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 ได้รับการไบแอสกลับจึงทำให้ไม่มีแรงดันตกคร่อมที่RLจนกระทั่งเมื่อสวิตช์ S เปิดวงจร (รูป1.b) ที่ขดลวดLเกิดการยุบตัวของสนามแม่เหล็กรอบขดลวดจ่ายพลังงานที่ถูกสะสมไว้ให้กับไดโอด D ซึ่งไดโอด D ได้รับการไบแอสตรงเกิดกระแสไหลมีทิศทางดังรูปและเป็นผลทำให้มีแรงดันตกคร่อมที่ RL ในลักษณะที่มีขั้วตรงกันข้ามกับขั้วแรงดันอินพุท จากการทำงานของวงจร จะเห็นได้ว่าเกิดกระแสเหนี่ยวนำทั้งที่ด้านอินพุทและด้านเอาท์พุทซึ่งถ้าสวิตช์ S ปิด-เปิดวงจรอย่างต่อเนื่องก็จะทำให้กระแสทั้งสองนี้มีลักษณะเป็นพัลส์ (PULSATING) สังเกตได้ว่าขดลวดจะเก็บสะสมพลังงานในช่วงเวลาที่สวิตช์ S เปิดวงจรนั่นเอง

FORWARD CONVERTER

          สำหรับวงจร FORWARD CONVERTER แสดงดังรูป 2 ซึ่งมีหลักการทำงานดังนี้ เมื่อสวิตช์ S ปิดวงจร (รูปที่2a) กระแสจะไหลผ่านขดลวด L และโหลด RL ตามทิศทางดังรูปสังเกตไดโอด D ขณะนี้ได้รับไบแอสกลับ จนกระทั่งสวิตช์ S เปิดวงจร (รูปที่2) เกิดการยุบตัวของสนามแม่เหล็กเกิดพลังงานทำให้ขณะนี้ไดโอด D ได้รับไบแอสตรงนำกระแสในทิศทางเดิมเกิดแรงดันตกคร่อม RL โดยมีขั้วเหมือนกับอินพุทจากการทำงานของวงจรจะพบว่า 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
Vce, max = Vin / ( 1 - dmax )

         เมื่อ Vin คือ แรงดันไฟตรงอินพุท dmax คือ ดิวตี้ไซเกิลสูงสุด (DUTY CYCLE) สมการที่1จะเป็นการบอกค่าของแรงดันคอลเลคเตอร์ในย่านที่ปลอดภัย ดิวตี้ไซเกิลจะต้องมีค่าต่ำ ปกติจะต่ำกว่า 50% (dmax < 0.5) ในทางปฏิบัติ dmax จะใช้ประมาณ 0.4 ซึ่งจะเป็นการจำกัดให้แรงดัน คอลเลคเตอร์สูงสุด Vce,max =< 2.2Vin ทรานซิสเตอร์ควรมีแรงดันไม่ต่ำกว่า800Vกระแสคอลเลคเตอร์ของทรานซิสเตอร์ขณะปิดวงจรคือ

Ic = IL / n

          เมื่อ          IL คือ กระแสด้านปฐมภูมิ
                         n คือ สัดส่วนจำนวนรอบของขดลวด
          พลังงานที่สะสมในโช้ค

Pout = [( LIL2 ) h ]/[2T]

          เมื่อ         h (eta) คือประสิทธิภาพของ CONVERTER แรงดันตกคร่อมหม้อแปลงอาจแทนได้เท่ากับ

Vin = Ldi /dt

          ถ้าสมมติให้ di = IL และ 1/dt = f / dmax ดังนั้นสมการที่ 4 จะเป็น

Vin = (fL IL)/ dmax

          หรือ

L = (Vin dmax)/(f IL)

          แทนสมการที่ 6 ลงในสมการที่ 3 จะได้

Pout = [( Vin f dmax IL 2) h ]/(2 f IL)

= 1/2 h Vindmax IL

          แก้สมการเพื่อหา IL

IL  = (2Pout) /(h Vin dmax )

          แทนสมการที่ 7 ลงในสมการที่ 2 ก็จะได้สมการกระแสคอลเลคเตอร์ในเทอมของกำลังเอาท์พุท

Ic = (2Pout)/ (h Vin dmax )

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

Ic = (6.2 Pout)/ Vin

การออกแบบหม้อแปลง/โช้คใน FLYBACK CONVERTER

          สิ่งที่ต้องระมัดระวังให้หม้อแปลง/โช้คเกิดการอิ่มตัว (SATURATE) ดังนั้นปริมาตรของหม้อแปลง/โช้ค หาได้จาก
Volume = (momc I2L, max Lout)/ B2max

          เมื่อ          IL, max         คือ กระแสโหลดสูงสุด
                        mo              คือ ค่าความซึมซาบของอากาศ (Permeability)
                        mc              คือ ค่าความซึมซาบของแกนวัสดุที่เลือกใช้
                         Bmax           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]