مبدلهای DC-DC پهنای پالسی مدوله شده جزء تنظیم کننده های ولتاژ مد سوئیچینگ هستند که تبدیل DC به DC را انجام می دهند و می توانند با کنترل مناسب، ورودی DC ثابت را به یک خروجی DC متغیر تبدیل کنند. این وسایل الکتریکی می توانند به صورت افزاینده، کاهنده یا افزاینده – کاهنده عمل کنند که استفاده از هر یک بستگی به کاربرد موردنظر دارد. عناصر تشکیل دهنده مدار این وسایل معمولاً تک کلید قدرت، سلف، خازن و دیود می باشد که برای عملکرد دقیق و درست باید مقدار سلف و خازن آنها بسته به تعدادی از پارامترهای عملکردی طراحی شود. منبع ورودی یک مبدل DC-DC می تواند یک باطری یا ولتاژ خط یکسوشده از اینورتر باشد.
مبدل های DC-DC پهنای پالسی مدوله شده دارای انواع مختلفی چون بوست، باک، باک – بوست، Flyback، کاک ،SEPIC ، Forward و .. می باشند که تک کلیده بوده و برای افزایش، کاهش و یا افزایش – کاهش ولتاژ ورودی مورد استفاده قرار می گیرند. این مبدل ها از کنترل دیوتی سایکل تک کلید خود، برای شارش انرژی از ورودی و خروجی و در نتیجه تنظیم ولتاژ استفاده می کنند. در این پست قصد داریم در مورد یکی از پرکاربردترین این مبدل ها یعنی مبدل بوست بحث کرده و فرآیند کنترل آنرا ارائه دهیم. بهتر است ابتدا با عملکرد و ساز و کار این مبدل آشنا شویم.
مبدل بوست (Boost)
مبدل بوست نوعی مبدل DC-DC پهنای پالسی مدوله شده است که در آن سطح ولتاژ خروجی بیشتر از ورودی است و به صورت افزاینده ولتاژ عمل می کند. مبدل DC-DC بوستبه طور فزاینده ای به عنوان یک مبدل جلویی (Front-End) برای منابع باتری، سیستم های خورشیدی فتوولتائیک و سلول های سوختی جهت افزایش سطح ولتاژ بکار برده می شود. نمای این مبدل در شکل 1 نشان داده شده است که بسته به وضعیت کلید می تواند در دو عملکردی قرار بگیرد. برای طراحی این مبدل چیزی که بیشتر از همه مهم است تعیین ظرفیت خازن و اندوکتانس سلفی است که در مدار مبدل قرار دارد. این کار را می توان با توجه به معادلات ریاضی حاکم بر سیستم و مقدار پارامترهای مربوط به ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی مورد نیاز و همچنین مقدار باری که به خروجی متصل است انجام داد.
شکل 1) مبدل DC-DC بوست
اگر فرض کنیم جریان بار پیوسته بوده و مبدل به صورت مد هدایت پیوسته کار می کند، روابط زیر را می توان برای مدار مبدل بوستبدست آورد:
Vo=Vi/(1-K) (1
Io=Is/(1-K) (2
3) L =Vs*K/f*ΔI
4) C=K*Io/f*ΔVc
که در روابط فوق K دیوتی سایکل، f فرکانس کلیدزنی، ΔI تغییرات جریان سلف و ΔVc تغییرات ولتاژ خازن می باشد. ازروابط 3 و 4نیز می توان به ترتیب مقدار اندوکتانس سلف و ظرفیت خازن را محاسبه کرد.
بررسی پروژه شبیه سازی
در مبدل های بوست به علت دو عامل تغییر ولتاژ ورودی یا تغییر جریان بار اغلب از یک مدار کنترلی برای تنظیم ولتاژ خروجی در برابر این تغییرات استفاده می شود. در این پروژه به همین منظور یک مبدل بوست در نظر گرفته شده و کنترل مد ولتاژ آن برای حفظ ولتاژ خروجی در مقدار ثایت در حالت ورودی ثابت اما با تغییر بار خروجی طراحی و پیاده سازی شده است. برای کنترل ولتاژ از کنترل کننده تناسبی – انتگرالی (PI) مرسوم استفاده شده که دارای مزیت های ساختار ساده، طراحی آسان و هزینه ارزان می باشد. در شکل 2 بلوک دیاگرام سیستم مبدل و بار به همراه کنترل آن نشان داده شده که در سیمولینک متلب پیاده سازی شده است.
شکل 2) سیستم مبدل و بار به همراه کنترل ولتاژ خروجی برای مبدل بوست
در سیستم شکل 2، با توجه به مقدار ولتاژ منبع ورودی که 775 ولت است و مقدار 1200 ولت که برای ولتاژ خروجی مورد نیاز است، مقدارهای ظرفیت خازن و اندوکتانس سلف محاسبه شده اند. برای بررسی اثر تغییر بار روی طرح کنترلی، مقدار بار خروجی که برابر 50 اهم است از زمان 0 تا 0.4 ثانیه در مدار قرار دارد و بعد از آن از مدار خارج شده و بلافاصله بار مقاومتی 70 اهمی به خروجی مبدل بوست اعمال می شود. در ادامه نتایج شبیه سازی ارائه شده است.
شکل 3) جریان سلف در سیستم بار و مبدل بوست
شکل 4) دیوتی سایکل کلید قدرت در سیستم بار و مبدل بوست
شکل 5) ولتاژ و جریان خروجی در سیستم بار و مبدل بوست
همان طور که از شکل 5 واضح است، در زمان 0.4 ثانیه به علت تغییر ناگهانی بار خروجی، سیستم کمی از حالت تعادل خود خارج می شود اما اندکی بعد دوباره به حالت تعادل رسیده و سطح ولتاژ خروجی که کمی افزایش پیدا کرده دوباره به مقدار اولیه 1200 ولت بر می گردد.
——————————————————————————————-
توجه: برای دریافت فایل شبیه سازی مربوط به سیستم بار و مبدل بوست که در آن از یک کنترل کننده PI برای کنترل ولتاژ خروجی استفاده شده است، می توانید از لینک خرید استفاده کنید. در انتها لطفا نظرات خود را با ما در میان بگذارید.