مبدل فلایبک معکوس کننده

مقدمه:

مبدلهای DC-DC برای تبدل توان DC بکار برده می شوند که می توانند بسته به مدار طراحی شده، ولتاژی DC بزرگتر یا کوچکتر از ولتاژ ورودی را در خروجی خود ایجاد کنند. همچین در بعضی از ساختارها امکان دستیابی به ولتاژ منفی در خروجی وجود دارد. یک نوع از مبدل های DC-DC ، ساختارهای سوئیچینگ هستند که در آنها یک ترانزیستور (مثل ماسفت) وجود دارد که نقش یک کلید الکترونیکی را بر عهده دارد و با قطع و وصل سریع خود امکان تبدیل توان DC را فراهم می کند. این مبدل ها انواع مختلفی دارند، مثلا مبدلهای باک، بوست و باک – بوست از نوع بدون ترانس بوده که در آنها تابع تبدیل ولتاژ (نسبت ولتاژ خروجی به ورودی) به دیوتی سایکل کلید الکترونیکی وابسته است اما در مبدل هایی مثل فلایبک، فوروارد و پوش پول که از نوع ترانس دار هستند تابع تبدیل ولتاژ علاوه بر دیوتی سایکل کلید به نسبت تبدیل ترانس نیز وابسته است.  دو مزیت مهم ساختارهای ترانس دار ایزولاسیون بین ورودی و خروجی مدار و همچنین طراحی تابع تبدیل با نسبت های خیلی بزرگتر یا خیلی کوچکتر نسبت به نوع بدون ترانس می باشد.

در اینجا می خواهیم به بررسی مبدل فلایبک پرداخته و فرآیند طراحی آن را برای عملکرد در مد CCM بیان کنیم.

آشنایی با مبدل فلایبک

 مبدل dc-dc فلایبک در واقع ورژن ترانسفورماتوری مبدل باک – بوست است. در این مبدل یک ترانس وجود دارد که برای ایجاد ایزولاسیون بین ورودی و خروجی مدار مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین استفاده از ترانس این امکان را فراهم می کند که بتوان نسبت به ساختارهای بدون ترانس دیگر به مقدارهای تابع تبدیل ولتاژ خیلی بزرگتر یا خیلی کوچکتر دست یافت. مدار این مبدل را می توان هم برای ولتاژ مثبت و هم برای ولتاژ منفی به صورت مجزا طراحی و تنظیم کرد. همچنین امکان استفاده از چند سیم پیچی در سمتی از ترانس که به بار متصل است وجود دارد که چندین سطح ولتاژ را در خروجی تأمین می کند.

 این مبدلها معمولاً برای کاربردهای توان پایین از 20 تا 200 وات طراحی شده و به طور گسترده در کامپیوترها، دستگاه های TV و تجهیزات دیگر بکار برده می شوند.

ترانس موجود در این ساختارها معمولا به صورت شکل 1 مدل می شود که در آن مقاومت ها و اندوکتانس های نشتی برابر با صفر فرض می شود. اندوکتانس مغناطیس کنندگی نیز برای ذخیره سازی انرژی مورد استفاده قرار گرفته و پارامتر مهمی در طراحی مدار می باشد.

شکل 1 ) مبدل ترانس ساده شده برای مبدل فلایبک

معمولا فرکانس طراحی در این ساختارها بزرگ است که منجر به کاهش مقدارهای اندوکتانس ترانس و در نتیجه کاهش اندازه هسته آن می شود.

همانطور که گفته شد مدار مبدل را می توان هم برای ولتاژ مثبت و هم برای ولتاژ منفی در خروجی طراحی کرد. در شکل 2 مدل مبدل فلایبک معکوس کننده نشان داده شده که ولتاژ منفی را در خروجی ایجاد می کند. در هنگام طراحی باید به جهت خازن و دیود در طرف ثانویه ترانس دقت کرد.

شکل 2) مبدل فلایبک معکوس کننده

عملکرد این مدار را می توان در دو حالت قطع و وصل کلید قدرت مورد بررسی قرار داد. توجه می کنیم که این مبدل بسته به انتخاب پارامترهای طراحی می توان در دو مد CCM و DCM کار کند.

در مد CCM برای مبدل فلایبک معکوس کننده می توان تابع تبدیل ولتاژ را به صورت رابطه 1 بیان کرد:

که در این رابطه D دیوتی سایکل کلید الکترونیکی و n نسبت تبدیل ترانس مبدل است. فرآیند طراحی مبدل فلایبک را می توان به کمک رابطه فوق و همچنین روابط دیگر که در کتاب های الکترونیک قدرت بیان شده، انجام داد. در ادامه به بررسی شبیه سازی یک مبدل فلایبک معکوس کننده در محیط های نرم افزاری متلب و PSIM می پردازیم.

