วงจรทดลองเพื่อศึกษาการทำงานของฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์

บทความในตอนนี้จะทดสอบการทำงานของวงจรจริงของฮาล์ฟบิรดจ์คอนเวอร์เตอร์เพื่อเปรียบเทียบกันกับวงจรฮาล์ฟบิรดจ์คอนเวอร์เตอร์ที่ได้คำนวณและจำลองดูการทำงานเอาไว้ด้วย LTspice IV ครับ

การคำนวณค่าต่างๆ ย้อนไปดูได้ที่นี่
วิเคราะห์การออกแบบฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ด้วย LTSPICE IV

เมื่อกำหนดค่าตัวอุปกรณ์ต่างๆ แล้วจะได้วงจรที่จะใช้ทดสอบตามนี้

วงจรฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ที่ใช้ทดลอง

วงจร PWM ใช้ TL494 มาปรับเป็นแหล่งกำเนิดเช่นเดิม (ดู PWM สำหรับทดสอบคอนเวอร์เตอร์) ในที่นี้เราจะใช้กับฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ซึ่งเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์จะสลับกันทำงาน ดังนั้นจึงใช้โหมด "push-pull" คือ Output1 และ Output2 สลับกันทำงาน และใช้ทั้งสอง output ซึ่งทำได้โดยต่อขา 13 เข้าแรงดัน ref ที่ขา 14 

PWM ที่ใช้ ซึ่งจะใช้ทั้ง output1 และ output2
ดังนั้นให้ต่อขา 13 เข้ากับแรงดัน ref ที่ขา 14 ด้วย

เนื่องจากวงจรฮาล์ฟบริดจ์จะจัดวงจรอยู่ในลักษณะเพาเวอร์มอสเฟตแบ่งครึ่งแรงดัน ที่มีลักษณะของ high-side (ตัวบน) และ low-side (ตัวล่าง) ดังนั้นในที่นี้จะใช้ไอซีเบอร์ IR2110 มาเป็นตัวขับขาเกตให้เพาเวอร์มอสเฟตในวงจรครับ (ให้ดู High-Side Gate Drive ด้วยไอซีเบอร์ IR2110)

วงจรขับเกตจะเป็นดังนี้

วงจรที่ใช้ขับขาเกตใช้ IC เบอร์ IR2110 สำหรับฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ที่ทดลองสร้างขึ้น 

Output1 กับ Output2 ของ TL494 ให้ต่อเข้ากับ Hin (PWM_A) กับ Lin (PWM_B) ของ IR2110 สำหรับไฟเลี้ยง +12V ของ IR2110 นั้น สามารถใช้ร่วมกับ TL494 ได้ แต่ไฟเลี้ยงของฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ให้แยกต่างหากกันครับ เพราะจะต้องทดลองปรับเปลี่ยนแรงดันไปมา

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 

แกนเฟอร์ไรต์ใช้ขนาด EFD20/10/7 ของ EPCOS เบอร์ B66417GX187 ถ้าหาแกนนี้ไม่ได้ก็ให้ใช้แกน EE20 หรือ EI20 หรือใกล้เคียงก็ได้ แกน EFD20/10/7 มี ขนาด Ae = 0.31 cm2  เริ่มต้นด้วยการประมาณคร่าวๆ ว่าจะใช้ ค่า lg ประมาณ  0.01 mm. (ตามที่ใช้คำนวณใน LTspice IV) ดังนั้นจากค่า LP = 352 x 10-6 H จะได้ จำนวนรอบของ Np

เลือก Np=30 รอบ ดังนั้นจากอัตราส่วนจำนวนรอบ Np/Ns = 0.31 เลือก Ns = 100 รอบ (เกินไปนิดหน่อยให้เป็นเลขจำง่ายๆ)

เอาต์พุตโช้คกำหนดไว้ที่ Lo = 560 x 10-6 H ใช้วิธีคำนวณแบบเดียวกันจะได้จำนวนรอบ  NLo = 38 รอบ แต่ในที่นี้ผมใช้แบบสำเร็จรูปที่มีขายไม่ได้พันเอง วัดค่าอินดัคแตนซ์ได้ 680 x 10-6 H

ทดลองวัดค่า Lp ของหม้อแปลงจากขดลวดไพรมารี่ที่พันขึ้นได้เท่ากับ 448 x 10-6 H  สูงไปหน่อยแต่ไม่เป็นปัญหาเพราะมีผลแค่ทำให้ค่า Ip(peak) ลดไปเท่านั้น ส่วนผลการทดสอบอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Ns เมื่อพันเสร็จแล้ว วัดค่าแรงดันแต่ละคู่ขดเปรียบเทียบกัน ได้ Np/Ns ประมาณ 0.35 เท่ากันทั้ง 2 คู่ (ขดเซคั่นดารี่ Ns พันควบ 2 เส้นพร้อมกันทีเดียว) ตามรูปข้างล่างนี้ครับ

รูปคลื่นวัดค่าแรงดันแต่ละคู่ขดเปรียบเทียบกัน ได้ Np/Ns ประมาณ 13.86/39.75=0.35 

รูปข้างล่างคือวงจรที่ประกอบขึ้นมาทดลอง

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

เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V ผลการปรับช่วงเวลานำกระแสได้ค่า ton ที่ค่าสูงสุดได้ประมาณ 17.76 x 10-6 วินาที พบว่าที่ค่ากระแสขาออกวงจร 300mA วงจรสามารถทำค่าแรงดันขาออกได้เพียง 4V เท่านั้น ดังนั้นจึงทดลองปรับลดค่ากระแสขาออกเพื่อให้ได้ค่าแรงดันขาออกที่ 5V ผลปรากฎว่าได้ค่ากระแสสูงสุดอยู่ที่ 200mA 

แสดงว่าค่าแรงดันขาเข้าอาจต่ำเกินไปสำหรับวงจรจริงเมื่อเทียบกับวงจรที่ใช้ค่าอุดมคติ 

ส่วนลักษณะสัญญานจาก IR2110 ทั้งตัวบนและล่างได้ตามในรูปนี้คร้บ 

จากนั้นทดลองตั้งค่าแรงดันขาเข้าเพิ่มขึ้นมาเป็น 8V ผลการปรับช่วงเวลา ton ของวงจรเพื่อให้ได้แรงดันขาออก 5V และกระแสขาออก 300mA  ได้ค่า ton ประมาณ 16.82 x 10-6 วินาที ได้ค่าแรงดันกับกระแสตามต้องการไม่มีปัญหาอะไร ส่วนลักษณะสัญญานจาก IR2110 ทั้งตัวบนและล่างได้ตามในรูปนี้คร้บ 

ต่อไปทดลองค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 15V ผลการปรับช่วงเวลา ton ของวงจรเพื่อให้ได้แรงดันขาออก 5V และกระแสขาออก 300mA  ได้ค่า ton ประมาณ 7.38 x 10-6 วินาที 

ลักษณะสัญญานจาก IR2110 ทั้งบนล่างได้ตามในรูปนี้ 

แสดงว่าที่แรงดันขาเข้าค่าสูงๆ ขึ้นมาวงจรทำงานได้ดีไม่มีปัญหา แรงดันขาเข้าที่ตั้งไว้ 7V น่าจะต่ำเกินไป (แบ่งครึ่งแรงดันเหลือ 3.5V หักแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์มอสเฟตลงไปอีก 1V เหลือแรงดันตกคร่อมขดไพรมารี่แค่ 2.5V ต่ำไปหน่อย) 

เมื่อทดลองเปลี่ยน C1 กับ C2 ให้มีค่ามากขึ้น พบว่าไม่ให้ผลที่ดีขึ้นที่ค่าแรงดันต่ำๆ (7V) แต่เมื่อเปลี่ยนเป็นแบบ low ESR ค่ากระแสสูงสุดขยับขึ้นมาได้เป็น 250mA แสดงว่าค่าแรงดันขาเข้าจากข้อกำหนดนั้นต่ำไปสำหรับฮาล์ฟบริดจ์ที่ออกแบบมาน่าจะจริง


ต่อไปวัดดูลักษณะรูปคลื่นที่ฝั่งไพรมารี่ของกระแสที่ไหลผ่านเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ (มอสเฟต) ขณะวงจรทำงานจะเป็นดังรูปข้างล่าง จะเห็นว่าค่ากระแสสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 950 mA เมือโหลดดึงกระแส 300mA ซึ่งสอดคล้องกับค่า Np/Ns และใกล้เคียงกับที่คำนวณไว้พอสมควร

สำหรับลักษณะรูปคลื่นของกระแสที่ฝั่งเซคั่นดารี่ที่ผ่านไดโอด D1 กับ D2 และเอาต์พุตโช้ค Lo จะเป็นดังนี้

รูปคลื่นของกระแสฝั่งเซคั่นดารี่ที่ผ่านไดโอด D1 กับ D2 (บน ล่าง) และเอาต์พุตโช้ค Lo (กลาง)

แรงดันที่ตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะวงจรทำงานจะเป็นดังรูปข้างล่าง

จากรูปคลื่นที่ได้จะเห็นว่าเมื่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งนำกระแส ค่าแรงดันตกคร่อมขณะหยุดนำกระแสของอีกตัวหนึ่งจะมีค่าเท่ากับแรงดันขาเข้า และเมื่อเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสพร้อมกัน ค่าแรงดันตกคร่อมของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะมีค่าเพียงครึ่งหนึ่งของแรงดันขาเข้า (แบ่งครึ่งแรงดันกันไป) 
นอกจากนี้จะสังเกตเห็นสไปค์และเรโซแนนซ์ขณะเริ่มหยุดนำกระแสค่อนข้างชัดเจน เปรียบเทียบกับที่จำลองใน LTspice IV แล้วค่อนข้างใกล้เคียงกันมาก แต่วงจรจริงจะมีลักษณะของการหน่วงเรโซแนนซ์ที่มากกว่าครับ

ลักษณะแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์มอสเฟตขณะทำงาน  ได้จากการจำลองการทำงานของวงจรฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ใน LTspice IV

ต่อไปทดลองเพิ่ม RC สนับเบอร์ คร่อมที่ตัวเพาเวอร์มอสเฟตทั้ง 2 ตัว ดังในรูป

จุดที่เพิ่ม RC สนับเบอร์เข้าไปนวงจร เพื่อลดเรโซแนนซ์และแรงดันไสปค์เมื่อเพเวอร์มอสเริ่มหยุดนำกระแส

ผลที่ได้เป็นดังในรูปนี้ 

ลักษณะแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์มอสเฟตขณะทำงานเมื่อใส่ RC สนับเบอร์คร่อมที่ขา D กับ S ของเพาเวอร์มอสเฟต

จะเห็นว่า RC สนับเบอร์ที่เพิ่มเข้ามาในวงจรสามารถลดเรโซแนนซ์ลงไปได้หมด และกดสไปค์ลงไปได้มากพอสมควร เปรียบเทียบกับที่จำลองใน LTspice IV แล้วก็ถือว่ามีลักษณะใกล้เคียงกันมากเลยทีเดียว

ลักษณะแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์มอสเฟตขณะทำงานเมื่อใส่ RC สนับเบอร์คร่อมที่ขา D กับ S ของเพาเวอร์มอสเฟต จากการจำลองการทำงานของวงจรฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ใน LTspice IV

การทดลองสำหรับวงจรฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ในเบื้องต้นคงมีเท่านี้ สำหรับฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ผมจะขอข้ามไป คิดว่าเป็นแบบฝึกหัดให้ทดลองทำด้วยตัวเองครับ (หม้อแปลงให้ใช้ค่าและพันแบบเดียวกับพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ได้เลย แต่ใช้ขดลวดไพรมารี่ขดเดียว)

สำหรับตอนต่อๆ ไป จะเป็นเรื่องเกี่ยวกับการพัน "หม้อแปลงสวิตชิ่ง" ในเบื้องต้นครับ