آشنایی با مبدل DC به DC

مبدل DC-DC یک مدار الکترونیکی یا وسیله الکترومکانیکی است که یک جریان مستقیم (DC) از یک منبع با یک سطح ولتاژ به سطح دیگر تبدیل می‎کند. این مبدل درواقع یک نوع مبدل الکترونیک قدرت است. رنج توان از بسیار کم (باتری‎های کوچک) تا توان‎های بسیار بالا (انتقال توان ولتاژ بالا) متغیر است.

تاریخچه

قبل از توسعه نیمه‌هادی‌های قدرت و تکنولوژی‎های وابسته، یک‌راه تبدیل ولتاژ از یک منبع DC به ولتاژ بالاتر برای کاربردهای توان پایین، تبدیل ‎آن به AC توسط ویبراتور و سپس بالا بردن سطح آن توسط ترانس و استفاده از یک‌سوساز بود. برای توان‎های بالاتر یک موتور الکتریکی برای درایو کردن یک ژنراتور با ولتاژ موردنظر استفاده می‎شد. گاهی کل این مجموعه در یک بسته‌ی واحد “دینامومتر” قرار می‎گرفت به صورتی که یک سیم‎پیچ موتور را درایو می‎کرد و سیم‎پیچ دیگر ولتاژ خروجی را تولید می‎کرد. این روش‎ها بسیار ناکارآمد و پرهزینه بودند و فقط وقتی راه جایگزینی وجود نداشت مورداستفاده قرار می‎گرفتند مثلاً برای تیوب‎های حرارتی (لامپ خلأ) که به ولتاژ بسیار بالاتر از ولتاژ باتری خودرو نیاز دارند. ظهور نیمه‌هادی قدرت و مدارهای مجتمع (IC)، به‌کارگیری تکنیک‌هایی همچون تبدیل توان از منبع DC به توان AC با فرکانس بالا به‌واسطه ترانس کوچک و یک‌سوسازی مجدد برای تغییر ولتاژ را به‌طور اقتصادی امکان‌پذیر کرد. بااینکه در سال ۱۹۷۶ رادیو خودروها دیگر نیازی به ولتاژ بالا نداشت همچنان یک سری از رادیوهای قدیمی برای کار کردن به ویبراتور و دینامومتر نیاز داشتند.

تبدیل ولتاژ بالا به ولتاژ پایین‎تر توسط الکترونیک خطی امکان‌پذیر بود، بااین‌حال این روش‎ها بسیار ناکارآمد و همراه با تولید حرارت بالا بودند و امکان تبدل توان با بازده بالا با مدارات سوئیچینگ مبتنی بر نیمه‌هادی امکان‌پذیر شدند.

کاربردهای مبدل DC به DC

کانورترهای DC-DC در دستگاه‎های الکترونیک همراه مانند موبایل و لپ‌تاپ استفاده می‎شود مخصوصاً وقتی‌که قرار است انرژی خود را از باتری‌ها دریافت کنند. این‌گونه دستگاه‎های الکترونیکی اصولاً شامل یک سری زیر-مدار هستند که هرکدام نیازمند سطح ولتاژ مخصوص خود است که با سطح ولتاژ باتری متفاوت است. علاوه بر این، وقتی از باتری جریان کشیده می‎شود، پس از مدتی ولتاژش افت می‎کند. مبدل‎های سوئیچینگ این قابلیت را دارند که باوجود کاهش ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی خود را در سطح مطلوب و ثابت حفظ کنند و بنابراین، نیازی به استفاده از چند باتری با سطح ولتاژ یکسان نیست.

اکثر مبدل‎های DC-DC ولتاژ خروجی تنظیم‌شده‌ای دارند.

مبدل‎های DC به DC که برای افزایش استحصال انرژی از سیستم‎های فتوولتائیک یا توربین‎های بادی بکار می‎روند، بهینه‎ساز توان یا پاور اپتیمایزر (power optimizer) نامیده می‎شوند.

ترانس‎هایی که برای تبدیل توان در فرکانس اصلی ۵۰-۶۰ هرتز بکار می‎روند باید سنگین و بزرگ باشند. به خاطر همین موضوع این ترانس‎ها گران‎قیمت و دارای تلفات بیشتری هستند. تکنیک‎های DC به DC که در آن‎ها از سلف یا ترانس استفاده‌شده، در فرکانس‎های بسیار بالاتری کار می‎کنند و نیازمند قطعات سبک‎تر و کوچک‎تر هستند.

تبدیل الکترونیکی

مبدل‎های الکترونیکی رایج از تکنیکهای سوئیچینگ استفاده می‎کنند. مبدل‎های سوئیچینگ DC به DC توسط ذخیره‌سازی موقت انرژی ورودی و سپس آزادسازی انرژی به خروجی، یک سطح ولتاژ را به سطح دیگر تبدیل می‎کنند که ممکن است کمتر یا بیشتر از سطح ولتاژ اولیه باشد. ذخیره کننده‎ی انرژی می‎تواند مبتنی بر میدان مغناطیسی باشد (مانند سلف و ترانس) یا الکتریکی باشد (خازن). این روش تبدیل می‎تواند سطح ولتاژ را افزایش یا کاهش دهد. تبدیل سوئیچینگ بسیار کارآمدتر از تبدیل توان خطی است بطوریکه بازده این تبدیل از ۷۰ تا ۹۸ درصد است. برای مثال مبدل ۳۳۰ وات رایمون پارو که در فروشگاه قابل‌مشاهده است دارای بازده ۷۸ درصد است. برای بازده بالا، زمان صعود و نزول سریع قطعات نیمه‎هادی نیاز است بااین‌حال ترکیب این حالت گذرای سریع و اثرات پارازیتی، طراحی این‌گونه مدارها را چالش‌برانگیز می‎کند. بازده بالاتر مبدل سوئیچینگ نیاز به هیت سینک بزرگ‎تر را مرتفع ساخته و قابلیت تحمل باتری تجهیزات سیار را افزایش می‌دهد. بازده از دهه‎ی ۱۹۸۰ به دلیل استفاده از فت‎ها افزایش یافت زیر این قطعات نسبت به ترانزیستورهای ۲قطبی امکان کلید زنی همراه با تلفات کمتر و با فرکانس بیشتر را فراهم می‎کنند و همچنین نیاز به مدارات درایو ساده‎تری دارند. پیشرفت دیگر مبدل‎های DC به DC  جایگزین کردن دیود هرز گرد با یک‌سوساز همگام توسط فت‎ها است که مقاومت حالت روشن آن‎ها بسیار پایین است و همین امر تلفات سوئیچینگ را کاهش می‎دهد. قبل از در دسترس قرار گرفتن نیمه‎هادی‎های قدرت، مبدل‎های DC به DC همگام دارای یک ویبراتور الکترومکانیکی همراه با یک ترانس افزاینده بودند که یک لامپ خلأ یا یک‌سوساز نیمه‎هادی را تغذیه می‎کرد.

اکثر مبدل‎های DC به DC طوری طراحی‌شده‌اند تا توان را در یک‌جهت از ورودی معلوم به خروجی مشخص تبدیل کنند. بااین‌حال اکثر رگولاتورهای سوئیچینگ می‎توانند توسط جایگزین کردن دیودها با یک‌سوسازهای فعال کنترل شونده‎ی مستقل به‌صورت دوطرفه ساخته شوند. یک مبدل دو طرفه کاربردهای خاص خود را دارد مثلاً در عملکرد احیای ترمز وسایل نقلیه که توان حین رانندگی به تایرها منتقل و حین ترمز گرفتن از چرخ‎های گرفته می‎شود.

باوجوداینکه مبدل‌های سوئیچینگ به تعداد قطعات محدودی نیاز دارند، ساختار پیچیده‎ای دارند. مانند همه‎ی مدارات فرکانس بالا، قطعات این مبدل‎ها باید با احتیاط انتخاب شوند تا عملکرد پایدار را به همراه داشته باشند و همچنین نویز ناشی از سوئیچینگ (EMI/RFI) را در سطح قابل‌قبول نگه‌دارند. قیمت مبدل‎های سوئیچینگ در کاربردهایی که نیازمند کاهش ولتاژ ورودی است نسبت به رگولاتورهای خطی بیشتر است. ولی با پیشرفت‎هایی که در طراحی درون تراشه صورت می‎گیرد، قیمت آن‎ها رو به کاهش است.

