تفاوت عملکرد مبدل های سوییچینگ در حالت هدایت پیوسته و ناپیوسته

مقدمه

در این مقاله قصد داریم تا تفاوت عملکرد مبدل های سوییچینگ در حالت CCM و DCM را بررسی کنیم. CCM از واژه های Continuous Conduction Mode و DCM از واژه های Discontinuous Conduction Mode گرفته شده است. که به ترتیب به معنای حالت هدایت پیوسته و حالت هدایت گسسته هستند. این دسته بندی بر اساس شکل موج جریان سلف یا سلف ها در مبدل های سوییچینگ است.

حالت هدایت پیوسته

در همه مبدل های سوییچینگ جریان سلف در ابتدای یک سیکل کلیدزنی ابتدا افزایش میابد و پس از رسیدن به یک مقدار ماکزیمم شروع به کاهش میکند. حال اگر مقدار جریان سلف در ابتدای سیکل کلیدزنی بزرگتر از صفر باشد و در  انتهای سیکل کلیدزنی نیز همچنان بزرگتر از صفر بماند مبدل در حالت هدایت پیوسته کار میکند و جریان سلف به صورت پیوسته در همه سیکل های کلیدزنی برقرار بوده است و هیچ گاه صفر نشده است.

اما این سوال پیش می آید که…

مقدار جریان سلف در مبدل سوییچینگ به چه عواملی بستگی دارد؟

در تمام مبدل های سوپیچینگ جریان سلف به جریان بار، فرکانس کلیدزنی و اندازه سلف بستگی دارد. در واقع تمام این عوامل در تعیین اینکه آیا در انتهای یک سیکل کلیدزنی جریان سلف به صفر میرسید یا نه نقش اساسی دارند. در شرایط یکسان هر چه فرکانس کلیدزنی بیشتر باشد جریان سلف پیوسته تر خواهد بود و ریپل کمتری خواهد داشت. هر چه جریان بار بیشتر شود میانگین جریان سلف نیز بیشتر میشود و چون اندازه ریپل ثابت است پس عملکرد مبدل به سمت حالت پیوسته متمایل میشود. و در نهایت هرچه اندازه سلف بزرگتر باشد چون سخت تر اجازه تغییر جریان را میدهد، مبدل به سمت حالت پیوسته خواهد رفت.

تعیین مقدار مناسب سلف

معمولا مقدار سلف طوری انتخاب میشود که مبدل مورد نظر در فرکانس کلیدزنی مشخص شده در بیشترین مقدار توان خروجی دارای 30 درصد ریپل جریان بر روی سلف باشد. به عنوان مثال اگر جریان سلف قرار است 10 آمپر باشد، 3 آمپر ریپل داشته باشد و بین 8.5 تا 11.5 آمپر نوسان کند. بدیهی است که مبدل در حالت هدایت پیوسته کار میکند اما اگر جریان بار کم شود به طوری که جریان سلف به 1 آمپر برسد دیگر در حالت هدایت پیوسته نیست زیرا ریپل جریان سلف 3 آمپر است و اگر جریان 1 آمپر باشد باید در بازه ای از زمان کلیدزنی جریان سلف منفی شود که منطقی نیست پس در حالت هدایت پیوسته قرار ندارد و به حالت هدایت گسسته رسیده است. به عنوان یک قائده کلی اگر مقدار میانگین جریان سلف از مقدار ریپل آن بزرگتر باشد آن مبدل در حالت هدایت پیوسته کار میکند.

مزایا و معایب عملکرد در حالت هدایت پیوسته

• در حالت هدایت پیوسته ریپل جریان سلف کم است، بنابراین مقدار ماکزیمم جریان سلف نیز بسیار به مقدار میانگین آن نزدیک است. به همین دلیل تلفات اهمی سلف و سوئیچ ها کمتر میشود.
• همچنین چون جریان سلف تغییرات کمی دارد، پس تغییرات شار مغناطیسی هسته نیز کم است و تلفات مغناطیسی کمتری خواهد داشت.
• نکته مهم دیگر این است که در حالت هدایت پیوسته ولتاژ خروجی مبدل به مقدار بار وابسته نیست و رگولاسیون ولتاژ خروجی بسیار بالا است.

و اما معایب آن:

• در حالت هدایت پیوسته معدلات سیگنال کوچک سیستم به شکل مرتبه 2 در می آیند که پیچیده تر میشود و سیستم کنترلی را سخت تر میکند. خصوصا در مورد مبدل هایی مانند بوست و فلایبک که در حالت هدایت پیوسته یک صفر سمت راست دارند.
• همچنین تلفات کلیدزنی هنگام روشن شدن در حالت هدایت پیوسته بسیار بیشتر از تلفات کلیدزنی روشن شدن در حالت هدایت گسسته است.

