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

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

วงจรทดลองเพื่อศึกษาการทำงานของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์

บทความตอนนี้เราจะเริ่มทดสอบผลการออกแบบฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์กับวงจรจริงกันแล้วครับ

โดยจะนำค่าต่างๆ ที่ได้คำนวณและจำลองการทำงานของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ใน LTspice IV (เข้าไปดูได้ใน วิเคราะห์การออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วยโปรแกรม LTSPICE IV ตอนที่ 3) มาทดสอบ ซึ่งเมื่อกำหนดค่าแล้วจะได้วงจรที่จะใช้ทดสอบตามนี้

วงจรที่จะนำมาทดอลงเพื่อดูการทำงานจริงของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ เพาเวอร์มอสเฟตในวงจรไม่จำเป็นต้องเป็นเบอร์นี้ แต่ขอให้ทนแรงดันได้ 60V กระแส 1A ขึ้นไป 

สำหรับวงจร PWM ผมใช้ TL494 มาปรับเป็นแหล่งกำเนิด PWM ตามที่เคยลงไว้ในบทความตอน PWM สำหรับทดสอบคอนเวอร์เตอร์  ในที่นี้เราจะใช้กับฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ ดังนั้นจึงใช้โหมด Single-ended คือ Output1 และ Output2 ทำงานพร้อมกัน ซึ่งทำได้โดยปล่อยขา 13 ให้ลอยไว้ ส่วน output นั้นเลือก Output ไหนมาใช้ก็ได้ครับ 

วงจร PWM ที่จะนำมาใช้ควบคุมการทำงานของวงจร

สำหรับวงจรนี้สัญญานจาก output1 หรือ output2 ของ TL494 ก่อนต่อเข้าขา G ของเพาเวอร์มอสเฟต (PWM_A) ผมใส่วงจร Totem Pole คั่นเอาไว้ด้วย 

เพาเวอร์มอสเฟตใช้เบอร์ R6004ENDTL ของ Rohm แต่ไม่จำเป็นต้องใช้เบอร์นี้ก็ได้ขอให้ทนแรงดันได้ประมาณ 60V ที่กระแส 1A ขึ้นไปก็พอ ที่ใช้เบอร์นี้เพราะเห็นว่าถูกดีและเป็นแบบ surface mount ซึ่งทำให้ตัวเล็กหน่อย ไดโอดใช้ Schottky เบอร์อะไรก็ได้เช่นกัน ขอให้ทนกระแสได้ประมาณ 1A ก็พอ วงจรนี้ผมใช้เบอร์ RB050L-60TE25 เป็นแบบ surface mount เหมือนกัน

ต่อมาเป็นตัวอุปกรณ์สำคัญคือ "หม้อแปลงสวิตชิ่ง" ตัวที่ใช้ในวงจรนี้พันขึ้นใช้เอง วิธีการออกแบบหม้อแปลงให้ดูรายละเอียดได้ในในหนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” ผมจะข้ามไปก่อน แล้วจะเข้ามาเขียนการออกแบบและการพันหม้อแปลงสวิตชิ่งโดยละเอียดให้อีกทีครับ

การพันหม้อแปลงสามารถทำได้หลายวิธี แต่โดยพื้นฐานแล้วอาจเริ่มจากสูตรนี้ในการพันหม้อแปลงก็ได้

โดยหัวใจสำคัญก็คือ ต้องกำหนดค่าอินดัคแตนซ์ของขดลวดไพรมารี่หรือหาค่า  Lp ( หน่วยเป็นเฮนรี่  H ) ก่อน จากนั้นให้ประมาณกำลังงานที่ต้องการจากหม้อแปลงออกมาคร่าวๆ เราก็จะกะขนาดของแกนเฟอร์ไรต์ได้ ซึ่งก็จะได้ค่า Ae (หน่วยเป็น cm2)  ตามมา แล้วกำหนดค่าช่องอากาศคั่นทางเดินฟลักซ์แม่เหล็ก lg (หน่วยเป็น mm) ซึ่งเรากำหนดได้เองหรือเลือกจากแกนเฟอร์ไรต์ที่ทำมาเป็นแบบมี gap อยู่แล้วก็จะหาได้ค่า lg เช่นกัน

สุดท้ายเมื่อคำนวณออกมาก็จะได้ค่า Np เป็นจำนวนรอบในการพันขดลวด ในทางปฎิบัติบางครั้งอาจต้องทำกลับไปมาหลายๆ ครั้ง ถึงจะลงตัวครับ 

ในที่นี้เรามีค่า Lp แล้วคือ 162 x 10-6 H และเนื่องจากตัวอย่างนี้หม้อแปลงไม่ต้องจ่ายกำลังงานสูง ผมจะใช้แกนขนาดเล็กหน่อยแต่ไม่เล็กจนเกินไปจนพันขดลวดลำบาก คือ EFD20/10/7 ของ EPCOS เบอร์ B66417GX187 ถ้าหาแกนนี้ไม่ได้ก็ให้ใช้แกน EE20 หรือ EI20 หรือใกล้เคียงก็ได้เช่นกัน ขอแค่ให้รู้ค่า Ae ของแกนก็พอ ที่ใช้เบอร์นี้เพราะต้องการสเปคที่ชัดเจนและหามาใช้ได้ง่ายสำหรับผม  (ตัวนี้มี gap ให้เลือกใช้หลายขนาด)

แกนเฟอร์ไรต์ EFD20/10/7 ที่ใช้นี้มีขนาด Ae = 0.31 cm2  ผมประมาณคร่าวๆ จะใช้ ค่า lg ประมาณ 0.01 mm. ดังนั้น

เมื่อเลือกให้เป็นเลขลงตัวก็จะได้ Np=20 รอบ จากนั้นคำนวณหาจำนวนรอบ Ns จากอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Ns ที่เคยคำนวณเอาไว้ คือ น้อยกว่าหรือเท่ากับ 6 ลงมา ซึ่งจะได้  Ns = 20/6= 3.33 ปัดขึ้นเป็น 4 เพื่อให้อัตราส่วนจำนวนรอบน้อยกว่า 6  ดังนั้นเลือก Ns=4 รอบ และ Np:Ns ใหม่จะเท่ากับ 5:1

ผลการทดสอบอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Ns เมื่อพันเสร็จแล้ว ด้วยการจ่ายแรงดันคลื่นรูปไซน์ที่ความถี่ 100kHz วัดค่าแรงดันแต่ละขดเปรียบเทียบกัน ได้ Np:Ns ประมาณ 4.5 ตามรูปข้างล่างนี้ครับ

ผลการทดสอบหม้อแปลงที่พันขึ้นซึ่งวัดค่า Np:Ns ได้ประมาณ 4.5 (10.58/2.347)  และวัดจากขาที่ต้องต่อเข้าวงจรเพือวัดเฟสของขดลวดไปพร้อมกันด้วย

สำหรับช่องอากาศ lg ผมใช้เทปฉนวนที่วัดความหนาได้ประมาณ 0.02mm คั่นตรงกลางแกน ประมาณแรงกดประกบแกนเข้าด้วยกันแล้ว คิดว่าความหนาน่าจะเหลือประมาณ 0.015 mm  เมื่อใช้สูตรข้างบนเอามาย้อนหาค่า Lp ที่ควรจะเป็นของหม้อแปลงตัวนี้จะได้

ผมลองวัดค่า Lp ของหม้อแปลงที่พันขึ้นด้วยเครื่อง LCR มิเตอร์ วัดได้ค่าประมาณ 111 x 10-6 H  ก็ยังถือว่าไม่ต่างกันมากนักและอยู่ในช่วงที่ออกได้แบบไว้ การทำงานจึงไม่น่าจะมีปัญหาอะไร

ต่อไปก็เริ่มประกอบวงจรและทดสอบการทำงานกันได้เลย รูปข้างล่างคือวงจรที่ประกอบขึ้นและนำมาทดลอง ที่เห็นมีตัวอุปกรณ์มาบนบอร์ดมากเกินกว่าในวงจรนั้น เป็นเพราะลายปริ๊นต์บนบอร์ดเขียนเผื่อไว้ให้ใช้ทดสอบได้ตั้งแต่ฟลายแบค ฟอร์เวิร์ด ไปจนถึงพุชพูลคอนเวอร์เตอร์เลย อุปกรณ์บางตัวใส่ค้างไว้แล้วยังไม่ได้เอาออกก็มีครับ

เริ่มทดสอบวงจรเพื่อดูความสามารถที่จะคงค่าแรงดันที่ 5V เมื่อตั้งค่าโหลดให้คงที่ไว้ 300mA ทดสอบที่ช่วงแรงดันขาเข้า 2จุด คือที่ 7V กับ 12V  (อันนี้เป็นการทดสอบ line regulation) เมื่อตั้งแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V ผลการปรับช่วงเวลานำกระแสได้ค่า ton ที่ประมาณ 21.96 x 10-6 วินาที (จากที่คำนวณไว้ 27.36  x 10-6 วินาที)

และเมื่อปรับแรงดันขาเข้าไว้ที่ 12V ผลการปรับช่วงเวลา ton ของวงจรเพื่อให้ได้แรงดันขาออก 5V และกระแสขาออก 300mA  ได้ค่า ton ประมาณ 12.25 x 10-6 วินาที 

สรุปเบื้องต้นได้ว่าวงจรทำงานได้ตามข้อกำหนดที่ต้องการไม่มีปัญหาอะไร

รูปคลื่นของ PWM แสดงความกว้าง pluse ที่ปรับให้ได้ค่าแรงดันขาออก 5V โหลด 300mA ซึ่งจะได้ค่า ton ที่ 21.96 x 10-6 วินาที เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V

แสดงความกว้าง pluse ของ PWM mujปรับให้ได้ค่าแรงดันขาออก 5V โหลด 300mA ซึ่งได้ค่า ton ที่ 12.25 x 10-6 วินาที เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 12V

ต่อไปวัดค่ากระแสสูงสุดที่ฝั่งไพรมารี่หรือกระแสที่ไหลผ่านขดลวดไพรมารี่ (ซึ่งจะไหลผ่านตัวเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ด้วย) วัดค่ากระแสสูงสุดได้ที่ประมาณ 1.17A  ที่ ton ประมาณ 12.25 x 10-6 วินาที ส่วนกระแสที่ฝั่งเซคั่นดารี่วัดได้ประมาณ 4.76V  จะเห็นว่ามีค่าสูงกว่าฝั่งไพรมารี่มาก ซึ่งเป็นไปตามค่าอัตราส่วนจำนวนรอบ คือ Is =(Np/Ns)Ip

ลักษณะกระแสที่ไหลผ่านขดลวดไพรมารี่ จะเห็นว่าค่ากระแสเริ่มจากศูนย์ในทุกช่วงการนำกระแสของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ ซึ่งเป็นลักษณะของการทำงานในโหมดกระแสไม่ต่อเนื่อง

ลักษณะกระแสที่ไหลผ่านขดลวดเซคั่นดารี่ จะเห็นว่าค่ากระแสลดลงจนเป็นศูนย์ก่อนหมดคาบเวลา และมีค่าสูงสุดสูงกว่ากระแสที่ไหลผ่านขดลวดไพรมารี่มาก   

เมื่อวัดดูรูปคลื่นแรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะทำงาน (แรงดัน VDS ) สามารถวัดแรงดันสไปค์ที่เกิดขึ้นได้สูงถึง 140V และเกิดเรโซแนนซ์เมื่อกระแสที่ขดเซคั่นดารี่ลดลงจนมีค่าเป็นศูนย์ไปแล้ว รวมทั้งค่าแรงดันที่ตกคร่อมจะมีค่าสูงเท่ากับ (Np/Ns)Vs + Vin เมื่อยังมีกระแสที่ขดเซคั่นดารี่ไหลอยู่

แต่ที่น่าสนใจก็คือลักษณะรูปคลื่นของแรงดันที่เกิดขึ้นจริงนั้น ค่อนข้างใกล้เคียงกับผลที่ได้จากการจำลองการทำงานของวงจรใน LTspice IV มากเลยทีเดียว

ลักษณะของแรงดันตกคร่อมที่ตัวเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะหยุดนำกระแส จะเห็นว่ามีสไปค์เกิดขึ้นค่อนข้างสูง ส่วนเรโซแนนซ์ที่เกิดขึ้นจะเห็นว่ามี Damping หน่วงให้เป็นลักษณะลาดชันลงมา

รูปคลื่นที่ได้จากการจำลองการทำงานวงจรฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ใน LTspice IV ซึ่งค่อนข้างใกล้เคียงกับที่เกิดขึ้นเมื่อประกอบวงจรให้ทำงานจริง 

และเมื่อใส่วงจร RCD สนับเบอร์ให้วงจร ก็สามารถลดแรงดันสไปค์ที่เกิดขึ้นได้อย่างมีนัยสำคัญ

แสดงรูปคลื่นแรงดันเมื่อใส่สนับเบอร์เข้ามาในวงจรจะทำให้ค่าสูงสุดของแรงดันสไปค์ที่เกิดขึ้นลดลงได้มาก

อย่าลืมว่าวงจร RCD สนับเบอร์นั้นจะดึงกระแสส่วนหนึ่งไปเพื่อกดแรงดัน และทำให้เกิดกำลังงานสูญเสียในวงจรสนับเบอร์ด้วย ซึ่งตัวต้านทานในสนับเบอร์จะร้อน ต้องระวังเรื่องความร้อนและเลือกใช้ตัวต้านที่มีค่าวัตต์ที่เหมาะสมให้มันด้วย

ที่กล่าวมาทั้งหมดข้างต้นนี้เป็นการทำงานในโหมดกระแสไม่ต้องเนื่อง ฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ยังสามารถทำงานที่โหมดกระแสต่อเนื่องได้ด้วยเช่นกัน แต่การนำมาใช้จริงอาจยุ่งยากไปหน่อย (เรื่องการพันหม้อแปลงและการปิดลูปวงจรควบคุม) เลยไม่ค่อยนิยม แต่ผมจะทดลองเอาไว้ด้วย เพื่อให้ดูลักษณะรูปคลื่นกันครับ

สำหรับโหมดกระแสต่อเนื่องของฟลายแบคให้พิจารณากลับกันกับโหมดกระแสไม่ต่อเนื่อง คือ ให้กำหนดช่่วงเวลานำกระแสที่ต่ำที่สุดจากค่าแรงดันขาเข้าสูงสุด แล้วนำมาคำนวณหาค่า Lp ที่จะยังคงทำงานที่โหมดกระแสต่อเนื่องอยู่ได้

ในที่นี้จะกำหนดช่วงเวลานำกระแสต่ำที่สุดไว้ไม่เกิน 0.2T (ดิวตี้ไซเคิลเท่ากับ 0.2) ดังนั้นจะได้ ton(min) เท่ากับ 0.2x40x10-6 = 8x10-6 วินาที

ต่อไปกำหนดค่ากระแสต่ำสุดที่ฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์จะต้องคงการทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่อง ในที่นี้จะกำหนดให้เท่ากับ 100mA ที่ค่าแรงดันขาเข้าสูงสุดและช่่วงเวลานำกระแสที่ต่ำที่สุด ซึ่งจำคำนวณหาค่า Lp ของขดลวดไพรมารี่ได้ตามสมการ

 D คือ ค่าดิวตี้ไซเคิล และเพื่อไม่ให้จำนวนรอบมากเกินไป ในที่นี้ผมจะเลือก Np/Ns = 1 ดังนั้น

คำนนวณแล้วได้ Lp ที่ 716.8 x 10-6 H จากนั้นนำไปคำนวณจำนวนรอบขดลวดไพรมารี่ Np ของหม้อแปลงตามวิธีที่ได้กล่าวมาแล้วตอนต้นๆ ต่ออีกที ซึ่งจะได้ Np=Ns=45 รอบ

เมื่อวงจรทำงานจะได้ลักษณะรูปคลื่นดังนี้ครับ

ลักษณะรูปคลื่นของกระแสที่ขดลวดฝั่งไพรมารี่ (บน) และฝั่งเซคั่นดารี่ (ล่าง) ของวงจรทดลองฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์เมื่อทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่อง (ที่แรงดันขาเข้า 7V)

ลักษณะรูปคลื่นของกระแสที่ขดลวดฝั่งไพรมารี่ (บน) และฝั่งเซคั่นดารี่ (ล่าง) ของวงจรทดลองฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์เมื่อทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่อง (ที่แรงดันขาเข้า 12V) 

จะเห็นว่าค่ากระแสสูงสุดของฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ที่ทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่องจะต่ำกว่าโหมดกระแสไม่ต่อเนื่องมาก แต่ข้อด้อยของการใช้งานในโหมดกระแสต่อเนื่องมีมากกว่าจึงไม่ค่อยนิยมใช้กันครับ

ทั้งหมดนี้ผมคิดว่าน่าจะเพียงพอที่จะศึกษาและทดลองสร้างฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์เพื่อให้เกิดความเข้าใจในขั้นต้นได้แล้ว ส่วนการออกแบบฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ให้ทำงานที่แรงดันไฟบ้าน (220VAC) ได้นั้นก็ทำได้ในทำนองเดียวกันครับ แต่ต้องระวังเรื่องความปลอดภัยด้วยเป็นอย่างมาก ในทางปฏิบัติสำหรับมือใหม่ผมไม่แนะนำให้ทดลองเองโดยไม่มีผู้เชี่ยวชาญคอยแนะนำนะคร้บ