مبدل‎های DC به DC در قالب مدارهای مجتمع نیز قابل‌دسترس است که نیاز به چند قطعه اضافی دارد. همچنین ماژول‎های هیبرید کامل نیز در بازار عرضه می‎گردد.

مبدل‎های DC به DC خطی برای اهداف کاهش سطح ورودی و همچنین مبدل‎های DC به DC ساده خازنی (و همچنین مدار دیکسون) که ولتاژ را دو برابر می‎کنند تاکنون ساخته‌شده‌اند ولی همگی برای توان‎های خروجی پایین مورداستفاده قرار می‌گیرند.

قبلاً در رایمون پاور با مدارات باک و بوست که نوعی مبدل DC به DC هستند آشنا شدید. از انواع دیگر این مبدل‎های می‎توان به توپولوژی‎های فوروارد، فلای‎بک، پوش‎پول، نیم پل و تمام پل اشاره کرد.

مبدل‎های مغناطیسی

در مبدل‎های DC به DC انرژی به‌طور تناوبی از یک میدان مغناطیسی در یک سلف یا ترانس ذخیره و آزاد می‎شود. توسط تغییر دیوتی‎سایکل، توان خروجی به‌راحتی کنترل می‎شود. مبدل‎هایی که بر اساس ترانس ساخته می‎شود ایزولاسیون بین ورودی و خروجی را به همراه دارند.

هر توپولوژی مبدل DC به DC می‎تواند یکی از انواع زیر باشد:

  • سوئیچینگ سخت
  • رزونانسی: یک فیلتر LC ولتاژ و جریان روی ترانزیستور را حالت می‎دهد و ترانزیستور حین کلید زنی دارای جریان یا ولتاژ صفر است.

مبدل‎های خازنی

مبدل‎های سوئیچینگ خازنی بر اساس اتصال تناوبی خازن‎ها به ورودی و خروجی در توپولوژی‎های مختلف ساخته می‎شوند. برای مثال یک مبدل کاهنده خازنی سوئیچینگ می‎تواند دو خازن را به‌صورت سری شارژ کند و به‌صورت موازی تخلیه کند. این عمل همان توان ورودی را در اختیار کاربر قرار می‎دهد (البته با بازده کمتر از ۱۰۰%) به‌طور ایدئال، نصف ولتاژ ورودی و دو برابر جریان آن. به دلیل اینکه این مبدل‎ بر اساس میزان شارژ متفاوت کار می‎کند به آن مبدل پمپ شارژ نیز می‎گویند. این نوع مبدل‎های برای کارهایی که نیاز به جریان کم دارند استفاده می‎شوند. برای جریان‎های بالاتر، مبدل‎های سوئیچینگ انتخاب بهتری هستند. این مبدل‎های همچنین در ولتاژهای بالا که در آن سطح ولتاژ، شکست مغناطیسی رخ می‌دهد مورداستفاده قرار می‎گیرند.

نویز RF

مبدل‎های سوئیچینگ ذاتاً دارای نویز رادیویی با فرکانس سوئیچینگ و هارمونیک‎هایش هستند که مداخلات الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد می‎کنند.

نویز خروجی

خروجی یک مبدل DC-DC ایدئال، کاملاً صاف و مسطح است بااین‌حال، در واقعیت مبدل‎های یک DC خروجی فراهم می‎کنند که دارای میزانی نویز الکتریکی هستند. مبدل‎های سوئیچینگ نویز‎های سوئیچینگ با فرکانس سوئیچینگ و هارمونیک‎های آن تولید می‎کنند. علاوه بر این، تمام مدارهای الکترونیکی دارای میزانی نویز حرارتی هستند. برخی از مدارات حساس مخابراتی و مدارات آنالوگ نیازمند یک منبع تغذیه با نویز بسیار کمی است بطوریکه این هدف فقط با منبع تغذیه خطی محقق می‎گردد.

 

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

آیا می خواهید به بحث بپیوندید؟
در صورت تمایل از راهنمایی رایگان ما استفاده کنید!!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *