วิเคราะห์การออกแบบพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ด้วย LTSPICE IV

วงจรพุชพูลคอนเวอร์เตอร์

พุชพูลคอนเวอร์เตอร์เปรียบเหมือนการนำฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ 2 ตัวมาสลับกันทำงานตัวละครึ่งคาบเวลาโดยใช้เอาต์พุตโช้คร่วมกัน หรืออาจมองอีกแบบหนึ่งคือ การนำฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์มาเพิ่มความถี่การทำงานเป็น 2 เท่าก็ได้ ดังนั้นโดยแนวคิดพื้นฐานแล้วพุชพูลคอนเวอร์เตอร์จะสามารถให้กำลังงานได้มากเป็น 2 เท่าของฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ แต่ก็มีตัวอุปกรณ์เพิ่มเข้ามามากกว่าด้วยเช่นกันครับ

วงจรพื้นฐานของพุชพูลจะเป็นดังรูปข้างล่างนี้ ซึ่งเราจะทดลองวิเคราะห์การออกแบบพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ด้วยโปรแกรม LTSPICE IV โดยเริ่มด้วยการนำ component มาวางในแผ่นวงจรให้ได้วงจรพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ก่อนตามนี้ครับ

การกำหนด PWMสำหรับวงจรนั้นให้ย้อนกลับไปดูได้ที่นี่ 

วิเคราะห์การออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วยโปรแกรม LTSPICE IV ตอนที่ 1

จะไม่กล่าวซ้ำอีกครับ แต่คราวนี้เรามีเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในวงจร 2 ตัวสล้บกันทำงาน จึงต้องใช้ทั้ง PWM_A และ PWM_B 

ต่อไปเราจะกำหนดค่าต่างๆ ให้ตัวอุปกรณ์ในวงจร ซึ่งจะขอกำหนดค่าให้เหมือนคอนเวอร์เตอร์ตัวอื่นๆ ในตอนที่ผ่านมาเพื่อให้เปรียบเทียบกันได้ดังนี้

แรงดันขาเข้า    : 7-12 V

แรงดันขาออก   : 5 V

กระแสขาออก   : 0.3 A

ความถี่ทำงาน   : 25 KHz

วิธีการคำนวณหาค่าต่างๆ นั้นผมจะใช้วิธีตามที่ได้อธิบายไว้แล้วในหนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” ดังนั้นจึงจะข้ามรายละเอียดไปก่อน จะยกมาแค่สูตรเท่านั้น

1. ที่ความถี่การทำงาน 25 KHz จะได้ค่าคาบเวลาการทำงานของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัว

2. พุชพูลคอนเวอร์เตอร์มีขดลวดไพรมารี่ 2 ขด คือ Np1 และ Np2 ที่มีค่าอินดัคแตนซ์เท่ากัน (หรือค่าจำนวนรอบเท่ากัน) พันอยู่ในลักษณะกลับเฟสเพื่อสลับกันทำงานด้วยเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ 2 ตัวสำหรับขดลวดแต่ละขด และเมื่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวนำกระแส จะนำกระแสกลับเฟสกัน ดังนั้นสนามแม่เหล็กที่คงค้างจะถูกหักล้างกันไปเมื่อขดลวดแต่ละขดนำกระแส พุชพูลคอนเวอร์เตอร์จึงไม่จำเป็นต้องมีขดลวดดีแมกเนไตซิ่งเพิ่มเข้ามาอีก 

และเนื่องจากเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะแบ่งกันทำงานคนละครึ่งคาบเวลา ดังนั้นเมื่อกันเวลาเผื่อเอาไว้ให้แต่ละตัวทำงานได้ไม่เกิน 80% ของครึ่งคาบเวลาดังนั้นจะได้ ton(max)

สรุปเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวมีคาบเวลาทำงาน 40 x 10-6 วินาที มีช่วงเวลานำกระแสได้สูงสุด 16 x 10-6 วินาที

4.เมื่อได้ค่า ton(max) และจึงนำมาหาค่าอัตราส่วนจำนวนรอบขดลวดไพรมารี่กับขดลวดเซคั่นดารี่ Np:Ns (หรือ L1:L3 และ  L2:L4) จากสมการ

(ค่า Vce(sat) เลือกเท่ากับ 1.3V เพราะต้องการให้มีค่าสูงเอาไว้ก่อน) 

5. หาค่ากระแสสูงสุดที่ฝั่งไพรมารี่ Ip(peak) คร่าวๆ ได้จาก 

เนื่องจากค่ากระแสสูงสุดที่ฝั่งไพรมารี่ Ip(peak) จะเท่ากับกระแสไพรมารี่ Ip (คือ กระแสที่ดึงจากฝั่งเซคั่นดารี่) รวมกับกระแสแมกเนไตซิ่ง Imag  ในที่นี้จะกำหนดให้ Ip(peak) มีค่าสูงสุดได้ไม่เกิน 1.5A ดังนั้น ค่า Imag จะต้องมีค่าเท่ากับ 1.5-0.42A = 01.08A

6. จากนั้นคำนวณค่าอินดัคแตนซ์ของขดลวดไพรมารี่ Lp ที่น้อยที่สุดจากค่า Imag ที่ได้ เพราะ Imag จะขึ้นอยู่กับค่า Lp 

Lp ที่ได้นี้จะเป็นค่ำต่ำสุด ซึ่งถ้าเพิ่ม Lp ให้มากขึ้นค่า Imag ก็จะน้อยลง ในการออกแบบจึงต้องหาค่า Lp ที่ทำให้ได้ค่ากระแสแมกเนไตซิ่งมีค่าน้อยลง แต่ต้องไม่ให้ค่า Lp ที่มากจนเกินไปด้วย (จะพันหม้อแปลงลำบาก) ในที่นี้เลือกจะเลือก Imag ต่ำสุดให้เท่ากับ 0.1A  คำนวณหาค่า Lp อีกครั้งจะได้เท่ากับ 

และค่ากระแสสูงสุดฝั่งไพรมารี่เมื่อ Lp = 912 x 10-6 H จะเท่ากับ

นั่นคือ เราจะสามารถกำหนดค่า Lp ได้อยู่ในช่วง 84 - 912 x 10-6 H ขึ้นอยู่กับค่ากระแสสูงสุดฝั่งไพรมารี่ที่ต้องการครับ

7. คำนวณค่า Ls จากสมการ

ดังนั้นเมื่อเลือก  Lp = 912 x 10-6 H  ก็จะได้ Ls เท่ากับ 1,390 x 10-6 H  

8. สำหรับเอาพุตโช้ค Lo จะกำหนดจากการให้คอนเวอร์เตอร์ยังคงทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่องที่กระแสขาออกต่ำสุด ซึ่งในที่นี้กำหนดให้เท่ากับ 50mA ดังนั้น

ต่อไปก็นำค่าต่างๆ ที่คำนวณได้ไปใส่ในวงจร แล้วสั่ง run ใน LTspice IV เป็นเวลา 50ms ผลการจำลองปรากฏว่าวงจรจะให้ค่าแรงดันเสถียรที่ประมาณ 5.0V จากโหลดประมาณ 300mA ที่แรงดันขาเข้า 12V เมื่อกำหนดให้ช่วงเวลา ton=7.9x10-6s และที่แรงดันขาเข้า 6V ได้ช่วงเวลา ton=13.5x10-6s 

จะเห็นช่วงเวลา ton ทั้งสองค่าแรงดันขาเข้า ยังมีช่วงกว้างให้สามารถปรับลดลงหรือเพิ่มขึ้นได้อีก แสดงว่าค่าของตัวอุปกรณ์ที่กำหนดให้วงจรน่าจะทำงานได้ไม่มีปัญหาอะไร

รูปคลื่นของกระแสและแรงดันที่เกิดขึ้นในวงจรขณะทำงาน คือ แรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (2 เส้นล่าง)  กระแสที่ไหลผ่านไดโอด และเอาต์พุตโช้ค (ถัดมา) และกระแสที่ไหลผ่านเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (บนสุด)

