مبدل کاهنده (Buck): مبانی ،کارکرد و کاربردها

1 2,820 زمان تقریبی مطالعه 5 دقیقه

مبدل کاهنده یا باک یک مبدل DC به Dc است که برای تضعیف ورودی Dc به مقادیر پایینتر طراحی شده است. در واقع در مبدل باک (Buck) ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی Dc است. بنابراین به دلیل کمتر بودن ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی مبدل کاهنده یا باک گفته می‌شود. تبدیل موثر توان در مبدل ها باعث افزایش عمر باتری شده و گرمای تولید شده را کاهش می‌دهد. بنابراین، این مبدل ها بیشتر برای تولید گجت های کوچک ترجیح داده می‌شوند؛ همچنین به طور گسترده در SMPS (switched-mode power supply) که در آن ولتاژ DC خروجی کمتر از ولتاژ ورودی DC مورد نیاز است،استفاده می‌شود.

Dc to DC Step Down Buck Converter 1000x562 1

دستگاه های نیمه هادی مختلفی مانند پاور ماسفت، پاور BJT، IGBT و GTO وجود دارد که به عنوان سوئیچ در مدارهای مبدل باک استفاده می شود. تریستورها به طور کلی برای مبدل های dc-dc استفاده نمی شوند؛ زیرا هنگام استفاده از تریستور به مدار ارتباط خارجی دیگری نیز نیاز است. در حالی که پاور ماسفت یا IGBT را می توان با حفظ پتانسیل صفر بین گیت به منبع ترمینال پاور ماسفت یا گیت به ترمینال کلکتور IGBT ، خاموش کرد.

چگونگی عملکرد مبدل کاهنده

عملکرد مبدل کاهنده بر اساس اصل ذخیره انرژی در یک سلف است. افت ولتاژ در یک سلف متناسب با تغییر جریان الکتریکی است که از دستگاه می گذرد. ترانزیستور سوئیچینگ بین ورودی و خروجی، برای روشن و خاموش شدن مداوم در فرکانس بالا استفاده می شود. برای حفظ خروجی پیوسته، مدار از انرژی ذخیره شده در سلف استفاده می کند.

نمودار مدار مبدل کاهنده (Buck) معمولی در شکل زیر نشان داده شده است:

در این مدار ولتاژ ورودی به دستگاه نیمه‌هادی قابل کنترل متصل می‌شود که به عنوان یک سوئیچ عمل می‌کند. در نمودار مدار، این سوئیچ که یک پاور ماسفت است را نمایش می‌دهد، همچنین در این مدار یک سوئیچ دیگر به نام دیود تخلیه آزاد (FD) استفاده می‌شود. سوئیچ و دیود FD به یک فیلتر LC پایین گذر متصل شده‌اند تا امواج جریان و ولتاژ را کاهش دهند، این به تولید خروجی dc تنظیم شده کمک می کند.

در اینجا، بار صرفا بار مقاومتی است. ولتاژ و جریان از طریق بار ثابت هستند. و بار را می‌توان به عنوان یک منبع جریان در نظر گرفت.

سوئیچ کنترل شده با استفاده از PWM (مدولاسیون عرض پالس) روشن و خاموش می‌شود. PWM می‌تواند مبتنی بر زمان یا فرکانس باشد. مدولاسیون مبتنی بر زمان، بیشتر برای تبدیل کاهنده (Buck Converter) استفاده می‌شود، زیرا ساخت و استفاده از آن آسان است. در این نوع مدولاسیون PWM، فرکانس ثابت است. در حالی که مدولاسیون مبتنی بر فرکانس دارای یک دامنه گسترده از فرکانس‌ها است تا کنترل موردنظر سوئیچ را داشته باشد و برای فیلتر LC پایین گذر طراحی پیچیده‌ای دارد.

برای مبدل باک (Buck) دو حالت وجود دارد:

حالت I: سوئیچ 1 روشن و دیود FD خاموش است
حالت II: سوئیچ 1 خاموش و دیود FD روشن است

حالت I: سوئیچ 1 روشن و دیود FD خاموش است

Buck Converter circuit when S1 is closed 1

در این حالت عملکرد، سوئیچ S1 در وضعیت بسته(متصل) یا روشن (ON) قرار دارد و دیود FD در حالت باز یا خاموش (OFF) است. بنابراین، سوئیچ S1 اجازه عبور جریان را می‌دهد. در شکل بالا، نمودار مدار برای این حالت نشان داده شده است.

وقتی ولتاژ DC ثابتی به سر ترمینال ورودی مدار اعمال می‌شود، جریان در مدار از طریق سوئیچ S1 بسته و به سوئیچ فرارو متصل نمی‌شود. به دلیل جریان در مدار، الم همانند یک میدان مغناطیسی انرژی را ذخیره می‌کند. کپاسیتور نیز به طوری که در نمودار مدار نشان داده شده است متصل شده است. جریان نیز از طریق کپاسیتور عبور می‌کند و بنابراین کپاسیتور شارژ را ذخیره می‌کند. ولتاژ در سر کپاسیتور در بار ظاهر می‌شود و برابر با ولتاژ خروجی Vo است.

فرض کنید سوئیچ S1 به مدت Ton روشن و برای مدت Toff خاموش باشد.

سپس مدت زمان کل T ترکیبی از زمان‌های 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: سوئیچ 1 خاموش و دیود FD روشن است

Buck Converter Circuit whne S1 is open and FD is closed

در این حالت عملکرد، سوئیچ S1 در وضعیت باز یا خاموش (OFF) قرار دارد و دیود FD در حالت بسته یا روشن (ON) است. بنابراین، دیود FD اجازه عبور جریان را می‌دهد، در حالی که سوئیچ S1 شارش جریان را مسدود می‌کند. در شکل بالا، نمودار مدار برای این حالت نشان داده شده است.

ما می‌دانیم که سلف انرژی را به صورت یک میدان مغناطیسی ذخیره می‌کند. وقتی سوئیچ S1 باز است، سلف به عنوان منبع عمل می‌کند. بنابراین، دیود FD بسته می‌شود. در این حالت، سلف انرژی ذخیره شده در حالت قبلی را با بسته شدن کلید S آزاد می کند. در طول آزادشدن انرژی ذخیره شده در سلف، قطبیت سلف معکوس می‌شود که باعث می‌شود دیود تخلیه آزاد (FD) در حالت بایاس مستقیم باشد. بنابراین، اجازه عبور جریان در مدار از طریق دیود FD را می‌دهد. نحوه عبور جریان در شکل بالا نشان داده شده است.

شارش جریان در مدار تا زمانی که انرژی ذخیره شده در سلف به طور کامل کاهش یابد، ادامه خواهد داشت. وقتی سلف به طور کامل تخلیه شود، دیود تخلیه آزاد (FD) در وضعیت بایاس معکوس قرار می‌گیرد، بنابراین دیود FD باز می‌شود. در لحظه‌ سوئیچ S1 بسته خواهد شد. به این ترتیب، این چرخه در مدار ادامه خواهد داشت.

حال، با استفاده از KVL در مدار بالا، جایی که ما از تعریف اصلی برای تحلیل مدار استفاده کرده‌ایم، می‌توانیم بگوییم:

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.

می دانیم که مقدار دیوتی سایکل D بین 0 و 1 متغیر است. برای این محدوده D، ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی است. در نتیجه مبدل باک ولتاژ خروجی را کاهش می‌دهد.

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