วงจรทดลองเพื่อศึกษาการทำงานของฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์

ตอนที่ผ่านมาผมได้นำเสนอวงจรทดลองเพื่อเปรียบเทียบการทำงานจริงกับที่จำลองได้ใน LTspice IV ของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์กันไปแล้ว (ดู วงจรทดลองเพื่อศึกษาการทำงานของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ ) สำหรับบทความตอนนี้จะต่อด้วยวงจรทดลองสำหรับ "ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์" ซึ่งจะศึกษาลักษณะของแรงดันและกระแสที่เกิดขึ้นณะวงจรทำงานและเปรียบเทียบการทำงานจริงกับที่จำลองได้ใน LTspice IV เช่นเดียวกันกับฟลายแบคครับ

ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์มีหลักการทำงานที่แตกต่างจากฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ คือ ขณะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์นำกระแสจะไม่เก็บพลังงานไว้ที่หม้อแปลง แต่จะส่งกำลังผ่านหม้อแปลงต่อไปไปยังเอาต์พุตโช้คและโหลดโดยตรง และเมื่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแส จังหวะนี้โหลดจะได้กำลังงานที่ถ่ายเทคืนออกมาจากเอาต์พุตโช้คแทน กระแสขาออกจึงมีลักษณะต่อเนื่องซึ่งเป็นข้อดีของฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ครับ

โดยจะนำค่าต่างๆ ที่ได้เคยคำนวณและจำลองการทำงานของฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์เอาไว้ด้วย LTspice IV มาทดสอบ (ย้อนไปดูได้ใน วิเคราะห์การออกแบบฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ด้วย LTSPICE IV ) ซึ่งเมื่อกำหนดค่าแล้วจะได้วงจรที่จะใช้ทดสอบตามนี้

วงจร PWM ใช้ TL494 มาปรับเป็นแหล่งกำเนิด (ดู PWM สำหรับทดสอบคอนเวอร์เตอร์)  ในที่นี้เราจะใช้กับฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ ดังนั้นจึงใช้โหมด Single-ended คือ Output1 และ Output2 ทำงานพร้อมกัน ซึ่งทำได้โดยปล่อยขา 13 ให้ลอยไว้ โดยเลือก Output ไหนมาใช้ก็ได้ สำหรับวงจรนี้สัญญานจาก output ของ TL494 ก่อนต่อเข้าขา G ของเพาเวอร์มอสเฟต (PWM_A) ผมใส่วงจร Totem Pole คั่นเอาไว้ด้วยเช่นกัน

เพาเวอร์มอสเฟตใช้เบอร์ R6004ENDTL ของ Rohm (ไม่จำเป็นต้องใช้เบอร์นี้ก็ได้ขอให้ทนแรงดันได้ประมาณ 60V ที่กระแส 1A ขึ้นไป) เป็นแบบ surface mount ซึ่งทำให้ตัวเล็กหน่อย ไดโอดใช้ Schottky เบอร์อะไรก็ได้เช่นกัน (1N5819 ก็ได้) ขอให้ทนกระแสได้ประมาณ 1A ก็พอ วงจรจริงผมใช้เบอร์ RB050L-60TE25 เป็นแบบ surface mount เหมือนกัน

หม้อแปลงสวิตชิ่งพันขึ้นใช้เอง วิธีการออกแบบหม้อแปลงให้ดูรายละเอียดได้ในในหนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” ครับ

ในที่นี้เรามีค่า Lp แล้วคือ 1,368 x 10-6 H และเนื่องจากตัวอย่างนี้หม้อแปลงไม่ต้องจ่ายกำลังงานสูง ผมจะใช้แกนเฟอร์ไรต์ขนาดเดียวกับที่ใช้ในวงจรทดลองฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ คือ EFD20/10/7 ของ EPCOS เบอร์ B66417GX187 ถ้าหาแกนนี้ไม่ได้ก็ให้ใช้แกน EE20 หรือ EI20 หรือใกล้เคียงก็ได้เช่นกัน 

แกนเฟอร์ไรต์ EFD20/10/7 ที่ใช้นี้มีขนาด Ae = 0.31 cm2  เริ่มต้นด้วยการประมาณคร่าวๆ ว่าจะใช้ ค่า lg ประมาณ 0.01 mm. (ตามที่ใช้คำนวณใน LTspice IV) ดังนั้น จะได้

เลือก Np=60 รอบ  Ns=90 รอบ และ Nr=20 รอบ (เลือกจำนวนรอบที่ใกล้เคียงจากที่คำนวณได้และสะดวกในการพัน) 

ผลการทดสอบอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Ns เมื่อพันเสร็จแล้ว ด้วยการจ่ายแรงดันคลื่นรูปไซน์ที่ความถี่ 100kHz วัดค่าแรงดันแต่ละขดเปรียบเทียบกัน ได้ Np:Ns ประมาณ 0.72:1 และ Np:Nr ประมาณ 2.94:1 ตามรูปข้างล่างนี้ครับ

ผลการทดสอบหม้อแปลงที่พันขึ้นซึ่งวัดค่า Np:Ns ได้ประมาณ 0.72:1 (9.95/13.85)  วัดจากขาที่ต้องต่อเข้าวงจรเพือวัดเฟสของขดลวดไปพร้อมกันด้วย

Np/Nr ได้ประมาณ 2.94 

ทดลองวัดค่า Lp ของหม้อแปลงที่พันขึ้นด้วยเครื่อง LCR มิเตอร์ วัดได้ค่าประมาณ 1,033 x 10-6 H  ก็ยังถือว่าไม่ต่างกันมากนักและอยู่ในช่วงที่ออกได้แบบไว้ คือ 143-1,368 x 10-6 H การทำงานจึงไม่น่าจะมีปัญหาอะไร

มีหมายเหตุสำหรับจำนวนรอบ Np:Nr เล็กน้อยนะครับ คือ ในที่นี้ผมเลือก Np/Nr = 3 ซึ่งจะทำให้แรงดันสะท้อนกลับมายัง Np เมื่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแส จากการถ่ายเทกระแสออกจากขดลวดดีแมกเนไตซิ่ง Nr  มีค่าสูงเป็น 3 เท่าของค่าแรงดันขาเข้า เมื่อรวมกับค่าแรงดันขาเข้าแล้ว เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์จะต้องทนแรงดันตกคร่อมได้สูงถึง 4 เท่าของค่าแรงดันขาเข้าเป็นอย่างน้อย ในวงจรนี้จะอยู่ที่ประมาณ 48V ซึ่งไม่สูงมากนักเนื่องจากค่าแรงดันขาเข้าสูงสุดอยู่แค่ 12V จึงเลือกค่านี้ได้ (ที่เลือกค่านี้ก็เพื่อให้พันหม้อแปลงง่ายขึ้น) แต่ถ้าเราออกแบบไว้ให้ใช้กับแรงดันขาเข้าจากไฟบ้าน ก็จะทำให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ต้องทนแรงดันถึง 220x1.414x4 = 1,244V ซึ่งจะทำให้หาเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ยากและแพงครับ 

โดยทั่วไปถ้าออกแบบฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ไว้ให้ใช้กับแรงดันขาเข้าจากไฟบ้านจะเลือก Np:Nr เท่ากับ 1:1 ซึ่งจะทำให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ต้องทนแรงดันได้แค่ 220x1.414x2= 622V หรือเผื่อไว้ที่ 700V ก็เพียงพอแล้ว แต่ข้อเสียก็คือจะทำให้ค่าช่วงเวลานำกระแสสูงสุด ton จะถูกจำกัดอยู่ที่ไม่เกิน 0.4T เท่านั้น ซึ่งเป็นการได้อย่างเสียอย่างของฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ 

รูปข้างล่างคือวงจรที่ประกอบขึ้นมาทดลอง เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ตัวบนที่เกินมาใช้ทดลองกับวงจรพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ ที่ยังไม่ได้เอาออก (รูปนี้ยังไม่ได้ใส่สนับเบอร์ให้วงจร)

ต่อไปทดสอบวงจรแบบเดียวกับฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์เพื่อดูความสามารถที่จะคงค่าแรงดันที่ 5V เมื่อตั้งค่าโหลดให้คงที่ไว้ 300mA ทดสอบที่ช่วงแรงดันขาเข้า 2จุด คือที่ 7V กับ 12V ครับ

เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V ผลการปรับช่วงเวลานำกระแสได้ค่า ton ที่ประมาณ 21.96 x 10-6 วินาที (จากที่คำนวณไว้ 26.68  x 10-6 วินาที) และเมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 12V ผลการปรับช่วงเวลา ton ของวงจรเพื่อให้ได้แรงดันขาออก 5V และกระแสขาออก 300mA  ได้ค่า ton ประมาณ 14.67 x 10-6 วินาที 

สรุปเบื้องต้นได้ว่าวงจรทำงานได้ตามข้อกำหนดที่ต้องการไม่มีปัญหาอะไร 

รูปคลื่นของ PWM แสดงความกว้าง pluse ที่ปรับให้ได้ค่าแรงดันขาออก 5V โหลด 300mA ซึ่งจะได้ค่า ton ที่ 26.68 x 10-6 วินาที เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V

รูปคลื่นของ PWM แสดงความกว้าง pluse ที่ปรับให้ได้ค่าแรงดันขาออก 5V โหลด 300mA ซึ่งจะได้ค่า ton ที่ 14.67 x 10-6 วินาที เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V 

ลักษณะรูปคลื่นของกระแสที่เกิดขึ้นขณะวงจรทำงาน กระแสเอาต์พุตโช้ค (เส้นบน) กระแสเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (กลาง) และกระแสไดโอด D2 (ล่าง)

วงจรนี้เราออกแบบให้ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ทำงานใน "โหมดกระแสต่อเนื่อง" (หมายความว่าโหลดมีกระแสไหลผ่านตลอดเวลาแม้ว่าเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์จะอยู่ในจังหวะหยุดนำกระแส) จะเห็นว่ากระแสที่ไหลผ่านเอาต์พุตโช้ค (เส้นบน) ซึ่งก็คือกระแสที่ไหลผ่านโหลด จะมีกระแสไหลออย่างต่อเนื่องตลอดเวลาแม้ว่ากระแสที่ไหลผ่านเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (เส้นลาง) และไดโอด (กลาง) จะไม่ต่อเนื่องก็ตาม

ข้อดีของโหมดกระแสต่อเนื่องก็คือ ค่ากระแสสูงสุดจะไม่สูงมากและใกล้เคียงกับค่ากระแสเฉลี่ยของโหลด ซึ่งจะออกแบบให้จ่ายกระแสสูงๆ ได้ง่ายกว่า เพราะเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์กับไดโอดไม่ต้องทนกระแสที่สูงเหมือนในฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์

มีข้อสังเกตตรงกระแสที่ไหลผ่านไดโอด D2 (เส้นกลาง) จะเห็นระดับกระแสในช่วงแรกที่ไดโอดเริ่มนำกระแสจะสูงกว่าปกติเล็กน้อย เป็นเพราะกระแสดีแมกเนไตซิ่งที่ไหลฝั่งไพรมารี่ของหม้อแปลง จะทำให้มีกระแสที่ขดเซคั่นดารี่ไหลด้วยและเสริมกระแสจากเอาต์พุตโช้คที่ผ่าน D2 ย้อนผ่านจังหวะกระแส reverse recovery ของ D1 กลับไปขดเซคั่นดารี่อีกทีครับ (ถ้ากระแสสูงๆ อาจสังเกตไม่ออก) 

ดังนั้นในที่นี้เราจะใช้ขอบนี้สังเกตจังหวะไหลของกระแสดีแมกเนไตซิ่งเพื่อดูผลที่มีต่อค่าแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ ซึ่งจะมีลักษณะดังรูปนี้

ลักษณะรูปคลื่นแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะทำงาน ให้สังเกตแรงดันตกคร่อมขณะขดลวดดีแมกเนไตซิ่งถ่ายเทกระแสออกมา

จะเห็นว่าค่าแรงดันสะท้อนกลับมายังขด Np เมื่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแส ในจังหวะที่ถ่ายเทกระแสออกจากขดลวดดีแมกเนไตซิ่ง Nr  มีค่าสูงได้ถึง 50V  ส่วนสไปค์ที่เกิดมีค่าประมาณ 20V ซึ่งไม่สูงมากนัก แต่ก็จะเสริมค่าแรงดันตกคร่อมให้สูงขึ้นไปอีก (โดยเฉพาะเมื่อวงจรทำงานที่แรงดันไฟบ้าน) จึงเป็นสิ่งที่ต้องระวังด้วยเช่นกัน

ต่อไปจะทดลองเพื่อดูการคงโหมดกระแสต่อเนื่องของวงจรที่ค่ากระแสต่ำๆ ซึ่งจะทดลองให้โหลดดึงกระแสเหลือเพียงแค่ 50mA แต่เนื่องจากเอาต์พุตโช้คที่เห็นในรูปข้างบนนั้นพันไว้ที่ค่า 2,000 x 10-6H คอนเวอร์เตอร์จึงสามารถคงโหมดกระแสต่อเนื่องได้ไม่มีปัญหา ผมเลยเปลี่ยนค่าลงมาเหลือ 638 x 10-6H เพื่อให้ดูลักษณะรูปคลื่นที่เปลี่ยนไปเมื่อเริ่มเข้าสู่โหมดกระแสไม่ต่อเนื่อง ซึ่งเป็นดังนี้ครับ

รูปคลื่นเส้นบนสุดเป็นกระแสที่จ่ายออกจากเอาต์พุตโช้คในจังหวะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแส (วัดจากกระแสของไดโอด D2)  ซึ่งจะลดลงจนมีค่าเป็นศูนย์ที่จังหวะหมดคาบเวลาพอดี ส่วนรูปล่างพยายามปรับให้กระแสลดลงเป็นศูนย์ก่อนหมดคาบเวลาเล็กน้อย จะเห็นว่ามีเรโซแนนซ์เกิดขึ้นบนแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ก่อนหมดคาบเวลาเล็กน้อยเช่นกัน เรโซแนนซ์จะเริ่มเกิดเมื่อกระแสลดลงมีค่าเป็นศูนย์ไปแล้ว ดังนั้นจึงสามารถใช้เป็นจุดสังเกตว่าคอนเวอร์เตอร์กำลังทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่องได้เป็นอย่างดี

สำหรับการทดลองสำหรับวงจรฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ในเบื้องต้นคงมีเท่านี้ ตอนหน้าเราจะทดลองกับวงจรพุชพูลคอนเวอร์เตอร์กันต่อไปครับ