วิเคราะห์การออกแบบฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ด้วย LTSPICE IV

วงจรฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์

การทำงานของวงจร "ฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์" นั้น หากมองวงจรย้อนมาจากฝั่งเซคั่นดารี่จะเห็นว่ามีรูปแบบเหมือนกับ "พุชพูลคอนเวอร์เตอร์" ต่างกันตรงขดลวดไพมารี่ของฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์จะมีอยู่เพียงขดเดียว แต่ด้วยการจัดวงจรฝั่งไพรมารี่ให้สามารถขับกระแสผ่านขดลวดไพรมารี่ขดเดียวในลักษณะกลับเฟสในแต่ละจังหวะการทำงานของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ได้ ทำให้สามารถประหยัดขดลวดไพรมารี่ของหม้อแปลงของฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ไปหนึ่งขด และถึงแม้ว่าการจัดวงจรส่วนแรงดันขาเข้าที่มีลักษณะแบ่งครึ่งแรงดันอาจจะทำให้ฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์มีข้อจำกัดในการทำงานที่แรงดันขาเข้าต่ำๆ อยู่บ้าง แต่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ไม่ต้องทนแรงดันตกคร่อมขณะหยุดนำกระแสที่สูงแบบพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ถือได้ว่าเป็นข้อได้เปรียบที่ชดเชยกันไป

วงจรพื้นฐานของฮาล์ฟบริดจ์จะเป็นดังรูปข้างล่าง ซึ่งเราจะใช้ทดลองวิเคราะห์การออกแบบด้วยโปรแกรม LTSPICE IV กันในบทความตอนนี้ครับ

การกำหนด PWM สำหรับวงจรนั้น ให้ย้อนกลับไปดูได้ที่ วิเคราะห์การออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วยโปรแกรม LTSPICE IV ตอนที่ 1 ซึ่งฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์มีเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในวงจร 2 ตัวสล้บกันทำงาน จึงต้องใช้ทั้ง PWM_A และ PWM_B ครับ

ต่อไปจะคำนวณหาค่าต่างๆ ให้ตัวอุปกรณ์ในวงจร จากข้อกำหนดที่ต้องการจากคอนเวอร์เตอร์ดังนี้

แรงดันขาเข้า    : 7-12 V

แรงดันขาออก   : 5 V

กระแสขาออก   : 0.3 A

ความถี่ทำงาน   : 25 KHz

วิธีการคำนวณหาค่าต่างๆ นั้นผมจะใช้วิธีตามที่ได้อธิบายไว้แล้วในหนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” ดังนั้นจึงจะข้ามรายละเอียดไปก่อน จะยกมาแค่สูตรเท่านั้น

1. ที่ความถี่การทำงาน 25 kHz จะได้ค่าคาบเวลาการทำงาน T ของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัว

2. เนื่องจากเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะแบ่งกันทำงานคนละครึ่งคาบเวลา ดังนั้นเมื่อกันเวลาเผื่อเอาไว้ให้แต่ละตัวทำงานได้ไม่เกิน 80% ของครึ่งคาบเวลาดังนั้นจะได้ ton(max)

4. จากค่า ton(max) นำมาหาค่าอัตราส่วนจำนวนรอบขดลวดไพรมารี่กับขดลวดเซคั่นดารี่ Np:Ns (หรือ L1:L2:L3 ) ได้จากสมการ

(ใช้สมการเดียวกันกับของพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ แต่ค่าแรงดันขาเข้าจะลดลงเหลือแค่เพียงครึ่งหนึ่ง หรือ Vin/2 )

5. หาค่ากระแสสูงสุดที่ฝั่งไพรมารี่ Ip(peak) คร่าวๆ ได้จาก

ในที่นี้จะกำหนดให้ Ip(peak) มีค่าสูงสุดได้ไม่เกิน 1.5A ดังนั้น ค่า Imag จะต้องมีค่าเท่ากับ 1.5-0.82A = 0.68A

6. จากนั้นคำนวณค่าอินดัคแตนซ์ของขดลวดไพรมารี่ Lp ที่น้อยที่สุดจากค่า Imag ที่ได้ 

เลือก Imag ต่ำสุดให้เท่ากับ 0.1A  คำนวณหาค่า Lp อีกครั้งจะได้เท่ากับ

และค่ากระแสสูงสุดฝั่งไพรมารี่เมื่อ Lp = 352 x 10-6 H จะเท่ากับ 0.82+0.1 = 0.92A

ดังนั้นค่า Lp ที่ได้จะอยู่ในช่วง 51.8  x 10-6 H ถึง 352 x 10-6 H ขึ้นอยู่กับค่ากระแสสูงสุดฝั่งไพรมารี่ที่ต้องการครับ

7. คำนวณค่า Ls จากสมการ

ดังนั้นเมื่อเลือก  Lp = 352 x 10-6 H  ก็จะได้ Ls เท่ากับ 3,662 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=6 x10-6 s และที่แรงดันขาเข้า 6V ได้ช่วงเวลา ton=12 x10-6 s 

จะเห็นช่วงเวลา ton ทั้งสองค่าแรงดันขาเข้ายังพอมีช่วงกว้างให้สามารถปรับลดลงหรือเพิ่มขึ้นได้อีก แสดงว่าค่าของตัวอุปกรณ์ที่กำหนดให้วงจรน่าจะทำงานได้ไม่มีปัญหาอะไร

รูปคลื่นแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะวงจรทำงาน (สองเส้นล่าง) กระแสที่ไหลผ่านเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (กลาง) กระแสที่ไหลผ่านไดโอดที่ฝั่งเซคั่นดารี่ (เส้นสีม่วง) และกระแสที่ไหลผ่านเอาต์พุตโช้ค (บนสุด)

ลักษณะรูปคลื่นที่ได้จะเห็นว่าใกล้เคียงกับพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ ยกเว้นค่าแรงดันตกคร่อมขณะหยุดนำกระแสของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ที่มีค่าสูงสุดจำกัดอยู่เพียงแค่ค่า "แรงดันขาเข้า" เท่านั้น และในขณะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ หยุดนำกระแสพร้อมกันก็จะแบ่งแรงดันกันไปคนละครึ่ง

มีข้อสังเกตอยู่หน่อยตรงการวัดค่าแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ตัวบน (S1) ไม่สามารถวัดเทียบกับจุดกราวด์ได้โดยตรง เพราะจะเห็นเป็นค่าแรงดันคงที่ ในที่นี้ต้องกำหนดจุดอ้างอิง (Probe Reference) ให้จุดที่จะวัดด้วยครับ ซึ่งใน LTspice IV นี้จะทำได้ด้วยการคลิกขวาที่แผ่นวงจร จากนั้นเลือกเมนู set probe refence แล้วนำ probe reference (สีดำ) ไปวางไว้ที่จุดอ้างอิงเสียก่อนจึงค่อยเลือกจุดวัดด้วย probe วัด (สีแดง) อีกที

ต่อไปเมื่อทดลองเปลี่ยนตัวอุปกรณ์จากอุดมคติมาใช้ค่าที่ใกล้เคียงความเป็นจริงมากขึ้น โดยเปลี่ยนเป็น shottkey diode เบอร์ 1N5819 และเปลี่ยนจากสวิตช์เป็นเพาเวอร์มอสเฟตเบอร์ IRFH5053 กำหนด K1 L1 L2 L3 L4 0.99 จากนั้นสั่ง run ใหม่ จะได้รูปคลื่นแรงดันตกคร่อมดังที่เห็นข้างล่างครับ

ลักษณะของรูปคลื่นแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เมื่อตัวอุปกรณ์ในวงจรไม่เป็นอุดมคติด จะเห็นสไปค์ขณะเริ่มหยุดนำกระแส(ขอบแรกหัวตัด ) และเรโซแนนซ์ที่เกิดขึ้นขณะวงจรทำงาน

จากลักษณะรูปคลื่นที่ได้จะเห็นว่าแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัว จะเห็นว่าจังหวะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เริ่มหยุดนำกระแส จะเกิดแรงดันสไปค์ขึ้นแต่จะถูกไดโอด D3 กับ D4 แคลมป์เอาไว้ระยะหนึ่งจึงเกิดเรโซแนนซ์ตามมา และเมื่อเพิ่ม RC สนับเบอร์คร่อมไปที่ขา D กับ S ของเพาเวอร์มอสเฟตแต่ละตัวก็จะช่วยลดลงเรโซแนนซ์ได้มาก (รูปล่าง)

ลักษณะของรูปคลื่นแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะวงจรทำงาน และเพิ่มวงจร RC สนับเบอร์คร่อมที่ขา D กับ ขา S เอาไว้ จะเห็นว่าเรโซแนนซ์ลดลงได้มาก

วงจรสุดท้ายก็จะเป็นดังนี้ครับ

สำหรับการวิเคราะห์การออกแบบสำหรับฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ด้วย LTspice IV ก็คงมีเท่านี้ ซึ่งก็น่าจะเพียงพอให้เป็นพื้นฐานเบื้องต้นแล้ว ในตอนหน้าผมจะทดลองกับวงจรฟลูบริดจ์คอนเวอร์เตอร์เป็นลำดับต่อไปครับ

หมายเหตุ
ที่ผมยังไม่พูดถึงอีกเรื่องหนึ่งก็คือ "การขับเพาเวอร์มอสเฟตให้ทำงาน" ในฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ เนื่องจากเพาเวอร์มอสเฟตจัดวงจรอยู่ในลักษณะมี High side และ Low side ต่างจากพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ที่มีเฉพาะ Low side ซึ่งต้องการวงจรขับที่แตกต่างก้นอยู่มาก ซึ่งจะเพิ่มให้ในตอนต่อๆ ไป