مبدل Buck Boost چیست؟

مبدل باک-بوست نوعی مبدل DC به DC (همچنین به عنوان یک چاپر شناخته می شود) است که دارای ولتاژ خروجی است که یا بیشتر یا کمتر از قدر ولتاژ ورودی است. برای “افزایش” ولتاژ DC، مشابه ترانسفورماتور مدارهای AC استفاده می شود.

معادل یک مبدل فلای بک است که از یک سلف به جای ترانسفورماتور استفاده می کند. دو توپولوژی مختلف مبدل باک-بوست نامیده می شوند.

مبدل های DC-DC به عنوان چاپر نیز شناخته می شوند. در اینجا نگاهی به مبدل Buck Boost خواهیم داشت که می تواند به عنوان مبدل DC-DC Step-Down یا مبدل DC-DC Step-Up بسته به چرخه کار، D عمل کند.

یک مبدل Buck-Boost معمولی در زیر نشان داده شده است.

شکل 1 ) نمایش مدار دیاگرام یک مبدل تیپیکال باک بوست

منبع ولتاژ ورودی به یک دستگاه حالت جامد متصل است. کلید دوم استفاده شده یک دیود است. دیود برعکس جهت جریان برق از منبع، به یک خازن وصل شده و بار و هر دو به صورت موازی همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است متصل می شوند.

سوئیچ کنترل شده با استفاده از مدولاسیون عرض پالس (PWM) روشن و خاموش می شود. PWM می تواند بر اساس زمان یا فرکانس باشد.

مدولاسیون مبتنی بر فرکانس دارای معایبی مانند طیف گسترده ای از فرکانس ها برای دستیابی به کنترل مطلوب سوئیچ است که به نوبه خود ولتاژ خروجی مورد نظر را می دهد.

مدولاسیون مبتنی بر زمان بیشتر برای مبدل های DC-DC استفاده می شود. ساخت و استفاده از آن ساده است.

فرکانس در این نوع مدولاسیون PWM ثابت می ماند. مبدل Buck Boost دارای دو حالت کار می باشد. حالت اول زمانی است که سوئیچ روشن و هدایت می شود.

حالت I: کلید روشن است، دیود خاموش است

شکل 2 ) مد یک کاری در مبدل باک بوست

سوئیچ روشن است و بنابراین نشان دهنده یک اتصال کوتاه است که در حالت ایده آل مقاومت صفر را در برابر جریان جریان ارائه می دهد، بنابراین هنگامی که کلید روشن است، تمام جریان از کلید و سلف عبور می کند و به منبع ورودی DC باز می گردد.

سلف در مدت زمانی که سوئیچ روشن است و هنگامی که سوئیچ حالت جامد خاموش است، شارژ را ذخیره می کند، قطبیت سلف برعکس می شود به طوری که جریان از طریق بار و از طریق دیود عبور می کند و به سلف باز می گردد. بنابراین جهت جریان از طریق سلف ثابت می ماند.

فرض کنید سوئیچ برای مدتی TON روشن است و برای مدتی TOFF خاموش است. ما دوره زمانی، T، و فرکانس سوئیچینگ را تعریف می کنیم،

حال اجازه دهید اصطلاح دیگری را تعریف کنیم، چرخه وظیفه،

اجازه دهید مبدل Buck Boost را در حالت پایدار برای این حالت با استفاده از KVL تجزیه و تحلیل کنیم.

از آنجایی که سوئیچ برای مدتی TON = DT بسته است، می توان گفت Δt = DT.

هنگام انجام تجزیه و تحلیل مبدل Buck-Boost باید این را در نظر داشته باشیم

جریان سلف پیوسته است و این امر با انتخاب مقدار مناسب L امکان پذیر می شود.

جریان سلف در حالت پایدار از یک مقدار با شیب مثبت به یک مقدار حداکثر در حالت روشن افزایش می یابد و سپس به مقدار اولیه با شیب منفی کاهش می یابد. بنابراین تغییر خالص جریان سلف در هر سیکل کامل صفر است.

حالت II: کلید خاموش است، دیود روشن است

شکل 3 ) مدل دو کاری در مبدل باک بوست

در این حالت قطبیت سلف معکوس می شود و انرژی ذخیره شده در سلف آزاد می شود و در نهایت در مقاومت بار تلف می شود و این به حفظ جریان جریان در همان جهت از طریق بار و همچنین افزایش خروجی کمک می کند. ولتاژ به عنوان سلف اکنون نیز به عنوان منبع در ارتباط با منبع ورودی عمل می کند. اما برای تجزیه و تحلیل، ما قراردادهای اصلی را برای تجزیه و تحلیل مدار با استفاده از KVL حفظ می کنیم.

اکنون اجازه دهید مبدل Buck Boost را در حالت پایدار برای حالت II با استفاده از KVL تجزیه و تحلیل کنیم.

از آنجایی که سوئیچ برای مدتی باز است،

 می توانیم بگوییم

در نتیجه :

قبلاً ثابت شده است که تغییر خالص جریان سلف در هر سیکل کامل صفر است.

می دانیم که D بین 0 و 1 متغیر است. اگر D> 0.5 باشد، ولتاژ خروجی بزرگتر از ورودی است. و اگر D < 0.5 باشد، خروجی کوچکتر از ورودی است. اما اگر D = 0.5 ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ ورودی است.

مدار مبدل Buck-Boost و شکل موج آن در زیر نشان داده شده است.

شکل 4 ) مدار معادل مبدل باک بوست به همراه مقادیر عددی

اندوکتانس L 50mH و C 100μF و بار مقاومتی 50Ω است. فرکانس سوئیچینگ 1 کیلوهرتز است. ولتاژ ورودی 100 ولت DC و چرخه کاری 0.5 است.

شکل 5) شکل موج خروجی های ولتاژ مبدل باک بوست شبیه سازی شده در متلب

شکل موج ولتاژ مطابق شکل بالا و شکل موج جریان مطابق شکل زیر می باشد.

شکل 6 ) شکل موج خروجی های جریان مبدل باک بوت شبیه سازی شده در متلب

منبع : برق تِک