سلام دوستان! امیدواریم حال همگی عالی باشه. در این مقاله قصد داریم شما را با انواع مختلف مبدل های DC به DC یعنی مبدل هایی که ولتاژ ورودی آن ها جریان مستقیم و ولتاژ خروجی آن ها نیز به صورت dc است آشنا کنیم. پس با ما همراه باشید.

مبدل DC به DC چیست؟

مبدل DC-DCیک سیستم (دستگاه) الکتریکی است که منابع جریان مستقیم (DC) را از یک سطح ولتاژ به سطح دیگر تبدیل می کند. به عبارت دیگر، مبدل DC-DC یک ولتاژ ورودی DC را به عنوان ورودی می گیرد و یک ولتاژ DC متفاوت را در خروجی می دهد. ولتاژ DC خروجی می تواند بیشتر یا کمتر از ولتاژ ورودی DC باشد. همانطور که از نام آن پیداست، مبدل DC-DC فقط با منابع جریان مستقیم (DC) کار می کند و با منابع جریان جایگزین (AC) کار نمی کند.

انواع مبدل DC به DC

انواع مختلفی از مبدل های DC-DC وجود دارد. ساده ترین شکل مبدل DC-DC مبدل خطی است که تنظیم کننده ولتاژ خطی (LDO) نیز نامیده می شود.

یک تنظیم کننده ولتاژ خطی فقط می تواند به عنوان مبدل DC-DC باک کار کند، به این معنی که فقط سطح ولتاژ بالاتر را کاهش می دهد. به عنوان یک تنظیم کننده، همچنین تضمین می کند که ولتاژ خروجی در یک مقدار خاص حفظ می شود، حتی اگر بار خروجی متغیر باشد.

نوع کارآمدتر مبدل های DC-DC مبدل DC-DC سوئیچینگ است. چندین توپولوژی برای تبدیل مبدل های DC-DC سوئیچینگ وجود دارد که رایج ترین آنها در تصویر زیر ارائه شده است.

قبل از مبدل های DC-DC سوئیچینگ، مبدل های خطی معمولا استفاده می شد. تنظیم کننده ولتاژ خطی (مبدل DC-DC) دارای دو توپولوژی اصلی است: تنظیم کننده ولتاژ شنت و تنظیم کننده ولتاژ سری. در این نوع رگولاتورهای ولتاژ، ترانزیستورها در ناحیه فعال به عنوان منابع جریان وابسته با افت ولتاژ نسبتاً بالا در جریان های بالا کار می کنند و مقدار زیادی از توان را تلف می کنند. به دلیل اتلاف توان زیاد، راندمان رگولاتور ولتاژ خطی معمولاً پایین است. رگولاتورهای خطی معمولا سنگین و بزرگ هستند، اما مزیت سطح نویز کم را دارند و برای کاربردهای صوتی مناسب هستند.

تنظیم کننده ولتاژ شنت ساده که به سادگی رگولاتور شنت نامیده می شود، نوعی تنظیم کننده ولتاژ است که در آن جزء تنظیم کننده جریان را به زمین منتقل می کند. تنظیم کننده شنت با ثابت نگه داشتن ولتاژ در پایانه های خود کار می کند و جریان اضافی را برای حفظ ولتاژ در بار الکتریکی مصرف می کند. یکی از رایج ترین عناصر تنظیم کننده شنت شامل مدار دیود زنر ساده است که دیود زنر نقش عنصر شنت را دارد.

رگولاتور ولتاژ سری ساده که رگولاتور عبور سری نیز نامیده می شود، رایج ترین روش برای ارائه تنظیم ولتاژ نهایی در منبع تغذیه تنظیم شده خطی است. رگولاتور خطی سری با عملکرد بالا برای ولتاژ خروجی از نظر ریپل و نویز کم مشخص می شود.

مبدل خطی DC-DC فقط ولتاژهای بالاتر را به ولتاژهای پایین تر تبدیل می کند. از نظر اتلاف توان، اجازه دهید به یک مثال نگاه کنیم. اگر ولتاژ ورودی 42 ولت، ولتاژ خروجی 12 ولت و جریان خروجی 5 آمپر باشد، توان تلف شده P [W] به صورت زیر محاسبه می شود:

P=Iout⋅(Vin–Vout)=150W

تمام آن توان تلف شده به گرما تبدیل می شود. بدون خنک کننده مناسب مبدل خطی DC-DC می تواند بیش از حد گرم شود و خود را از بین ببرد. به همین دلیل معمولاً از مبدل های DC-DC خطی برای کاربردهای کم مصرف استفاده می شود.

