قوانین و مشخصات مداری منبع تغذیه سوییچینگ
معرفی
یکی از مهمترین قسمت های منبع تغذیه سوییچینگ مبدل ( converter ) آن می باشد که بسته به نوع مدار و مکانیزم آن به تیپ های مختلفی تقسیم بندی می شود. تمامی مبدل های DC به DC بر مبنای ولتاژ ورودی- خروجی و پلاریته ( جهت قطب ها ) از لحاظ توپولوژی به سه دسته تقسیم می شوند :
A–مبدل کاهنده یا باک : هنگامی به کار می رود که ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی باشد.
B–مبدل افزاینده یا بوست : هنگامی به کار می رود که ولتاژ خروجی بیشتر از ولتاژ ورودی باشد.
C–مبدل اینورتر یا باک-بوست : هنگامی به کار می رود که پلاریته ولتاژ خروجی عکس پلاریته ولتاژ ورودی باشد همچنین می تواند در هر دو کاربرد کاهنده و یا افزاینده به کار رود.
اگر نیاز باشد که قسمت ورودی از قسمت خروجی ایزوله شود ، توپلوژی های فوق مناسب نخواهند بود و جایگزین آنها توپولوژیهای ایزوله شده تحت عنوان مبدل فلای بک ( Flyback ) ، مبدل فوروارد( Forward )، مبدل پوش-پول(push-pull ) ، مبدل نیم پل( half-bridge ) و مبدل تمام پل ( Full-bridge ) می باشد.
برای ساخت سیگنال سوییچینگ ( سیگنال کنترلی است که بر اساس آن قطع و وصل ماسفت های قدرت و کلید زنی یا سوییچینگ آنها انجام می شود) روش های مختلفی وجود دارد، یکی از این روشها استفاده از اسیلاتورهای طبیعی می باشد که فرکانس نوسانات آنها وابسته به ولتاژ ورودی و میزان بار خروجی می باشد. روش دیگر استفاده از آی سی PWM است که فرکانس نوسان آن از طریق سیستم کنترل تعیین می شود.( توضیح در رابطه با PWM )
مبدل های سوییچینگ بدون ایزولاسیون ورودی خروجی
a. رگولاتور کاهنده ( Buck)
با توجه به شکل زیر که نشان دهنده مدار رگولاتور افزاینده می باشد زمانی که ماسفت onمی شود ،انرژی از طریق l1 به بارrl انتقال داده می شود و همچنین در داخل سلف l1 ذخیره می گردد ، و زمانی که ماسفت off می شود ، انرژی ذخیره شده در l1 از طریق دیود D1 ولتاژ بار خروجی را تامین می کند.
شکل 1-1 : رگولاتور باک
b. رگولاتور افزاینده ( Boost )
با توجه به شکل زیر ، زمانی که ماسفت on شود انرژی در داخل سلف ذخیره می گردد و وقتی که ماسفت off شود ، انرژی ذخیره شده در سلف از مسیر دیود به بار rl انتقال داده می شود ، ولتاژ خروجی حاصل جمع ولتاژ ورودی و ولتاژ ذخیره شده در سلف می باشد لذا به همین دلیل ولتاژ خروجی می تواند بسته به مقدار انرژی ذخیره شده در سلف، بیشتر از ولتاژ ورودی باشد.
این توپولوژی برای استفاده در مدارات اصلاح ضریب توان بسیار مناسب است.
شکل2-1 : رگولاتور بوست
c. رگولاتور باک – بوست
با روشن شدن کلید ، انرژی در L1 ذخیره می شود و با خاموش شدن آن ، انرژی ذخیره شده در سلف از طریق مسیر دیود به سمت بار rl فرستاده می شود.
شکل 3-1 : رگولاتور باک-بوست
مبدل های سوییچینگ با ترانسفورماتور ایزوله کننده
با بهره گیری از ترانس ایزوله کننده ، ایزولاسیون به کمک سیم های عایق و نوار های عایق انجام می شود که در این حالت تا صدها ولت و بیشتر ولتاز قابل تحمل وجود دارد. حسن دیگر ترانس ایزوله افزودن خروجی های متعدد بدون نیاز به رگولاتور جداگانه است. در اینجا هم توپولوژیهای فلای بک و فوروارد وجود دارد بعلاوه ترانس می تواند به عنوان افزاینده یا کاهنده ولتاژ عمل کند.
