مبدل‌های DC-DC، مدارات الکترونیک قدرتی هستند که نقش مهم و حیاتی در تبدیل و کنترل کارآمد انرژی الکتریکی دارند. در بین انواع مبدل‌های DC به DC، مبدل افزاینده یا همان مبدل بوست یکی از پرکاربردترین مدارات است. مبدل بوست برای افزایش سطح ولتاژ ورودی به سطح ولتاژ خروجی بالاتر طراحی شده است. در این مقاله، به اصول عملکرد مبدل بوست و کاربردهای مهم آن پرداخته شده است.
بیشتر بخوانید: مبدل باک چیست؟
مبدل بوست چیست؟
مبدل بوست(Boost Converter)، یک مبدل DC به DC افزاینده ولتاژ است که وظیفه انتقال انرژی از سمت منبع ورودی با ولتاژ پایین به سمت خروجی را بر عهده دارد. ساختار مداری این مبدل را در تصویر زیر می‌بینیم:
همانطور که مشاهده می کنید این مبدل از یک سلف، یک کلید (معمولا یک ترانزیستور، ماسفت یا IGBT)، یک دیود و یک خازن صافی خروجی تشکیل شده است.
نحوه عملکرد مبدل بوست
کلید قدرت، مقدار متوسط جریان عبوری از سلف را کنترل می کند و دیود مدار، از عبور جریان معکوس جلوگیری می کند و در نهایت خازن خروجی، وظیفه فیلتر کردن ریپل ولتاژ را در سمت خروجی مبدل بوست بر عهده خواهد داشت. این مدار دارای دو مد کاری می باشد که شامل وضعیت وصل و یا قطع بودن کلید خواهد بود.
هنگامی که کلید یا همان ماسفت وصل می شود، ولتاژ ورودی به روی سلف افتاده و باعث می شود جریان عبوری از آن افزایش یابد. این جریان به صورت خطی افزایش می یابد و انرژی را در میدان مغناطیسی سلف ذخیره می کند. در طول این مدت، دیود بایاس معکوس و خاموش بوده و عبور جریان را در مسیر خود مسدود می کند. در تصویر زیر وضعیت مبدل بوست در حالت وصل بودن کلید قدرت نشان داده شده است:
هنگامی که کلید خاموش می‌شود، میدان مغناطیسی از بین رفته و ولتاژی در جهت مخالف در سلف القا می شود و در نتیجه جریان سلف کاهش می‌یابد. همچنین دیود مدار، در بایاس مستقیم قرار می گیرد و خازن خروجی، از طریق انرژی که در سلف ذخیره شده بود شارژ می‌شود. شکل زیر، وضعیت مدار را در حالت خاموش بودن سوئیچ یا ترانزیستور مدار نشان می‌دهد:
در مبدل بوست، ولتاژ خروجی همیشه بیشتر از ولتاژ ورودی است. به کل فرایند یک بار روشن و خاموش شدن کلید مدار، دوره تناوب کلیدزنی گفته می شود که با Ts مشخص می شود. اگر طول مدت روشن بودن کلید در این دوره تناوب را DTs بنامیم، مبدل به مدت Ts-DTs خاموش خواهد بود. عبارت D در منابع تغذیه سوئیچینگ مانند مبدل بوست با عنوان چرخه کاری یا دیوتی سایکل(Duty Cycle) شناخته می شود. به طور مثال اگر چرخه کاری D=60% باشد، کلید به مدت 60 درصد از کل زمان دوره تناوب، روشن و به اندازه 40 درصد از آن خاموش خواهد بود.
همچنین، با تفاسیر بالا می توان گفت که فرکانس کلیدزنی (fs) برای مبدل بوست برابر با fs=1/Ts خواهد بود. فرکانس کلیدزنی مبدل بوست به طور معمول در حد چند ده کیلوهرتز تا چند صد کیلوهرتز است.
کاربرد مبدل بوست
مبدل بوست دارای کاربردهای متعددی در صنعت الکترونیک و الکترونیک قدرت می باشد که مهم ترین آن ها در ادامه ذکر شده است:
الف) سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر
مبدل‌های بوست کاربردهای گسترده‌ای در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر مانند فتوولتائیک خورشیدی (PV) و سیستم‌های انرژی بادی دارند. این مبدل ها، خروجی ولتاژ پایین از پنل های خورشیدی یا توربین های بادی را به سطحی مناسب برای اتصال به شبکه یا شارژ باتری افزایش می دهند.
ب) وسایل نقلیه الکتریکی(EVs)
از مبدل های بوست در خودروهای برقی برای افزایش ولتاژ از پک باتری به سطوح مورد نیاز سیستم محرک موتور استفاده می شود. این مبدل، امکان انتقال مناسب نیرو به موتور الکتریکی و بهبود عملکرد آن را در شرایط مختلف فراهم می کند.
ج) منابع تغذیه
مبدل بوست به طور گسترده در کاربردهای منبع تغذیه که در آن ولتاژ خروجی بالاتری مورد نیاز است، استفاده می شود. این مبدل‌ها می توانند ولتاژ ثابت و تثبیت شده DC را برای وسایل و تجهیزات الکترونیکی مختلف مانند لپ تاپ ها، تلفن های هوشمند و تجهیزات صنعتی فراهم کنند.
د) روشنایی LED
مبدل بوست در کاربردهای روشنایی LED برای روشن کردن LED ها با جریان ثابت استفاده می شوند.
ه) شارژ باتری
مبدل بوست در مدارهای شارژ باتری، مانند مدارهایی که در دستگاه های قابل حمل یا سیستم‌های ذخیره انرژی استفاده می شوند، به کار می‌رود. در واقع ولتاژ ورودی را تا سطح مورد نیاز برای شارژ باتری افزایش می دهند تا باطری تحت ولتاژ و شرایط مناسب شارژ شود.
و) منابع تغذیه بدون وقفه(UPS)
مبدل بوست با تبدیل ولتاژ DC از باتری به سطح بالاتر برای تغذیه بارهای بحرانی در هنگام قطع برق، نقش مهمی در سیستم های UPS دارد.
جمع بندی
مبدل بوست یا افزاینده، یک توپولوژی پرکاربرد در الکترونیک قدرت است. توانایی آن در افزایش ولتاژ ورودی به سطح بالاتر، آن را برای کاربردهای مختلف از سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر و وسایل نقلیه الکتریکی گرفته تا منابع تغذیه و روشنایی LED مناسب می سازد.
در این مقاله، به بررسی مبدل بوست که یک مبدل DC به DC افزاینده غیر ایزوله است پرداخته شد. همچنین، نحوه عملکرد و کاربردهای مهم این مبدل در صنعت توضیح داده شد و به طور کامل مورد بحث و بررسی قرار گرفت. تمامی موارد فوق را همراه با نکات تجربی دیگر در مورد مبدل بوست و سایر انواع مبدل‌های DC به DC ایزوله و غیر ایزوله و نکات عملی مربوط به هر کدام از آنها به طور کامل در دوره جامع منبع تغذیه و اینورتر بررسی کرده ایم.
در پایان، ممنون که همراه ما بودید. هر سوال یا ابهامی در مورد مطالب ارائه شده در این مقاله دارید حتما در کامنت ها بنویسید، به تمام سوالات پاسخ داده میشه. اگه انتقاد یا پیشنهادی هم داشتید ممنون میشم با ما در میان بزارید.