จากรูปคลื่นของแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (2 เส้นล่าง) จะเห็นว่าเมื่อตัวหนึ่งนำกระแส จะเกิดแรงดันตกคร่อมอีกตัวหนึ่งสูงเท่ากับ 2Vin เนื่องจากแรงดันขดลวดที่มันต่ออยู่รวมกับแรงดันขาเข้า และในขณะที่หยุดนำกระแสพร้อมกันแรงดันตกคร่อมจะมีค่าเท่ากับแรงดันสะท้อนจากฝั่งเซคั่นดารี่มายังขดไพรมารี่ครับ (ดูจังหวะนำกระแสจากกระแสไพรมารี่เส้นบนสุด)

กระแสที่ผ่านตัวเอาต์พุตโช้ค (เส้นสีม่วง) จะมี 2 ช่วง คือ ช่วงที่ผ่านกระแสจากตัวไดโอดขณะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์นำกระแส (ความชันเป็นบวก) และช่วงที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสพร้อมกันซึ่งเอาต์พุตโช้คจะช่วยจ่ายกระแสให้โหลด (ความชันลดลง) ในจังหวะนี้กระแสจะแบ่งครึ่งผ่านไดโอดแต่ละตัว แต่ที่เห็นกระแสที่ไหลผ่านไดโอดในช่วงเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสพร้อมกันกลับสูงและต่ำไม่เท่ากันเนื่องมาจากจังหวะนี้ขดลวดไพรมารี่จะถ่ายเทกระแสดีแมกเนไตซิ่งออกมาทางขดเซคั่นดารี่ด้วย  กระแสดีแมกเนไตซิ่งนี้จะเสริมกระแสที่ไหลผ่านไดโอดตัวหนึ่งและลดทอนกระแสที่ไหลผ่านไดโอดอีกตัวหนึ่ง ดังน้้นในจังหวะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสพร้อมกันจะมีกระแสไหลผ่านไดโอดตัวหนึ่งมากกว่าอีกตัวหนึ่งเสมอดังที่เห็นในรูปครับ

เมื่อทดลองเปลี่ยนตัวอุปกรณ์จากอุดมคติมาใช้ค่าที่ใกล้เคียงความเป็นจริงมากขึ้น โดยเปลี่ยนเป็น shottkey diode เบอร์ 1N5819 และเปลี่ยนจากสวิตช์เป็นเพาเวอร์มอสเฟตเบอร์ IRFH5053 กำหนด K1 L1 L2 L3 L4 0.99 

จากลักษณะรูปคลื่นที่ได้จะเห็นว่าแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัว ยังคงมีสไปค์เกิดขึ้นอยู่แต่ค่าแรงดันไม่สูงมากนัก 

ต่อไปจะใส่สนับเบอร์ให้วงจร โดยจะใส่ 2 จุด คื่อ RC snubber คร่อม ที่ขา D และ S ของเพาเวอร์มอสเฟต กับ RCD snubber คร่อมที่ขดลวดไพรมารี่ ดังในรูปข้างล่าง

ทดลองใส่ที่ตัว RC สนับเบอร์ก่อน ผลที่ได้จะเห็นว่าหน่วงเรโซแนนซ์ได้ดีทีเดียว รูปคลื่นสวยขึ้นมาก

ลักษณะแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ เมื่อใส่แค่ RC จะเห็นว่าเรโซแนนซ์หายไปเยอะ และสไปค์ลดลงพอควร

ต่อไปเพิ่ม RCD สนับเบอร์ ผลที่ได้จะเห็นว่าลดสไปค์ที่ขอบขาขึ้นและเรโซแนนซ์ลงได้อีกเยอะพอควร

ลักษณะแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ เมื่อใส่ทั้ง RC และ RCD สนับเบอร์ให้วงจร

สำหรับการวิเคราะห์การออกแบบสำหรับพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ด้วย LTspice IV ก็คงมีเท่านี้ ซึ่งก็น่าจะเพียงพอให้เป็นพื้นฐานเบื้องต้นแล้ว โดยในตอนหน้าผมจะทดลองกับวงจรฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์เป็นลำดับต่อไปครับ

ส่วนการทดลองกับวงจรจริงให้ดูได้ที่นี่ 
วงจรทดลองเพื่อศึกษาการทำงานของพุชพูลคอนเวอร์เตอร์