การออกแบบหม้อแปลงใน Push-Pull converter

____________________________ 
        เมื่อ  I_max = n V_out T /4L  คือ กระแส magnetizing
 

วงจร Push-Pull converter โดยใช้ทรานซิสเตอร์

________________________________        I_C = I_L/ n

        สำหรับ I_C ในเทอมกำลังเอาท์พุทจะเท่ากับ
_________________________________ 
        สมมติประสิทธิภาพของ Converter n = 80% และ dmax = 8.0 ดังนั้นกระแสคอลเลคเตอร์เท่ากับ
 

ข้อจำกัดที่น่าสนใจของ Push-Pull Converter

1. อัตราส่วนทนแรงดันของทรานซิสเตอร์ จะต้องมีค่าเป็นสองเท่าของแรงดันอินพุทรวมกับแรงดัน Leakage spike เนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำรั่วไหลของหม้อแปลง (Leakage inductance) ดังแสดงในรูป 

นั่นหมายความว่าทรานซิสเตอร์ในวงจรจะต้องสามารถทนแรงดันได้ไม่ต่ำกว่า 800 V (สำหรับ 220 Vac Line) ซึ่งจะเป็นปัญหามากใน converter ที่ต้องการกำลังสูงๆ เนื่องจากต้องใช้ทรานซิสเตอร์ที่ทนแรงดันและกระแสสูงซึ่งมีราคาแพง

        2. เกิดการอิ่มตัวของแกนหม้อแปลง ซึ่งในปัจจุบันแหล่งจ่ายไปตรงสวิตชิ่งนิยมใช้แกนเฟอร์ไรต์มาเป็นแกนของหม้อแปลง เนื่องจากมีการสูญเสียต่ำที่ความสูงๆ ตั้งแต่ 20 KHz ขึ้นไป แต่แกนเฟอร์ไรต์ก็มีข้อเสียคือง่ายต่อการอิ่มตัว เพราะแกนเฟอร์ไรต์จะเกิดการอิ่มตัวได้เพียงจ่ายไฟตรงไบแอสเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
        ปัญหาต่างๆของ Push-Pull converter อาจลดลงได้โดยใช้วงจร Half Bridge หรือ Full Bridge converter

วงจร Half Bridge converter

________________________ 

        โดยที่ไดโอด D1 ถึง D4 ทำหน้าที่เป็นวงจรเรียงกระแสเต็มรูปคลื่นแบบบริดจ์แปลงไฟสลับ 220 V เป็นไฟตรง 310 V (เมื่อใช้งานกับแรงดันไฟสลับอินพุท 220 V) และ D1 กับ C1 ,D3 กับ C2 ทำหน้าที่เป็นวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่น แปลงไฟสลับ 110 V เป็นไฟตรง 155 V (เมื่อใช้งานกับแรงดันไฟสลับอินพุท 110 V ) จะเห็นได้ว่าแรงดันตกคร่อมตัวเก็บประจุจะมีค่า 155 V_dc ตลอดไม่ว่าแรงดันไฟสลับอินพุทจะเท่ากับ 220 V_ac หรือ 110 V_ac ก็ตาม  จึงเป็นข้อดีที่วงจรสามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟสลับอินพุทสองระดับ
        เมื่อ Q1 ปิดวงจรปลายอีกด้านหนึ่งของหม้อแปลงจะต่ออยู่กับแรงดันบวกของชุดเรียงกระแส  ทำให้ได้แรงดันพัลส์เท่ากับ 155 V จนกระทั่ง Q1 เปิดวงจรและ Q2 ปิดวงจร  ขั้วของหม้อแปลงจะเปลี่ยนไปต่อกับแรงดันลบของชุดเรียงกระแสทำให้แรงดันพัลส์ลบ 155 V ผลจากการปิด-เปิดวงจรของทรานซิสเตอร์ Q1 และ Q2 ทำให้ได้รูปคลื่นไฟสลับรูปสี่เหลี่ยม (ดังรูป 3.10) มีแรงดันจากยอดถึงยอดเท่ากับ 310 V และถูกลดแรงดัน (Step down) เรียงกระแส และกรองแระแสออกมาเป็นแรงดันไฟตรงทางเอาท์พุท ในทางปฎิบัติใช้ทรานซิสเตอร์ทนแรงดันได้ 400 โวลท์ เนื่องจากแรงดันหม้อแปลงลดลงเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของแรงดันอินพุท และกระแสคอลเลคเตอร์เพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า ถ้าสมมติประสิทธิภาพของ converter เท่ากับ 70% และ dmax = 0.8 ดังนั้นกระแสคอลเลคเตอร์จะเท่ากับ
 