A. رگولاتورفلای بک
ساده ترین و کم قطعه ترین عضو خانواده منابع تغذیه سوییچینگ طرح فلای بک است که در محدوده بسیار وسیعی به کار می رود و در شکل زیر نشان داده شده است. این رگولاتور کاملا شبیه رکولاتور بوست است به جز یک سیم پیچ اضافی روی القاگر آن که این سیم پیچ علاوه بر ایزولاسیون قابلیت های فراوانی را هم به مدار می افزاید که عبارتند از :
1) بیش از یک خروجی در یک تغذیه قابل تحصیل است.
2) خروجی می تواند مثبت یا منفی مستقل از سزح ورودی باشد.
3) ایزولاسیون الکتریکی بین ورودی و خروجی خیلی زیاد است.
عملکرد این مبدل به این صورت است که وقتی کلید ماسفت روشن است انرژی در ترانسفورماتور ذخیره می شود و با خاموش شدن کلید انرژی ترانسفورماتور از طریق دیود به بار فرستاده می شود. مدار نوع فلای بک برای توانهای تا حدود 100 وات مناسب است.
شکل 4-1 : مبدل فلای بک
B. مبدل فوروارد
هنگامی که کلید روشن است انرژی به سمت بار فرستاده می شود و از طریق دیود و ترانسفورماتور انرژی در سلف ذخیره می شود ، با خاموش شدن کلید ، انرژی ذخیره شده در سلف از طریق دیود به سمت بار فرستاده می شود. در این توپولوژی از دو ماسفت استفاده شده است که کی تواند تنش وارد شده بر کلیدها را در هر بار کلید زنی کاهش دهد.
شکل 5-1 : مبدل فوروارد
C. مبدل push-pull
در مبدل پوش-پول انرژی در هسته ترانس ذخیره نمی شود و جریان در ثانویه همزمان با هدایت ترانزیستور مربوطه در اولیه به راه می افتد. ترانزیستورها به صورت متوالی با یک زمان مرده کار هدایت جریان را به عنده می گیرند. علی رغم اینکه سیم پیچهای اولیه و ثانویه در یک جهت پیچیده شده اند نحوه اتصالات به گونه ای است که جریان در جهت های عکس به صورت متوالی در اولیه به راه می افتد. در این حالت عنصر مغناطیسی به صورت متقارن استفاده می شود که این شکل از توپولوژی مزایای زیر راه به همراه دارد :
1) حجم هسته ترانس کاهش چشم گیری پیدا می کند.
2) به دلیل کارکرد هر یک از ترانزیستورها در فرکانسی برابر نصف فرکانس کاری اصلی عوامل محدود کننده مانند حرارت و … به نصف کاهش یافته است.
اشکال اساسی و غیر قابل حل رگولاتور های پوش-پول :
به دلیل اینکه هیچ دو ترانزیستوری یافت نمی شوند که مشخصاتشان کاملا یکسان باشد و عملا پیچیدن دو نیمه اولیه به صورت یکسان بسیار مشکل است ، مدار از کار متقارن خارج می شود البته مشکل اصلی هنگامی بروز می کند که کنترلر سعی در جبران duty-cycle مدار هنگامی که بار با یک افزایش پله ای جریان خروجی مواجه می شود ، بنماید که در این حالت ترانس به اشباع می رود و هر گونه تلاشی در جهت افزایش توان نحویلی به بار بیهوده است و فقط به افزایش جریان عبوری از ترانزیستورها منجر می شود که در نهایت باعث بروز آسیب جدی به آنها خواهد شد. اغلب طراحان با تجربه ، استفاده از آرایشهای نیم پل و تمام پل را بر پوش-پول ترجیح می دهند.