حالت هدایت گسسته یا ناپیوسته

در این حالت جریان سلف قبل از اینکه سیکل کلیدزنی تمام شود به مقدار صفر میرسد. بازه زمانی کوتاهی در انتهای هر سیکل کلیدزنی وجود دارد که جریان سلف برابر صفر است و در واقع سلف به مانند مدار باز عمل میکند و هیچ انرژی ندارد. هدایت ناپیوسته زمانی رخ میدهد که ریپل جریان سلف از مقدار میانگین آن بزرگتر باشد در مثال قبل اگر جریان سلف به مقدار 1.5 آمپر برسد در مرز حالت پیوسته و ناپیوسته قرار دارد و اگر میانگین جریان سلف از 1.5 آمپر کمتر شود به حالت هدایت ناپیوسته خواهد رسید.

مزایا و معایب حالت هدایت ناپیوسته

• در این حالت در ابتدای هر سیکل کلیدزنی جریان سلف از صفر شروع به افزایش میکند و تبع جریان سوئیچ نیز از صفر آغاز میشود به همین دلیل تلفات سوئیچینگ روشن شدن بسیار پایین می آید همچنین در انتهای هر سیکل کلیدزنی جریان سلف تمام میشود و سلف با خازن بدنه سوئیچ یک رزونانس ایجاد میکند که میتوان از این رزونانس جهت حداقل کردن تلفات سوئیچینگ خاموش شدن نیز استفاده کرد.
• در این حالت معادله سیگنال کوچک سیستم مرتبه اول خواهد بود و کنترل سیستم بسیار آسان تر میشود. این مورد خصوصا در رابطه با مبدل هایی که صفر سمت راست دارند (مانند بوست و فلایبک در حالت هدایت پیوسته) با حذف شدن صفر سمت راست، نمود بیشتری میابد.
• اندازه سلف ها در این حالت کوچکتر میشود.

و اما معایب آن:

• در حالت هدایت گسسته مقدار هامونیک های جریان سلف بیشتر است، ماکزیمم جریان سلف بالاتر است و در توان یکسان نسبت به حالت هدایت پیوسته مقدار موثر جریان بیشتری دارد. بنابراین در حالت هدایت ناپیوسته تلفات اهمی بیشتر از هدایت پیوسته خواهد بود.
• به دلیل تغییرات بالای جریان در سلف ها، تلفات مغناطیسی هسته بالاتر میرود.
• مقدار ولتاژ خروجی به مقدار بار خروجی وابستگی پیدا میکند بنابراین در حالت حلقه باز که سیستم کنترلی وجود ندارد رنج تغییرات ولتاژ خروجی بسیار بزرگ است. به عنوان نمونه در مبدل بوست در بی باری اگر سیستم حلقه باز باشد ولتاژ خروجی مبدل به سمت بینهایت میل میکند.

مثال

در انتهای این مقاله برای روشن شدن بهتر موضوع یک مثال را بررسی میکنیم. فرض کنید یک مبدل باک-بوست با ولتاژ ورودی 12 ولت و فرکانس کلیدزنی 100 کیلو هرتز و سیکل وظیفه 50 درصد داریم.

با فرض اینکه مقدار خازن خروجی بسیار بزرگ است، ولتاژ خروجی برابر 12- ولت خواهد شد. حال فرض کنید بار خروجی به گونه ای است که جریان 20 آمپر از سیستم میکشد. بنابراین جریان ورودی نیز برابر 20 آمپر و میانگین جریان سلف نیز 40 آمپر خواهد شد.

میخواهیم در 2 حالت شکل موج جریان سلف را بررسی کنیم:

1. اندازه سلف برابر با 10 میکرو هانری باشد.
2. اندازه سلف 0.75 میکروهانری باشد.

در آزمایش اول مبدل در حالت هدایت پیوسته قرار دارد و جریان سلف تنها 6 آمپر ریپل دارد به طوری که مقدار بیشینه جریان سلف 43 آمپر شده است که به مقدار میانگین آن یعنی 40 آمپر بسیار نزدیک است.

در آزمایش دوم، مقدار سلف به 0.75 میکرو هانری کاهش پیدا کرده است که موجب شده مقدار ریپل جریان سلف بیشتر شود. به طوری که بیشینه جریان سلف به 80 آمپر رسیده است. اما باید توجه داشت میانگین جریان سلف همان 40 آمپر است. در شکل مشاهده میکنید که دقیقا در انتهای هر سیکل جریان سلف به صفر رسیده است. پس اکنون مبدل در حالت هدایت مرزی کار میکند. اگر سلف از این مقدار کمتر شود به حالت هدایت ناپیوسته و اگر از این مقدار بیشتر شود به حالت هدایت پیوسته خواهد رفت. بهتر است مقدار سلف طوری انتخاب شود که ریپل جریان سلف 30 درصد مانگین آن باشد. که در این مثال مقدار 5 میکرو هانری خواهد شد.