در مبدل های DC-DC سوئیچینگ، ترانزیستورها به عنوان سوئیچ عمل می کنند، به این معنی که آنها توان بسیار کمتری را نسبت به ترانزیستورهایی که به عنوان منبع جریان وابسته کار می کنند، تلف می کنند. افت ولتاژ در ترانزیستورها زمانی که جریان بالایی دارند بسیار کم است و ترانزیستورها زمانی که افت ولتاژ در آنها زیاد است جریان تقریباً صفر را انجام می دهند. بنابراین، تلفات هدایت کم است و راندمان مبدل های حالت سوئیچینگ بالا است، معمولاً بالای 80٪ یا 90٪. با این حال، تلفات سوئیچینگ راندمان را در فرکانس های بالا کاهش می دهد، هر چه فرکانس سوئیچینگ بالاتر باشد، تلفات توان بیشتر می شود. مبدل‌های DC-DC سوئیچینگ در مقایسه با مبدل‌های خطی کارایی بهتری دارند، زیرا به‌طور مداوم توان را تلف نمی‌کنند.

الف) مبدل باک یا کاهنده ولتاژ

مبدل DC-DC Buck که به آن مبدل DC-DC کاهنده نیز می گویند، یک مبدل برق DC-DC است که ولتاژ خروجی را کاهش می دهد، در حالی که جریان خروجی را افزایش می دهد. حداقل از چهار جزء تشکیل شده است:

ترانزیستور قدرت مورد استفاده به عنوان عنصر سوئیچینگ (S)

دیود یکسو کننده (D)

یک سلف (L) به عنوان عنصر ذخیره انرژی

یک خازن فیلتر (C)

روابط بین ولتاژ ورودی و خروجی، جریان و توان به شرح زیر است:

Uout < Uin

Iout > Iin

Pout = Pin – Ploss 

در کاربردهای خودروهای الکتریکی، مبدل‌های باک DC-DC برای کاهش ولتاژ بالای باتری اصلی (به عنوان مثال 400 ولت) به مقادیر کمتر (12-14 ولت) مورد نیاز سیستم‌های کمکی خودرو (چند رسانه‌ای، ناوبری، رادیو، روشنایی، حسگرها و غیره).

ب) مبدل افزاینده یا بوست

مبدل تقویت کننده DC-DC که به آن مبدل DC-DCافزاینده نیز می گویند، یک مبدل برق DC-DC است که ولتاژ خروجی را افزایش می دهد، در حالی که جریان خروجی را کاهش می دهد. این شامل اجزای مشابه یک مبدل DC-DC باک است اما در توپولوژی متفاوتی چیدمان شده است.

روابط بین ولتاژ ورودی و خروجی، جریان و توان به شرح زیر است:

Uout > Uin

Iout < Iin

Pout = Pin – Ploss 

در برخی از کاربردهای خودروهای الکتریکی هیبریدی (HEV)، مبدل های تقویت کننده DC-DC برای افزایش ولتاژ باتری از 202 ولت به 500 ولت استفاده می شود. ولتاژ باتری در یک وسیله نقلیه الکتریکی هیبریدی (HEV) با تعداد سلول های باتری به صورت سری به دلیل فضای محدود، باتری ها در تعداد سلول های سری محدود هستند بنابراین ولتاژ خروجی نیز محدود است. با استفاده از مبدل های تقویت کننده DC-DC، ولتاژ باتری را می توان به ولتاژ بالاتر مورد نیاز ماشین الکتریکی افزایش داد.

ج) مبدل کاهنده/افزاینده (باک/بوست)

در مبدل های باک DC-DC ولتاژ خروجی همیشه کمتر از ولتاژ ورودی است. از طرفی در مبدل های بوست DC-DC ولتاژ خروجی همیشه بیشتر از ولتاژ ورودی است. مبدل DC-DC Buck-Boost این دو را با هم ترکیب می کند و بسته به نسبت سیکل کاری اعمال شده به سوئیچ می تواند ولتاژ خروجی خود را در مقایسه با ولتاژ ورودی بالاتر و کمتر داشته باشد.

مبدل DC-DC باک/بوست توپولوژی معکوس ولتاژی با قطبیت مخالف در مقایسه با ولتاژ ورودی خروجی می دهد. ولتاژ خروجی تابع تنظیم سیکل کاری عنصر سوئیچینگ (ترانزیستور) است.