هنگامی که کلید 1 روشن است و کلید 2 خاموش است ، انرژی از طریق تراسفورماتور و دیود 2 به سمت بار فرستاده می شود و وقتی کلید 2 روشن و کلید 1 خاموش است ، انرژی از طریق تراسفورماتور و دیود 1 به سمت بار فرستاده می شود.
شکل 6-1 : مبدل پوش-پول
D. مبدل half-bridge
در این نوع از رگولاتور خطر اشباع وجود ندارد به علاوه نیازی به مدارات کنترلی گران قیمت نمی باشد. بیشترین ولتاژی که ترانزیستورها باید تحمل کنند برابر ولتاز ورودی است در صورتی که در رگولاتور پوش پول ترانزیستورها بایستی توانایی تحمل 2 برابر ولتاز ورودی را داشته باشند که باعث اختلاف قیمت تمام شده می شود.
در محدوده 150 تا 500 وات این توپولوژی بهترین انتخاب است و کمتر از آن رگولاتورهای فلای بک از نظر قیمت ترجیح دارند.
مکانیزم مدار به این صورت است که وقتی کلید 1 روشن و کلید 2 خاموش باشد انرژی از طریق خازن 2 و دیود 1 به سمت بار منتقل می شود و وقتی کلید 2 روشن و کلید 1 خاموش باشد انرژی از طریق خازن 1 و دیود 2 به سمت بار فرستاده می شود. مبدلهای half-bridge غیر متقارن می توانند بازده بالاتری داشته باشد.
شکل 7-1 : مبدل نیم – پل
E. مبدل full-bridge
در این آرایش به دلیل اینکه همه ولتاز ورودی روی سیم پیچ اولیه می افتد پیک جریان کمتری دارد و توان قابل عرضه به شکل قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. این مدار قابلیت اطمینان بالایی دارد زیرا افت ولتاز و پیک جریان کمتری برای هریک از ترانزیستورها قرار می گیرد. عیب عمده این مدار استفاده از 4 ترانزیستور است که باعث اشغال فضای بیشتر و هزینه بیشتر می شود.
اصول کار مدار به این صورت است که وقتی کلید های 1 و 4 روشن و کلید های 2 و 3 خاموش باشند انرژی از طریق ترانسفورماتور و دیود 2 به سمت بار منتقل می شود هنگامی که کلید های 2 و 3 روشن و کلید های 1 و 4 خاموش باشند ، انرژی از طریق ترانسفورماتور و دیود 1 به بار منتقل می شود. ترکیب این توپولوژی با سیستم کنترل شیفت-فاز برای رسیدن به انتقال صفر ولتاژ/جریان با بازده بالا مرسوم است.
شکل 8-1: مبدل تمام-پل
انواع سوییچینگ
برای قطع و وصل کردن ترانزیستورها در منابع تغذیه و یا به عبارتی سوییچینگ آنها دو دسته تکنیک وجود دارد که به سوییچینگ سخت و سوییچینگ نرم شناخته می شوند. اصلی ترین تفاوت بین دو روش در این است که در سوییچینگ سخت در هنگام روشن شدن ماسفت ولتاژ دو سر آن تقریبا برابر ورودی منبع می باشد و در لحظه اول جریان کاملی از ماسفت کشیده می شود که نتیجه آن اتلاف توان در زمانهای روشن شدن ماسفت است. در سوییچینگ نرم جریان در لحظه روشن شدن ماسفت در جهتی کشیده می شود که باعث دشارژ شدن خازنهای هروجی ماسفت شده و ولتاژ دو سر ماسفت صفر خواهد شد. در شکل های زیر تفاوت دو سوییچینگ بررسی شده است :
شکل 9-1 : شکل موج جریان و ولتاژ در سوییچینگ سخت ( در لحظه کلید زنی هر دو پارامتر جریان و ولتاژ مقدار دارند)
شکل 10-1 : شکل موج جریان و ولتاژ در سوییچینگ نرم ( در لحظه کلید زنی یکی از دو پارامتر جریان و ولتاژ صفر خواهد بود)
