قدرت روشن است انرژی ذخیره شده و سپس از طریق یکسوساز به زمین تخلیه می شود که نتیجه آن ولتاژ منفی است و مقدار آن بوسیله زمان وظیفه(D.C) سوئیچ قدرت تعیین می گردد.

زمان وظیفه(D.C) این رگولاتور بویژه هنگامی که نیاز به تخلیه انرژی هسته باشد به ۵0% محدود می شود. معادلات مربوط به انرژی و هسته درست همانند رگولاتور بوست است. اشکالی که وجود دارد این است که هرگونه تموج ولتاژ به نیمه هادی قدرت آسیب می رساند. راه حلی شبیه حالت قبل در اینجا وجود دارد. علیرغم همه معایب این آرایش توان تحویل تا صد وات را به خروجی دارد. ولتاژ خروجی یک رگولاتور باک – بوست میتواند کمتر یا بیشتر از ولتاژ ورودی آن باشد و به همین علت این چنین نامگذاری شده است قطبیت ولتاژ خروجی مخالف ولتاژ ورودی است. این رگولاتور با نام رگولاتور معکوس کننده نیز شناخته می شود. مدار یک رگولاتور باک – بوست در شکل زیر نشان داده شده است. طرز کار مدار را می توان در دو حالت بررسی کردD.C) ) .

شکل  رگولاتور باک – بوست با جریان پیوسته سلف.

شكل  موج های ولتاژ و جریان رگولاتور باک – بوست

در حالت اول ترانزیستور روشن و دیود بایاس معکوس می شود. جریان ورودی که در حال افزایش است از سلف و ترانزیستور می گذرد. در حالت دوم ترانزیستور خاموش می گردد و جریانی که از سلف می گذشت حال از خازن و بار و دیود عبور می کند. انرژی ذخیره شده در القاگر به بار منتقل می گردد و جریان سلف نزول می کند تا اینکه ترانزیستور دوباره در سیکل بعدی روشن گردد .شکل موجهای پایدار ولتاژ و جریانهای رگولاتور برای حالت پیوسته جریان در بار نشان داده شده اند. رگولاتور باک – پوست بدون استفاده از ترانسفورمر عمل معکوس کردن قطبیت ولتاژ خروجی را انجام میدهد و بازده بالایی دارد. پیاده سازی محافظت در برابر اتصال کوتاه خروجی ساده می باشد. این رگولاتور توان ثابتی را مستقل از امپدانس بار به خروجی تحویل می دهد و بطور وسیعی در فلاش های نوری و باطری شارژها استفاده می شود.

رگولاتورهای سوئیچینگ با ترانسفورماتور ایزوله کننده:

با بهره گیری از ترانسفورمر ایزوله کنندة ایزولاسیون به کمک سیم های عایق و نوارهای عایق انجام می شود که در این حالت تا صدها ولت و بیشتر ولتاژ قابل تحمل وجود دارد. مزیت دیگر ترانسفورمر ایزوله کننده افزودن خروجی های متعدد بدون نیاز به رگولاتور جداگانه است. در اینجا هم توپولوژی های فلای بک و فوروارد وجود دارد به علاوه ترانس می تواند به عنوان افزاینده یا کاهنده ولتاژ عمل کند.

رگولاتور فلای بک:

ساده ترین و کم قطعه ترین عضو خانواده منابع تغذیه سوئیچینگ طرح فلای بک است که در محدوده بسیار وسیعی به کار می رود و در شکل زیر نشان داده شده است. این رگولاتور کاملا شبیه رگولاتور بوست است به جز یک سیم پیچ اضافی روی القاگر آن که این سیم پیچ علاوه بر ایزولاسیون قابلیت های فراوانی را هم به مدار می افزاید که عبارتند از:

• بیش از یک خروجی در یک تغذیه قابل تحصیل است.
• خروجی می تواند مثبت یا منفی مستقل از سطح ورودی باشد.
• ایزولاسیون الکتریکی بین ورودی و خروجی خیلی زیاد است.
• عملکرد این رگولاتور ترکیبی از عملکرد رگولاتور های بوست و باک است و در یک دوره کاری قابل تفسیر است.