____________________________________ 

ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อ(Coupling capacitor)

_________________ 
            ในทางทฤษฎีนั้น กำหนดให้การเก็บประจุของตัวเก็บประจุเชื่อมต่อเป็นลักษณะเชิงเส้น และความถี่รีโซแนนท์ควรจะต่ำกว่าความถี่สวิตชิ่งของ converter แต่ในทางปฏิบัติจะสมมติให้ความถี่รีโซแนนท์ประมาณหนึ่งในสี่ของความถี่รีโซแนนท์ประมาณหนึ่งในสี่ของควาามถี่สวิทชิ่ง ดังสมการข้างล่าง
  f_r = 0.25 f_s
            เมื่อ f_s คือความถี่สวิตชิ่งของ converter, kHz
            ยังมีค่าที่สำคัญอีกค่าหนึ่งในการวิเคราะห์ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อนั่นก็คือแรงดันที่ตัวเก็บประจุที่ผ่านมาพบว่าตัวเก็บประจุจะเก็บประจุ และคายประจุทุกๆ ครึ่งไซเกิลมีค่าเท่ากับ V_in/2 และแรงดันตกคร่องตัวเก็บประจุขณะเก็บประจุ จะได้
 
 _____
            เมื่อ   I คือ กระแสเฉลี่ยที่ขดปฐมภูมิ ,A
                    C คือ ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อ ,mF
                    dt คือ ช่วงระยะเวลาที่ตัวเก็บประจุกำลังเก็บประจุ , ms
            ซึ่งระยะเวลาที่ตัวเก็บประจุกำลังเก็บประจุนั้นหาได้จาก
 
_____ 
            และ  T=1/f_s
            เมื่อ  T คือ คาบเวลาการสวิตชิ่ง , mS
                    dmax คือ ดิวตี้ไซเคิล
                    f_s  คือ ความถี่การสวิตชิ่ง , kHz
            ถ้า converter มีความถี่ 20 kHz และดิวตี้ไซเกิล 0.8 (80%) ดังนั้นช่วงเวลาการเก็บประจุจะเท่ากับ 20 us
            แรงดันประจุ Vc จะเป็นค่าที่ใชัได้ตั้งแต่ 10 ถึง 20 เปอร์เซนต์ของ V_in/2 ถ้า V_in/2 เท่ากับ 155 ดังนั้น Vc ก็จะอยู่ในย่าน 15 V ถึง 30 V แต่ถ้าแรงดัน Vc ไม่ได้อยู่ในย่านแรงดันที่กำหนดก็จะต้องหาค่าความเก็บประจุที่ดีที่สุดจาก
______
            เมื่อ  I คือ กระแสเฉลี่ยขดปฐมภูมิ , A
                    dt คือ ช่วงเวลาขณะเก็บประจุ , us
                    dVc คือ ตัวเลขระหว่าง 15 ถึง 30 V

วงจร Full Bridge converter

        ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์สองชุด ชุดที่หนึ่ง (Q1 กับ Q4) จะทำงานตรงกันข้ามกับชุดที่สอง (Q3 และ Q2) และทรานซิสเตอร์ในแต่ละชุดจะยังคงทำงานในจังหวะเดียวกัน
        ผลการปิด-เปิดวงจรของทรานซิสเตอร์ทั้งสองชุดทำให้แรงดันหม้อแปลงด้านปฐมภูมิ มีค่าระหว่าง +Vin กับ -Vin
ดังนั้นแรงดันตกคร่อมทรานซิสเตอร์ ขณะเปิดวงจรก็จะไม่มีทางเกินกว่า Vin อย่างแน่นอน และกระแสคอลเลคเตอร์ที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์ขณะปิดวงจรก็จะลดลงครึ่งหนึ่ง เมื่อเทียบกับ Half bridge converter ด้วย
        ดังนั้น Full bridge converter จึงจำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์ถึงสี่ตัวและใช้วงจรขับเบสที่มีระบบแยกกราวนด์ เพื่อขับเบสของทรานซิสเตอร์แต่ละชุด
        สมมติประสิทธิภาพของ converter ชนิดนี้เท่ากับ 80 เปอร์เซนต์ และมีดิวตี้ไซเคิล 0.8 ดังนั้น

        เนื่องจาก Full bridge converter นั้นพัฒนามาจาก Half bridge converter ดังนั้นสูตรที่ใช้ในการคำนวณหาค่าต่างๆของอุปกรณ์ที่จำเป็น จึงสามารถใช้สูตรการคำนวณเดียวกันได้
 
 

บทสรุป

เอกสารอ้างอิง

• แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง  โดย สมบูรญ์  มาลานนท์