پروژه شبیه سازی

برای درک بهتر عملکرد مبدل فلایبک معکوس کننده، در این قسمت فرآیند طراحی آن برای داده های پیش فرض انجام شده و مدل آن ابتدا در نرم افزار متلب و سپس در نرم افزار PSIM تنظیم و شبیه سازی شده است. اطلاعات پیش فرض برای طراحی به قرار زیر است:

ولتاژ ورودی: 311 ولت با تلرانس 10 درصد

ولتاژ خروجی: 5 ولت

توان خروجی: 5 ولت

نسبت تغییرات ولتاژ به ولتاژ خروجی: کمتر از 0.5 درصد

فرکانس کلید زنی: 100 کیلوهرتز

با استفاده از این اطلاعات و فرمول های طراحی، مقدار مقاومت بار، نسبت تبدیل، اندازه خازن و اندوکتانس مغناطیس کنندگی ترانس بدست آورده می شود. محاسبات کامل این موارد در گزارش کار آورده شده است و در اینجا از ذکر آن پرهیز می کنیم.

در شکل 3 مدل مبدل فلایبک معکوس کننده در محیط سیمولینک متلب نشان داده شده است. ورودی به صورت یک منبع یکسو با ولتاژ 311 ولت تنظیم شده و در خروجی نیز یک بار مقاومتی با مقدار 5 اهم قرار گرفته است. برای کنترل کلید قدرت که از نوع ماسفت می باشد، نیز به صورت ساده از روش PWM استفاده شده که در آن یک سیگنال ثابت با مقدار دیوتی سایکل مشخص با سیگنال کریر مثلثی با فرکانس 100 کیلوهرتز مقایسه شده و حاصل به صورت یک پالس مستطیلی به کلید اعمال شده است.

شکل 3) مدل فلایبک شبیه سازی شده در متلب

در ادامه تعدادی از نتایج شبیه سازی در محیط سیمولینک متلب نشان داده شده است. در شکل 4 مشخصه ولتاژ و جریان بار نشان داده شده که مقدار متوسط ولتاژ برابر با 5- ولت و مقدار متوسط جریان برابر با 1- آمپر می باشد.

شکل 4) مشخصه ولتاژ و جریان بار

در شکل 5 مشخصه ولتاژهای دو سر دیود و کلید قدرت نشان داده شده است که در آن محدوده تغییرات ولتاژ دیود حدودا بین 0 تا 15- ولت و محدوده تغییرات ولتاژ کلید قدرت بین 0 تا 600 ولت می باشد.

شکل 5) مشخصه ولتاژ دیود و ولتاژ کلید قدرت در بازه ای از زمان شبیه سازی در نرم افزار متلب

تا اینجا تعدادی از نتایج شبیه سازی با نرم افزار متلب ارائه شد، اما شاید بخواهیم نتایج شبیه سازی همین مدل را در نرم افزار دیگری نیز بررسی کنیم. برای همین در ادامه مدل را مجددا در نرم افزار PSIM شبیه سازی کرده و نتایج آن را بدست آورده ایم. در شکل 6 مدل مبدل فلایبک معکوس کننده در PSIM نشان داده شده است. در اینجا نیز به طور ساده تحریک کلید قدرت بوسیله روش PWM انجام می شود.

شکل 6) مبدل فلایبک شبیه سازی شده در نرم افزار PSIM

در شکل 7 مشخصه ولتاژ و جریان بار ارائه شده که با توجه به آن مقدار متوسط ولتاژ حدود 5- ولت و مقدار متوسط جریان حدود 1- آمپر است. این مقدارها با مقدارهایی که از شبیه سازی متلب بدست آمده است، هم خوانی دارد.

شکل 7) مشخصه ولتاژ و جریان بار در نرم افزار PSIM

در شکل 8 نیز مشخصه ولتاژ دیود و ولتاژ کلید الکترونیکی نشان داده شده که با شکل 5 شباهت زیادی دارد.

شکل 8) مشخصه ولتاژ دیود و ولتاژ کلید قدرت در بازه ای از شبیه سازی در نرم افزار PSIM

———————————————————————————————

نتیجه

در این پست با مبدل فلایبک معکوس کننده و نحوه عملکرد آشنا شدیم، سپس بر پایه اطلاعات که در اختیار داشتیم، مدلی از این مبدل را طراحی کرده و  در نرم افزارهای متلب و PSIM شبیه سازی کردیم. در ادامه نیز نتایج تحلیل را بدست آورده و تعدای از آنها را بررسی کردیم. از محاسبات انجام شده و نتایج بدست آمده مشخص شد که اولا مشخصات بدست آمده با مقدارهای هدف تطابق دارد ثانیا مشخصه های بدست آمده از تحلیل مبدل در نرم افزار متلب و PSIM با یکدیگر هم خوانی دارد.

——————————————————————————————-

توجه:

در این پست تعدادی از نتایج شبیه سازی بدست آمده از مبدل فلایبک معکوس کننده در نرم افزارهای متلب و PSIM ارائه شد. نتایج کامل این شبیه سازیها به همراه محاسبات انجام شده و نوع المان های انتخاب شده برای مدار در گزارش کار این پروژه تنظیم شده است که می توانید آنرا به همراه شبیه سازی های موردنظر به صورت یکجا و کامل از لینک زیر خریداری کنید.