شکل رگولاتور فلای بک

شكل موج های ولتاژ و جریان رگولاتور فلای بک

 

نخست هنگامی که ترانزیستور قدرت روشن است در این حالت با عبور جریان از اوليه ترانسفورمر انرژی دار می شود و سپس هنگامی که سوئیچ خاموش می شود با تخلیه انرژی در بار از مقدار انرژی کاسته می شود. در اینجا هم اگر انرژی تا نیم دوره بعدی در دسته باقی بماند حالت کاری پیوسته و اگر نماند حالت کاری ناپیوسته است. هنگامی که سوئیچ روشن است جریان خطی مثلثی با شیبVin/L1 در اولیه به راه می افتد و تا هنگامی که سوئیچ خاموش نشود ادامه می یابد. هنگامی که ترانزیستور روشن استV_t برابر ولتاژ اشباع ترانزیستور و هنگامی که سوئیچ خاموش است این ولتاژ به مقدار Vin+(n1/n2)Vout می رسد(بعلاوه افت یک دیود و حالت گذرا).

هنگامیکه سوئیچ خاموش است جریان در ثانویه با شیب –Vout/L2 کاهش می یابد. عملکرد مدار فلای بک کمی پیچیده تر از فوروارد است ولی ریاضیات حاکم کماکان ساده است.

علی رغم حالت فوروارد سیم پیچ اولیه و ثانویه همفاز پیچیده نشده اند و جریان هم جهت براه نمی افتد و لذا اولیه و ثانویه مانند القاگرهای ساده جداگانه می توانند تحلیل شوند. مدار نوع فلای بک برای توانهای تا حدود ۱۰۰ وات مناسب است.

رگولاتور پوش پول:

شکل زیر آرایش مدار پوش پول را نشان می دهد. این مدار مانند سایر رگولاتورهای فوروارد در خروجی به فیلتر سلف خازن ( L-C ) و باک مجهز است. انرژی در هسته ذخیره نمی شود و جریان در ثانویه همزمان با هدایت ترانزیستور مربوطه در اولیه براه می افتد. ترانزیستورها به صورت متوالی با یک زمان مرده (این زمان که برای ترانزیستور حدود ۲ میکرو ثانیه و برای ماسفت حدود ۵۰ تا ۴۰۰ نانو ثانیه است. برای کسب اطمینان از خاموش شدن ترانزیستورها از لحظه اعمال ولتاژ به گیت یا بیس تا توقف کامل عبور جریان از کلکتور یا درین لازم است) کار هدایت جریان را بر عهده می گیرند(در صورتی که زمان مرده کافی نباشد یک ترانزیستور هنگامی که ترانزیستور دیگر کاملا خاموش نشده است روشن می شود و در این حالت عبور جریان بسیار زیاد از اولیه باعث آسیب دیدن ترانزیستورها خواهد شد).

على رغم اینکه سیم پیچ های اولیه و ثانویه در یک جهت پیچیده شده اند نحوه اتصالات بگونه ای است که جریان در جهت های عکس به صورت متوالی در اولیه براه می افتد. در این حالت از عنصر مغناطیسی به صورت متقارن استفاده می شود که این شکل کارکرد مدار مزایای زیر را به همراه دارد:

• فوران ایجاد شده در هسته پیرامون منحنی B-H متقارن است و در این حالت علىرغم فضای اضافی لازم برای سیم پیچی اضافی حجم هسته منتجه کاهش چشمگیری پیدا می کند.
• مزیت دیگر رگولاتور پوش پول در مقایسه با طرح فلای بک قدرت تحویل توان ۲ برابر به بار است. این منابع توان تحویل تا چند صد وات را به خروجی دارند.
• به دلیل کار کرد هر یک از ترانزیستورها در فرکانسی برابر نصف فرکانس کاری اصلی عوامل محدودکننده نظیر حرارت و … به نصف کاهش یافته است. مانند رگولاتور باک القاگر خروجی هیچگاه نباید کاملا از فوران تخلیه گردد. جریان القاگر خروجی یک موج مثلثی برابر حاصل جمع جریان در دو نیمه اولیه ضربدر ضریب تبدیل جریان ترانسفورمر است که روی یک سطح DC که دست کم برابر نصف جریان نامی خروجی باید باشد سوار است.