د) مبدل Cuk

مبدل DC-DC Ćuk نوع دیگری از مبدل باک/بوست است که جریان موجی صفر را تولید می کند. مبدل Ćuk را می توان به عنوان ترکیبی از مبدل بوست و مبدل باک، دارای یک سیستم سوئیچینگ واحد و یک خازن متقابل، برای جفت کردن انرژی مشاهده کرد. مشابه مبدل باک بوست با توپولوژی معکوس، ولتاژ خروجی مبدل غیر ایزوله Ćuk با مقادیر کمتر یا بالاتر نسبت به ولتاژ ورودی معمولا معکوس است،. معمولاً در مبدل های DC-DC، سلف به عنوان یک جزء اصلی ذخیره انرژی استفاده می شود، در حالی که در مبدل Ćuk جزء اصلی ذخیره انرژی، خازن است.

ه) مبدل Sepic

مبدل DC-DC مبدل اولیه سلف تک سر (SEPIC) اجازه می دهد تا پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) در خروجی (Uout) بیشتر یا کمتر از ولتاژ ورودی (Uin) باشد. خروجی مبدل DC-DC SEPIC توسط سیکل کاری کلید کنترل (S) کنترل می شود.

یک SEPIC از یک مبدل بوست و به دنبال آن یک مبدل باک بوست معکوس تشکیل شده است، بنابراین شبیه یک مبدل باک بوست سنتی است، اما دارای مزایای خروجی غیر معکوس است (خروجی دارای قطبیت ولتاژ یکسانی با ورودی است). استفاده از یک خازن سری بین ورودی و خروجی برای جفت کردن انرژی (و بنابراین می تواند به اتصال کوتاه خروجی با توانایی بیشتری پاسخ دهد) و قابلیت خاموش شدن واقعی: وقتی کلید S به اندازه کافی خاموش شود، خروجی (Uout) به 0 ولت، کاهش می یابد. یعنی تخلیه نسبتاً سنگین گذرایی را در بر خواهد داشت.

ه) مبدل زتا Zeta

مشابه توپولوژی مبدل DC/DC SEPIC، توپولوژی مبدل DC-DC Zeta یک ولتاژ خروجی مثبت کمتر یا بیشتر از ولتاژ ورودی، فراهم می کند. مبدل زتا همچنین به دو سلف و یک خازن سری نیاز دارد که گاهی به آن خازن پرنده می گویند. بر خلاف مبدل SEPIC، که با یک مبدل بوست استاندارد پیکربندی شده است، مبدل زتا از یک کنترلر باک پیکربندی شده است که یک FET PMOS را هدایت می کند. مبدل زتا گزینه دیگری برای تنظیم منبع تغذیه ورودی تنظیم نشده است.

در مبدل DC-DC، قطعات سوئیچینگ (S) باید یک مدار الکتریکی را باز و بسته کنند. از این رو، آنها دو نقش دارند: به عنوان یک رسانای الکتریکی برای بستن مدار، و همچنین یک عایق الکتریکی برای باز کردن مدار. این تابع دوگانه تعریف می کند که یک نیمه هادی چیست: دستگاهی که قادر است جریان را به روشی کارآمد هدایت کند و همچنین آن را مسدود کند.

نیمه هادی ها بر حسب حداکثر ولتاژی که می توانند تحمل کنند و همچنان به عنوان یک عایق عمل می کنند، و حداکثر جریانی که می تواند از طریق آنها بدون آسیب رساندن به دستگاه عبور کند، رتبه بندی می شوند. حداکثر جریان مجاز نه تنها به درجه بندی قطعه بلکه به خواص حرارتی نیمه هادی نیز بستگی دارد. بنابراین، با توجه به بسته بندی ماژول قدرت، و همچنین هیت سینک استفاده شده، حداکثر جریان مجاز می تواند برای همان قطعه متفاوت باشد.

برای کاربردهای خودرویی، یک مبدل DC-DC باید چندین الزام طراحی را برآورده کند، مانند:

سبک وزن

بازدهی بالا

حجم کم

رد تداخل الکترومغناطیسی

ریپل جریان خروجی کم

محاسبه راندمان در مبدل های باک و بوست:

در مبدل DC-DC باک، ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی است. به دلیل حفظ توان (اگر تلفات را نادیده بگیریم)، جریان خروجی بیشتر از جریان ورودی خواهد بود.

راندمان این مبدل در این مثال خاص برابر اس با:

در مبدل بوست DC-DC، ولتاژ خروجی بالاتر از ولتاژ ورودی است. به دلیل صرفه جویی در توان (اگر تلفات را نادیده بگیریم)، جریان خروجی کمتر از جریان ورودی خواهد بود.

راندمان این مبدل در این مثال خاص برابر اس با: