در این نوشته سعی می کنم مراحل طراحی مبدل باک را از ابتدا توضیح دهم. بیشتر نوشته های فارسی در اینترنت به خوبی روش های طراحی مبدل و نحوه انتخاب قطعات را توضیح نداده اند که من سعی می کنم این مسائل را تا حدودی شرح دهم.
باک کانورتر یا مبدل باک یک کاهنده سطح ولتاژ است. در سیستم با ولتاژ مستقیم امکان استفاده از ترانسفورماتور برای تبدیل سطح ولتاژ وجود ندارد و برای تغییر سطح ولتاژ باید از مبدل های DC/DC استفاده کنیم. البته برای کاهش سطح ولتاژ از یک مقاومت هم می توان استفاده کرد که با عبور جریان افت ولتاژ ایجاد کند اما این روش به دلیل تلفات بالا و راندمان پایین و همچنین نیاز به تغییر در مقدار مقاومت با توجه به میزان جریان مورد استفاده قرار نمی گیرد. ساختار یک مبدل باک در ساده ترین حالت به شکل زیر می باشد:
ایده اصلی در مبدل باک این است که با قطع و وصل ولتاژ در خروجی مقدار متوسط آن را کاهش داده و به میزان دلخواه برسانیم. در صورتی که از این روش استفاده کنیم شکل موج خروجی به صورت مربعی و با تغییرات زیادی همراه است که می تواند به بار آسیب برساند. به همین دلیل در خروجی مبدل از یک فیلتر LC استفاده می کنیم تا تغییرات ولتاژ و جریان کاهش پیدا کند. حال که در خروجی فیلتر استفاده کردیم جریان و ولتاژ پیوسته خواهند بود. سلف و خازن مدار در هنگام وصل بودن سوییچ شارژ می شوند و در هنگام قطع بودن انرژی خود را بر روی بار تخلیه می کنند. البته در مبدل باک سه حالت اصلی ممکن است اتفاق بیافتاد:
- جریان پیوسته: در این حالت سلف به اندازه ای بزرگ است که با قطع شدن سوییچ می تواند جریان بار را تا زمانی که دوباره سوییچ سلف را به منبع ورودی متصل می کند، تامین کند. در این حالت جریان بار صفر نمی شود و فقط دارای ریپل است.
- حالت بحرانی: در این حالت تخلیه انرژی سلف بر روی بار به طور کامل انجام می شود اما میزان سلف به گونه ای است که در لحظه صفر شدن جریان، سوییچ دوباره روشن شده و بار و سلف را به منبع ورودی متصل می کند. در حقیقت برای لحظه ای خیلی کوتاه جریان بار خروجی صفر می شود. در این حالت سلف به میزان بار خروجی وابسته است و با تغییر باز ممکن است میزان سلف تغییر کند.
- جریان ناپیوسته: در این حالت انرژی سلف به طور کامل تخلیه شده و جریان بار برای مدتی صفر می شود. در این حالت با توجه به مدت زمان کلیدزنی و مقدار روشن بودن سوییچ، در صورتی که سلف به اندازه کافی بزرگ نباشد، جریان بار نا پیوسته خواهد بود و در مدت زمان کوتاهی تا روشن شدن دوباره سوییچ صفر است
حال که با ساختار تقریبی مبدل باک آشنا شدیم، می توانیم شروع به طراحی این مبدل کنیم. طراحی مبدل در اصل یافتن مقادیر D یا زمان روشن بودن سوییچ، مقدار سلف و مقدار خازن مدار می باشد.
طراحی عملی مبدل باک
برای طراحی یک مبدل باک شما نیاز به داشتن اطلاعات از شرایط ورودی و خروجی مبدل دارید. در حال حاضر طراحی را به صورت ایده آل و با این فرض که ادوات الکترونیک قدرت ایده آل هستند و ولتاژ ورودی DC خالص می باشد انجام می دهیم. جدول زیر شامل موارد مورد نیاز برای طراحی مبدل و نشانه های آن ها می باشد.
| ولتاژ ورودی | Vin |
| ولتاژ خروجی | Vout |
| توان مبدل | P |
| ریپل ولتاژ خروجی | V% |
| فرکانس سوییچینگ* | fs |
فرض کنید ورودی مبدل 24 ولت و خروجی مورد نیاز 6 ولت باشد. توان حداکثر در خروجی هم 15 وات و حداکثر ریپل خروجی مجاز 0.01 ولت است. برای طراحی مبدل ابتدا باید میزان جریان خروجی و ورودی را بدانیم:
سپس برای محاسبه میزان زمان روشن بودن سوییچ که آن را با نام Duty cycle یا به اختصار D می شناسیم باید ولتاژ خروجی را بر ولتاژ ورودی تقسیم کنیم:
برای انتخاب سلف شما باید بدانید که مبدل قرار است در چه حالتی فعالیت کند. من در اینجا فعالیت در حالت جریان پیوسته را در نظر گرفتم.جریان خروجی با جریان سلف برابر است و من در نظر می گیرم که در هر دوره فقط بیست درصد از جریان سلف تخلیه شود. بیست درصد عدد مناسبی برای نسبت تغییرات جریان سلف به جریان اصلی سلف در حالت جریان پیوسته است هر چه این عدد کوچکتر باشد ما سلف بزرگتری نیاز داریم:
مورد بعدی در انتخاب سلف فرکانس سوییچینگ است. بیشتر اوقات پیش از طراحی مشخص نیست که جریان به چه اندازه است و ما می توانیم ماسفت استفاده کنیم یا انتخاب های ما محدود به سوییچ های توان بالا می باشد. هر چه فرکانس بالاتری انتخاب کنیم سلف کوچکتر خواهد بود اما به همان اندازه کنترل مدار هم پیچیده تر می شود و سوییچ های توان بالا معمولا محدودیت های فرکانسی بزرگتری دارند. در این مدار فرکانس 100 کیلوهرتز مناسب است. با استفاده از فرمول زیر می توانیم مقدار حداقل سلف مدار را محاسبه کنیم:
ممکن است انتخاب های بالاتری برای سلف داشته باشیم اما در طراحی عملی مقدار بالاتر سلف منجر به مقاومت سری بیشتر و حجم بیشتر سلف خواهد شد. پس از انتخاب سلف نوبت به انتخاب مقدار خازن می رسد. مقدار خازن با مقدار ریپل ولتاژ خروجی رابطه عکس دارد و با استفاده از رابطه زیر مقدار آن را محاسبه می کنیم.
حال مقدار سلف و خازن و دیوتی سایکل را می دانیم و می توانیم شروع به شبیه سازی مبدل کنیم. البته پیش از شبیه سازی نکات زیر را هم مورد توجه قرار دهید:
- گاهی اوقات ممکن است مقدار سلف و خازن اعداد معقولی نداشته باشند که با تغییر مقدار فرکانس سوییچینگ مسئله رفع می شود.
- دیود هرزگرد داخل مدار هم هنگام انتخاب قطعات مهم است و باید جریان عبوری و ولتاژ پیک معکوس آن را بدانید که معمولا در شبیه سازی مشخص می شود. البته با استفاده از قوانین کیرشهف هم قابل حدس هستند.
- استفاده از اسنابر در این مدار توصیه می شود. هر چند معمولا مبدل های باک نقطه عملیاتی ولتاژی پایینی دارند اما استفاده از اسنابر می تواند عمر سوییچ قدرت را افزایش دهد.
شبیه سازی
در حال حاضر طراحی ما کامل شده است و برای اطمینان از طراحی خود، باید آن را شبیه سازی کنیم. من برای شبیه سازی همیشه از نرم افزار Psim استفاده می کنم. سادگی طراحی مدار، سرعت بالا و دقت نتایج، Psim را یک گزینه عالی برای طراحی و شبیه سازی مدارات الکترونیک قدرت می کند. مدار شبیه سازی شده به شکل زیر است:
ولتاژ خروجی به شکل زیر است. حدود نیم ثانیه طول می کشد تا مدار به پایداری رسیده و ریپل ولتاژ کاهش پیدا کند، این زمان وابسته به مقدار سلف و خازنی است که مدار دارد و ممکن است بیشتر یا کمتر باشد. همچنین ریپل ولتاژ بسیار کمتر از مقدار خواسته شده در مسئله است.
تبریک می گویم، اکنون مبدل شما طراحی شده است و به نظر می رسد به صورت ایده آل به خوبی کار می کند اما در عمل ممکن است خروجی مبدل آنطور که انتظار دارید نباشد و نیازمند تغییراتی در میزان دیوتی سایکل و یا سلف و خازن باشید.
امیدوارم این نوشته برای شما مفید باشد.