 

شکل رگولاتور پوش پول.

 

اشکال اساسی و غیر قابل حل رگولاتور پوش – پول:

به دلیل اینکه هیچ دو ترانزیستوری یافت نمی شوند که مشخصاتشان کاملاً یکسان باشد و عملاً پیچیدن دو نیمه اولیه به صورت کاملا یکسان بسیار مشکل است مدار از کار متقارن حول منحنىB-H خارج می شود و این همه مشکل نیست. مشکل اصلی هنگامی بروز می کند که کنترلر سعی در جبران چرخه کار(D.C) مدار هنگامی که بار با یک افزایش پله ای در جریان خروجی مواجه می شود بنماید که در این حالت هسته به اشباع می رود و هرگونه تلاشی در جهت افزایش توان تحویلی به بار بیهوده است و این کار به افزایش جریان عبوری از ترانزیستورها منجر می شود که در نهایت باعث بروز آسیب جدی به نیمه هادی می شود. اغلب طراحان با تجربه استفاده از آرایش های نیم پل و تمام پل را بر پوش پول ترجیح می دهند.

 

مبدل باک-بوست(Buck-Boost Converter):

کاربرد اصلی مبدل های کاهنده-افزاینده یا باک-بوست در منابع تغذیه تنظیم شده dc است؛ جایی که ولتاژ خروجی بالاتر یا پایین تر از ولتاژ ورودی مورد نیاز باشد و یا در صورت نیاز پلاریته ولتاژ خروجی نسبت به ولتاژ ورودی معکوس باشد. یک مبدل باک-بوست را می توان از اتصال سری دو مبدل کاهنده (باک) و افزاینده (بوست) به دست آورد.

 

در حالت پایدار رابطه ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی از رابطه زیر به دست می آید (فرض می کنیم زمان کارکرد کلیدها (D) در هر دو مبدل یکسان باشد).

عبارت [D] گین مبدل باک و عبارت [1/1-D] گین مبدل بوست می باشد. این معادله نشان می دهد که با تغییر D (زمان کارکرد) ولتاژ خروجی می تواند هم کمتر و هم بیشتر از ولتاژ ورودی گردد. که همان قابلیت مورد انتظار از میدل باک-بوست است.

اتصال متوالی دو مبدل کاهنده و افزاینده را می توان با هم ترکیب کرد و یک مبدل باک-بوست ( Buck-Boost) مانند شکل زیر به دست آورد که فقط دارای یک کلید و یک سلف و نیز یک خازن می باشد. هنگامی که سوییچ بسته است ورودی به سلف انرژی می دهد و دیود بایاس معکوس است و هنگامی که سوییچ باز است انرژی ذخیره شده در سلف به خروجی انتقال می یابد. در زمانی که سوییچ باز است ورودی در تامین انرژی هیچگونه دخالتی ندارد. برای اینکه در حالت پایدار ولتاژ خروجی ثابت باشد ظرفیت خازن خروجی را به نسبت بزرگ در نظر می گیریم تا این خواسته برآورده شود (vo(t)=Vo.

شکل مبدل باک-بوست.

نحوه عملکرد مبدل در حالات مختلف روشن (بسته بودن) و خاموش باز بودن کلید به در صورت است:

١. حالت روشن (مادامی که سوییچ بسته است)

در این حالت منبع ولتاژ ورودی (E) مستقیما به سلف (L) متصل است و انرژی منبع ورودی در سلف ذخیره می­شود و بار توسط انرژی ذخیره شده در خازن (C) تغذیه می گردد.

شکل مبدل باک-بوست در حالت روشن (سوییچ بسته).

 

٢. حالت خاموش (مادامی که سوییچ باز است)

در این حالت سلف (L) به بار (R) و خازن (C) متصل است و انرژی از سلف به خازن و بار منتقل می شود.

شکل مبدل باک-بوست در حالت خاموش (سوییچ باز).

 

 

در این پروژه مبدل باک-بوست در متلب شبیه سازی شده است.