CONVERTER

เรียบเรียงโดย
นาย ชัยวัฒน์ เกตุสุวรรณ
นาย พิริยะ อุตมฉันท์

สารบัญ

บทนำ

          ถึงแม้ว่าวงจร CONVERTER ที่ใช้ในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟตรงสวิตชิ่งนั้นจะมีชื่อเรียกต่างๆกันตามนักค้นคว้าวิจัยหรือตามตำราต่างๆ แต่หลักการพื้นฐานของวงจรCONVERTERเหล่านี้แบ่งออกเป็น3ชนิดกันคือ
          1. FRYBACK          หรือ        BUCK BOOST CONVERTER
          2. FORWARD         หรือ        BUCK CONVERTER
          3. PUSH-PULL       หรือ        BUCK DERIVED CONVERTER

FLYBACK CONVERTER

รูป 1 แสดงวงจร FRYBACK CONVERTER ซึ่งมีหลักการทำงานดังนี้ เมื่อสวิตช์ S ปิดวงจร (รูป1.a) กระแสจะไหลผ่านขดลวด L เพื่อสะสมพลังงาน ในขณะที่ไดโอด D ได้รับการไบแอสกลับจึงทำให้ไม่มีแรงดันตกคร่อมที่R_Lจนกระทั่งเมื่อสวิตช์ S เปิดวงจร (รูป1.b) ที่ขดลวดLเกิดการยุบตัวของสนามแม่เหล็กรอบขดลวดจ่ายพลังงานที่ถูกสะสมไว้ให้กับไดโอด D ซึ่งไดโอด D ได้รับการไบแอสตรงเกิดกระแสไหลมีทิศทางดังรูปและเป็นผลทำให้มีแรงดันตกคร่อมที่ R_Lในลักษณะที่มีขั้วตรงกันข้ามกับขั้วแรงดันอินพุท จากการทำงานของวงจร จะเห็นได้ว่าเกิดกระแสเหนี่ยวนำทั้งที่ด้านอินพุทและด้านเอาท์พุทซึ่งถ้าสวิตช์ S ปิด-เปิดวงจรอย่างต่อเนื่องก็จะทำให้กระแสทั้งสองนี้มีลักษณะเป็นพัลส์ (PULSATING) สังเกตได้ว่าขดลวดจะเก็บสะสมพลังงานในช่วงเวลาที่สวิตช์ S เปิดวงจรนั่นเอง

FORWARD CONVERTER

สำหรับวงจร FORWARD CONVERTER แสดงดังรูป 2 ซึ่งมีหลักการทำงานดังนี้ เมื่อสวิตช์ S ปิดวงจร (รูปที่2a) กระแสจะไหลผ่านขดลวด L และโหลด R_L ตามทิศทางดังรูปสังเกตไดโอด D ขณะนี้ได้รับไบแอสกลับ จนกระทั่งสวิตช์ S เปิดวงจร (รูปที่2) เกิดการยุบตัวของสนามแม่เหล็กเกิดพลังงานทำให้ขณะนี้ไดโอด D ได้รับไบแอสตรงนำกระแสในทิศทางเดิมเกิดแรงดันตกคร่อม R_Lโดยมีขั้วเหมือนกับอินพุทจากการทำงานของวงจรจะพบว่า ถ้าสวิตช์ S มีการปิด-เปิดวงจรอย่างต่อเนื่องจะทำให้กระแสที่เอาท์พุทมีแนวโน้มที่จะไหลได้ต่อเนื่องในส่วนของไดโอด D ในวงจรนั้นโดยทั่วไปจะเรียกว่า "Free-Wheeling Diode" หรือ "Flyweel Diode"

PUSH-PULL CONVERTER

รูปที่3 PUSH-PULL CONVERTER ในรูปที่3 แสดงวงจร CONVERTER แบบ PUSH-PULL ซึ่งโดยแท้จริงแล้วก็ประกอบด้วย FORWARD CONVERTER 2 ชุด ทำงานสลับกันในลักษณะ PUSH-PULL โดยที่สวิตช์ S₁,S₂ จะสลับกันปิด-เปิดทำงานตรงกันข้าม

