مبدل تقویتی (Boost): مبانی ،کارکرد و کاربردها

0 2,550 زمان تقریبی مطالعه 5 دقیقه

مبدل بوست یا افزاینده یک مبدل DC به DC است که برای تقویت ورودی DC به مقدار بالاتر طراحی شده است، در واقع در مبدل بوست ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی DC، بیشتر است. بنابراین به دلیل بیشتر بودن ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی، به آن بوست یا افزاینده می‌گویند، همچنین، مبدل استپ آپ نیز نامیده می‌شود.

این تبدیل افزایشی در مبدل تقویت کننده با ذخیره انرژی در سلف و رها کردن آن به بار (load) در ولتاژ بالاتر حاصل می‌شود. مبدل های تقویت کننده به طور گسترده در دستگاه هایی که با باتری هستند، استفاده می‌شوند که شاید یک جفت باتری 3 ولت را ارائه می دهند، اما نیاز به تامین یک مدار 5 ولت را دارند.

مبدل تقویتی (Boost): مبانی ،کارکرد و کاربردها

همانطور که می دانیم حاصل ضرب ولتاژ (V)در جریان (I) توان (P) است، افزایش ولتاژ در خروجی مبدل بوست به معنای کاهش جریان خروجی در مدار است. در مدارهای مبدل بوست حداقل دو نیمه هادی (مانند دیود و ترانزیستور) و حداقل یک عنصر ذخیره انرژی (مانند یک سلف یا خازن یا هر دو) وجود دارد. سایر دستگاه های نیمه هادی مانند پاور ماسفت، پاور BJT، IGBT و غیره به عنوان سوئیچ استفاده می شوند. تریستورها معمولاً برای مبدل های DC به DC استفاده نمی‌شوند، زیرا هنگام استفاده از تریستورها به یک مدار ارتباط خارجی نیز نیاز است.

چگونگی عملکرد مبدل بوست

عملکرد مبدل تقویت کننده براساس اصل ذخیره انرژی در یک سلف است. افت ولتاژ در یک سلف متناسب با تغییر جریان الکتریکی است که از دستگاه می گذرد. آرایش مدار به گونه ای عمل می کند که به حفظ یک خروجی dc تنظیم شده و افزایش یافته در بار کمک می کند.

نمودار مدار مبدل بوست معمولی در شکل زیر نشان داده شده است:

در این مدار، دستگاه نیمه هادی مانند پاور ماسفت که به عنوان سوئیچ عمل می کند، به منبع متصل می شود؛ و یک دیود به عنوان سوئیچ دوم استفاده می شود که این دیود به خازن و بار (load) متصل است. همانطور که در نمودار مدار بالا نشان داده شده است، خازن و بار به صورت موازی به هم متصل شده اند. سلف به صورت سری به منبع ولتاژ تغذیه متصل است که منجر به جریان ورودی ثابت می شود. بنابراین مبدل بوست به عنوان منبع ورودی جریان ثابت و بارها به عنوان منبع ولتاژ ثابت عمل می کنند.

سوییچ S با استفاده از PWM (Pulse Width Modulation) روشن و خاموش می شود. PWM می تواند بر اساس زمان یا فرکانس باشد. مدولاسیون مبتنی بر زمان بیشتر برای مبدل بوست استفاده می شود، زیرا ساخت و استفاده از آن ساده است. فرکانس در این نوع مدولاسیون PWM ثابت می ماند. در حالی که مدولاسیون مبتنی بر فرکانس دارای طیف گسترده ای از فرکانس ها برای دستیابی به کنترل مورد نظر سوئیچ است و طراحی پیچیده ای برای فیلتر LC پایین گذر دارد.

مبدل بوست (Boost) دو حالت دارد:

حالت I: کلید S روشن و دیود D خاموش است.
حالت II: کلید S خاموش و دیود D روشن است.

حالت I: کلید S روشن و دیود D خاموش است
در این حالت عملکرد سوئیچ S در حالت متصل یعنی حالت روشن و دیود D در حالت باز یعنی حالت خاموش است. بنابراین سوئیچ S اجازه می دهد تا جریان از آن عبور کند. تمام جریان از طریق مسیر بسته شامل سلف L، سوئیچ S و بازگشت به منبع ورودی dc جریان می یابد. نمودار مدار این حالت در شکل زیر نشان داده شده است.

در اینجا، قطبیت سلف با توجه به جهت شارش جریان خواهد بود. در این حالت، دیود D در حالت بایاس معکوس قرار دارد، به طوری که دیود اجازه عبور جریان را به مدار نمی دهد. در این شرایط، ولتاژ روی کلید S در مقاومت بار و در نتیجه ولتاژ خروجی ظاهر می شود.

فرض کنید سوئیچ S برای مدتی روشن ( Ton ) و برای مدتی خاموش (Toff) است.

سپس کل دوره زمانی T مجموعه ای از زمان Ton و Toff است.

فرکانس سوئیچینگ برابرست با یک بر T کل و دیوتی سایکل برابرست با زمان روشن بودن(Ton) سوییچ S بر کل دوره‌ی زمانی (T).

با اعمال KVL در مدار فوق، معادله تغییر در جریان مدار را هنگام بسته شدن کلید S به دست می‌آوریم .

حالت II: کلید S خاموش و دیود D روشن است
در این حالت عملکرد سوئیچ S در حالت باز یعنی حالت OFF و دیود D بسته، یعنی حالت روشن است. بنابراین سوئیچ دیود D اجازه عبور جریان را می دهد، در حالی که سوئیچینگ S شارش جریان را مسدود می کند.

نمودار مدار این حالت در شکل زیر نشان داده شده است:

همانطور که می دانیم، سلف انرژی را به شکل میدان مغناطیسی ذخیره می کند، سلف زمانی که کلید S باز است به عنوان منبع عمل می کند. بنابراین دیود D بسته می شود. در این حالت، سلف انرژی ذخیره شده در حالت قبلی را با بسته شدن کلید S آزاد می کند. در طول آزاد شدن انرژی ذخیره شده در سلف، قطبیت سلف معکوس می شود که باعث می شود دیود D در حالت بایاس رو به جلو بیاید. بنابراین اجازه عبور جریان را از طریق دیود D می دهد. نحوه عبور جریان در شکل بالا نشان داده شده است.

انرژی آزاد شده در نهایت در مقاومت بار تلف می شود که به حفظ شارش جریان در همان جهت از طریق بار کمک می کند و همچنین ولتاژ خروجی را افزایش می دهد. جریان عبوری از سلف ماهیت کاهشی دارد و پس از گذشت زمان از بین می رود.

حال، با اعمال KVL در مدار فوق، داریم:

این معادله تغییر جریان مدار را زمانی که کلید S باز است، نشان می دهد.

از آنجایی که تغییر خالص جریان از طریق سلف در یک سیکل کامل صفر است، یعنی جمع نرخ تغییر جریان در حالت I و حالت II صفر می شود.داریم:

می دانیم که مقدار دیوتی سایکل D بین 0 و 1 متغیر است. برای این محدوده D، ولتاژ خروجی بیشتر از ولتاژ ورودی است. بنابراین به این ترتیب مبدل بوست ولتاژ ورودی را افزایش می دهد. با این حال، برای D=1، نسبت ولتاژ خروجی و ولتاژ ورودی در حالت ثابت به بی‌نهایت می‌رود که از نظر فیزیکی امکان‌پذیر نیست. عملاً، مقدار D بیش از 0.7 نگه داشته می شود که منجر به ناپایداری می شود، زیرا مبدل بوست یک مدار غیر خطی است.

شکل موج مبدل Boost در شکل زیر نشان داده شده است: