چکیده – امروزه از مبدلهاي DC-DC به طور گسترده در صنعت استفاده میشود و کاربرد گستردهاي آن بر هیچکس پوشیده نیست. مبدل Buck-Boost در تنظیم ولتاژ خروجی UPS، شارژ و دشارژ باتريها، پیل سوختی، سیستمهاي خورشیدي و …. کاربرد دارد. این مبدلها بسته به تعداد سوئیچها ، نوع پلاریته ولتاژ خروجی ، ایزوله بدون و نبودن و مد عملکردي داراي تنوع گوناگونی است. ایجاد استرس در ولتاژ و جریان کلیدها و تداخل الکترومغناطیسی یکی از مشکلات مبدلهاي DC-DC با یک کلید است.

تغییر در ساختار مبدلهاي DC-DC و کلیدزنی نرم یکی از روشهاي ساده و عملی در افزایش راندمان مبدلها و کاهش استرس جریان و ولتاژ کلیدها است. این مقاله، یک مدل بهبود یافته از مبدل Buck-Boost با اضافه کردن یک کلید اضافی در مدار رزنانسی آن جهت کاهش میزان استرس جریان و افزایش راندمان مبدل ارائه و تجزیه و تحلیل خواهد گردید. به دلیل اینکه کلیدها به صورت همزمان روشن و خاموش میگردند، کاهش تداخل الکترومغناطیسی و نیاز به یک منبع تولید سیگنال پالس از ویژگیهاي این مبدل است.

واژههاي کلیدي- مبدل Buck-Boost؛ راندمان؛ تداخل الکترومغناطیسی؛

استرس جریان؛

مقدمه

همه مبدلهاي DC-DC بر پایه مدار مبدل باك و مبدل بوست بوده و سایر مدارها در واقع ترکیبی از این دو مدار هستند. در اکثر کاربرد هایی نظیر شارژ و دشارژ باطري، تصحیح ضریب توان، تنظیم ولتاژ پیل هاي سوختی، در توربین هاي بادي با ژنراتور DC ، حصول ماکزیمم توان در صفحه هاي خورشیدي، تنظیم ولتاژ باس براي بدست آوردن یک ولتاژ DC-DC

سنکرون، تنظیم ولتاژ خروجی منابع تغذیه بدون وقفه ، یک مبدل خروجی تنظیم شده از یک منبع ولتاژ تنظیم نشده مورد نیاز است.[۱] .وقتی که ولتاژ تنظیم شده مورد نظر در بین محدوده تغییرات ولتاژ تنظیم نشده منبع

باشد، به یک مبدل افزاینده-کاهنده نیاز است.[۲] هدف از یک مدار الکترونیک قدرتی DC-DC اطمینان از مشخصه خروجی قابل کنترل بعنوان (مثال ولتاژ خروجی ثابت) براي تامین یک بار متغییر DC بدون در نظر گرفتن نوع کاربرد آن است.[۳-۴]

ایجاد استرس در ولتاژ و جریان کلیدها و تداخل الکترومغناطیسی یکی از مشکلات مبدلهاي DC-DC با یک کلید است. تغییر در ساختار مبدلهاي DC-DC و کلیدزنی نرم یکی از روشهاي ساده و عملی در افزایش راندمان مبدلها و کاهش استرس جریان و ولتاژ کلیدها است.
هدف اصلی مبدلهاي DC-DC تنظیم ولتاژ خروجی در یک مقدار ثابت است. این مبدلها بسته به تعداد سوئیچها ، نوع پلاریته ولتاژ خروجی ، ایزوله بدون و نبودن و مد عملکردي داراي تنوع گوناگونی است.[۵-۶]

در این مقاله یک مدل بهبود یافته از مبدل Buck-Boost با اضافه کردن یک کلید اضافی در مدار رزنانسی آن جهت کاهش میزان استرس جریان و افزایش راندمان مبدل ارائه و تجزیه و تحلیل خواهد گردید. نتایج نشان میدهد که مبدل پیشنهادي باعث بهبود راندمان و کاهش استرس جریان شده است.

.۱ مبدل Buck-Boost سنتی

شکل ۱ مدار معادل یک مبدل Buck-Boost ایده آل در دو حالت مد عملکرد ( حالت روشن و خاموش بودن کلید) را نشان می دهد. ولتاژ خروجی در این رگولاتور میتواند کمتر و یا حتی بیشتر از ولتاژ ورودي آن باشد.

قطبیت ولتاژ خروجی مخالف با ولتاژ ورودي است این رگولاتور با نام رگولاتور معکوس کننده نیز شناخته میشود. ولتاژ خروجی معکوس ولتاژ ورودي است. ولتاژ خروجی عکس ولتاژ ورودي است، و می تواند پایینتر یا بالاتر از ورودي باشد. همچنین براي ایجاد یک مبدل باك افزایشی غیر معکوس شونده یک سلف دیگر به مدار اضافه می شود تا قطبیت ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ ورودي شود.[۴]

S1,S2

(VIVO)
اولین همایش منطقه ای برق و فناوریهای نوین دانشکده فنی و حرفه ای سما اردبیل- شهریور١٣٩٤

شکل :۱ مد عملکرد مبدل Buck-Boost ایده آل

• مد عملکرد در فاصه زمانی ۰  t  DT

در فاصله زمانی بین ۰  t  DT کلید روشن و دیود خاموش است.

هنگامی که کلید روشن است ولتاژ دیود برابر است. در

این حالت ولتاژ کلید و جریان دیود صفر است. ولتاژ دو سر سلف عبارت است از :
(۱) diL vL Vi  L
dt

مقدار ریپل جریان سلف عبارت است از :
(۲) VI D iLiL(DT)iL(0)
fs L

(۳) D  Vo
1 D VI

• مد عملکرد در فاصه زمانی DT  t  T

در این مد عملکرد کلید خاموش و دیود فعال است. جریان کلید و ولتاژ دیود صفر است. ولتاژ در دو سر سلف عبارت است :
(۴) diL vL VO  L
dt

و ریپل جریان سلف عبارت خواهد شد :
(۵) VO (1 D) iLiL(DT)iL(T)
fs L

با فرض بالانس ولتاژي داریم :
(۶) DVI VO 
۱ D

بنابراین تابع انتقال MV DC به صورت ذیل خواهد شد:
(۷) D MV DC 
۱ D

.۲ مبدل Buck-Boost بهبود یافته

مبدلهاي Buck-Boost سنتی در زمانهاي روشن و خاموش شدن کلیدها باعث ایجاد تلفات کلیدزنی میشوند بطوريکه باعث کاهش راندمان و افزایش استرس جریان در کلیدها میگردند. اصلاح ساختار و توپولوژي مبدلهاي Buck-Boost و استفاده از کلید زنی نرم باعث بهبود راندمان میدل و کاهش استرس کلیدها میگردد. در این بخش به عنوان ایده جدید در طرح مبدلهاي Buck-Boost یک توپولوژي اصلاح شده ارائه خواهد گردید. مبدل پیشنهادي شامل یک کلید اضافی در مدار رزناسی مبدل است.

این عمل باعث کاهش تلفات کلیدزنی و کاهش تداخل الکترومغناطیسی میشود.

در شکل (۲) مبدل Buck-Boost بهبود یافته که با اضافه شدن یک کلید به مدار رزنانسی آن ایجاد شده را نشان میدهد. این مبدل به منظور کاهش استرس کلیدها و افزایش بازده کلی مبدل ارائه شده است. مبدل

Buck-Boost بهبود یافته شامل دو کلید و اندوکتانس Lr و
خازن Cr است.

۲