วงจร FLYBACK CONVERTER แบบมีการแยกกันทางไฟฟ้า

ย้อนกลับไปพิจารณารูปที่1เป็นวงจร FLYBACK CONVERTER ซึ่งไม่มีการแยกกันทางไฟฟ้าระหว่างอินพุทกับเอาท์พุทแต่ถ้าพิจารณาที่รูปที่4 จะพบว่ามีการแยกกันทางไฟฟ้ากันระหว่างอินพุทกับเอาท์พุทโดยใช้หม้อแปลงและยังมีการแสดงรูปคลื่นที่สำคัญต่างๆ

ซึ่งมีการทำงานดังนี้คือ เมื่อ Q₁ ปิดวงจร จะเกิดกระแสไหลในขดลวดปฐมภูมิสะสมพลังงานและไดโอด D ถูกไบแอสกลับ เนื่องจากการจัดเรียงขั้วระหว่างขดลวดหม้อแปลง/โช้ค (Transformer/chock) ด้านอินพุทและเอาท์พุทตรงข้ามกัน เมื่อทรานซิสเตอร์ Q₁ เปิดวงจร ขั้วของขดลวดทั้งสองจะกลับขั้วเนื่องจากการยุบตัวของสนามแม่เหล็ก ไดโอด D นำกระแสตัวเก็บประจุ C จะเก็บประจุและจ่ายกระแสไปยังโหลด จากวงจรสังเกตพบว่านอกจากจะใช้หม้อแปลงเป็นตัวแยกระบบทางไฟฟ้าแล้วยังทำหน้าที่ เป็นโช้ค (CHOKE) อีกด้วยดังนั้นภาคเอาท์พุทของ FLYBACK CONVERTER จึงไม่จำเป็นต้องมีขดลวดอีก ในทางปฏิบัติบางครั้งอาจจำเป็นต้องมีตัวเหนี่ยวนำค่าต่ำๆต่อระหว่างชุดเรียงกระแสกับตัวเก็บประจุเอาท์พุทเพื่อลดสัญญาณรบกวนในการสวิตชิ่งที่ความถี่สูงๆ

วงจร FLYBACK CONVERTER SWITCHING โดยใช้ทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์ที่ใช้ในFLYBACKCONVERTERSWITCHINGจะต้องมีอัตราทนแรงดันคอลเลคเตอร์สูงสุด ขณะที่สวิตช์เปิดวงจร และกระแสคอลเลคเตอร์สูงสุดขณะที่สวิตช์ปิดวงจร แรงดันคอลเลคเตอร์ขณะเปิดวงจรคือ V_{ce, max} = V_in / ( 1 - d_max )

เมื่อ V_in คือ แรงดันไฟตรงอินพุท d_max คือ ดิวตี้ไซเกิลสูงสุด (DUTY CYCLE) สมการที่1จะเป็นการบอกค่าของแรงดันคอลเลคเตอร์ในย่านที่ปลอดภัย ดิวตี้ไซเกิลจะต้องมีค่าต่ำ ปกติจะต่ำกว่า 50% (dmax < 0.5) ในทางปฏิบัติ d_max จะใช้ประมาณ 0.4 ซึ่งจะเป็นการจำกัดให้แรงดัน คอลเลคเตอร์สูงสุด V_ce,max =< 2.2V_inทรานซิสเตอร์ควรมีแรงดันไม่ต่ำกว่า800Vกระแสคอลเลคเตอร์ของทรานซิสเตอร์ขณะปิดวงจรคือ

I_c = I_L / n

          เมื่อ          I_Lคือ กระแสด้านปฐมภูมิ
                         n คือ สัดส่วนจำนวนรอบของขดลวด
          พลังงานที่สะสมในโช้ค

