بررسی و بهبود عملکرد مبدل های ولتاژ پایین و جریان بالا

پیشرفت سریع تکنولوژی در ریزپردازنده ها، منابع تغذیه آن ها را با چالش های بسیاری روبرو کرده است. با افزایش تقاضای جریان ریزپردازنده ها، توان مصرفی آن ها افزایش یافته که با کاهش ولتاژ تغذیه، می توان توان مصرفی ریزپردازنده را کاهش داد. بنابراین، ولتاژ پایین، جریان بالا و فرکانس بالا (برای رسیدن به حالت گذار بار سریع و همچنین چگالی توان بالا) چالش های پیش رو برای منابع تغذیه ریزپردازنده ها می باشند. در کاربردهای لپ تاپ، کامپیوترهای رومیزی و محصولات قابل حمل برای تحویل توان موثر به ریزپردازنده ها از ماژول های رگوله کننده ولتاژ استفاده می شود. معمولا این ماژول ها توپولوژی باک را به همراه یکسوکننده سنکرون، به دلیل افت ولتاژ کمتر سوئیچ سنکرون نسبت به دیود مبدل باک، به خدمت می گرفتند. اما با توجه به پیشرفت ریزپردازنده ها و تقاضای افزایش جریان و کاهش ریپل درآن ها، دریک مبدل باک سنکرون معمولی به داشتن سلف فیلتر خروجی بزرگتر منجر شده، که این افزایش در سلف فیلتر خروجی سبب افزایش در خازن فیلتر خروجی نیز می گردد. زیرا در طول بازه گذار به دلیل تغییرات آرام جریان سلف، خازن ها باید به تنهایی انرژی لازم برای تحویل به بار را تامین کنند. بنابراین خازن باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند سطح ولتاژ خروجی را تامین کند. اما با توجه به محدودیت فضا در کاربردهای ولتاژ پایین و جریان بالا، امکان این افزایش در سلف و خازن فیلتر خروجی مبدل وجود نداشته، لذا چنین ساختاری قادر به تامین نیاز های روزافزون ریزپردازنده ها نبوده و در نتیجه در پردازنده هایی با توان بالاتر از مبدل باک سنکرون در هم تنیده چند فاز برای ماژول های رگوله کننده ولتاژ استفاده می شود. به دلیل اینکه اندازه اجزای فیلتر مبدل ها متناسب با فرکانس سوئیچینگ تعیین می شود، برای رسیدن به چگالی توان بالاتر، فرکانس سوئیچینگ بالا مورد نیاز است. اما افزایش فرکانس سوئیچینگ، تلفات سوئیچینگ و نویز emi را افزایش داده، که این موضوع منجر به کاهش بازده مبدل باک سنکرون می شودکه برای حل این مشکلات می توان شرایط سوئیچینگ نرم را برای سوئیچ های مبدل فراهم کرد. یکی دیگر از مشکلات ماژول های رگوله کننده ولتاژ ضریب وظیفه کوچک آن است. با توجه به اینکه در یک مبدل باک ضریب وظیفه نسبت ولتاژ خروجی به ورودی بوده، ضریب وظیفه در این کاربردها بسیار کم می باشد. این موضوع نه تنها باعث افزایش ریپل جریان خروجی در این مبدل ها شده بلکه مشکلات دیگری نیز از جمله دشواری کنترل سوئیچ اصلی، افزایش تلفات مدار درایو گیت و افزایش تلفات هدایتی مبدل (به دلیل افزایش پیک جریان سوئیچ اصلی) را به همراه دارد، که در مجموع راندمان پایین را برای مبدل باک سنکرون در کاربردهای ولتاژ پایین نتیجه می دهد. در این پایان نامه، ضمن ارائه مبدل های باک سنکرون با ایده گسترش ضریب وظیفه، مبدل های باک سنکرون سوئیچینگ نرم مورد بررسی و ارزیابی قرار می گیرند. سپس مبدل های سوئیچینگ نرم پیشنهادی ارائه می شوند. مبدل های پیشنهادی از ایده سلف های کوپل شده و خازن سری برای گسترش ضریب وظیفه استفاده می کنند. صحت عملکرد تحلیل تئوری در مبدل اول با نتایج شبیه سازی و عملی و در مبدل های دوم و سوم با نتایج شبیه سازی اثبات شده است. در پایان نیز نتیجه گیری و پیشنهادهایی برای ادامه کار بیان می شود.