P_out = [( LI_L² ) h ]/[2T]

เมื่อ h (eta) คือประสิทธิภาพของ CONVERTER แรงดันตกคร่อมหม้อแปลงอาจแทนได้เท่ากับ

V_in = Ldi /dt

ถ้าสมมติให้ di = I_L และ 1/dt = f / d_max ดังนั้นสมการที่ 4 จะเป็น

V_in = (fL I_L)/ d_max

หรือ

L = (V_in d_max)/(f I_L)

แทนสมการที่ 6 ลงในสมการที่ 3 จะได้

P_out = [( V_in f d_max I_L ²) h ]/(2 f I_L)

= 1/2 h V_ind_max I_L

แก้สมการเพื่อหา I_L

I_L = (2P_out) /(h V_in d_max )

แทนสมการที่ 7 ลงในสมการที่ 2 ก็จะได้สมการกระแสคอลเลคเตอร์ในเทอมของกำลังเอาท์พุท

I_c = (2P_out)/ (h V_in d_max )

จากสมการที่ 8 สมมติให้ประสิทธิภาพของ CONVERTER เท่ากับ 0.8(80 เปอร์เซนต์)และดิวตี้ไซเกิล d_max = 0.4 (40 เปอร์เซนต์) ดังนั้น

I_c = (6.2 P_out)/ V_in

การออกแบบหม้อแปลง/โช้คใน FLYBACK CONVERTER

สิ่งที่ต้องระมัดระวังให้หม้อแปลง/โช้คเกิดการอิ่มตัว (SATURATE) ดังนั้นปริมาตรของหม้อแปลง/โช้ค หาได้จาก Volume = (momc I²_L,
max L_out)/ B²_max

          เมื่อ          I_L,
max         คือ กระแสโหลดสูงสุด
                        mo              คือ ค่าความซึมซาบของอากาศ (Permeability)
                        mc              คือ ค่าความซึมซาบของแกนวัสดุที่เลือกใช้
                         B_max           คือ ความหน่าแน่นของฟลั๊กสูงสุด

วงจร FLYBACK CONVERTER ที่จ่ายแรงดันหลายระดับ

ข้อดีของวงจร FLYBACK CONVERTER ก็คือง่ายต่อการออกแบบและที่ภาคเอาท์พุทสามารถออกแบบให้มีแรงดันได้หลายระดับเนื่องจากหม้อแปลง นอกจากจะเป็นตัวแยกระบบกันทางไฟฟ้าแล้วยังเป็นโช้คให้กับวงจรอีกในตัว ดังนั้นทางด้านเอาท์พุทจึงมีเพียงไดโอดกับตัวเก็บประจุเท่านั้น รูปที่ 5 แสดงวงจร FLYBACK CONVERTER ที่จ่ายแรงดันได้หลายระดับ

วงจร FORWARD CONVERTER แบบมีการแยกกันทางไฟฟ้า

จากวงจรรูป2เป็นวงจรพื้นฐานของ FORWARD CONVERTER สังเกตเห็นว่าแรงดันอินพุทจะต้องมีขนาดแรงดันสูง แต่แรงดันเอาท์พุทเป็นระบบแรงดันต่ำไม่ได้มีการแยกส่วนออกจากกัน จึงเห็นอันตรายอย่างมาก โดยทั่วไปแล้วการแยกระบบทางไฟฟ้าระหว่างภาคอินพุทกับภาคเอาท์พุทออกจากกันนั้นนิยมใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเป็นตัวเชื่อมโยงและส่งถ่ายพลังงาน เนื่องจากการส่งถ่ายพลังงานของหม้อแปลงไฟฟ้าจะอยู่ในลักษณะที่ใช้สนามแม่เหล็กเป็นตัวกลาง ทำให้มีความปลอดภัยสู่ง ดังรูปที่ 6

[หน้าถัดไป]