Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
บทท 1 บทน า
คอนเวอรเตอรนบเปนสวนส าคญทสดในสวตชงเพาเวอรซพพลาย มหนาทลดทอนแรงดนไฟตรงคาสงลงมาเปนไฟตรงคาต าและสามารถคงคาแรงดนได คอนเวอรเตอรมหลายแบบขนอยกบลกษณะการจดวงจรภายในส าหรบคอนเวอรเตอรทไดจดท านนมการประยกตมาจาก ฮาลฟบรดจคอนเวอรเตอรโดยการน าวงจรสามระดบมาประยกตใชจะท าใหแรงดนทอปกรณสวตชมคาเพยงครงหนงของแรงดนอนพทและจะท างานไดเทยบเทาวงจรปกต
1.1 ความส าคญของปญหา
คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบมาประยกตใชในคอนเวอรเตอรจะท าใหแรงดนท อปกรณสวตชมคาเพยงครงหนงของแรงดนอนพท การทแรงดนอปกรณสวตชมคาต าลง ท าใหสามารถเลอกใชอปกรณทวไปไดงายและมราคาถก จงท าใหเกดแนวคดทจะท าชดคอนเวอรเตอรนขนและยงสามารถลดตนทนของอปกรณได
1.2 วตถประสงคของโครงงาน
1. เพอศกษาการออกแบบและสรางชดคอนเวอรเตอร 2. เพอลดแรงดนทอปกรณสวตช 3. เพอลดตนทนของอปกรณ 4. เพอใหเกดทกษะในดานตางๆจากโครงงานวศวกรรม
1.3 ขอบเขตของโครงงาน
1. ออกแบบและ สรางชดคอนเวอรเตอรทมขนาด 1000 วตต 2. คอนเวอรเตอรมความถทสวตช 50 kHz 3. มแรงดนอนพท 540 โวลท
2
1.4 ประโยชนของโครงงาน
1. สามารถน าวงจรไปประยกตใชกบแรงดนอนพททมคาแรงดนสงๆได 2. สามารถหาอปกรณสวตชไดงาย เนองจากมคาแรงดนสวตชต ากวาปกต 3. มทศนคตในการท างานรวมกนเปนกลม
1.5 โครงสรางของโครงงาน
380 Vac
3 540 Vdc
ภาพท 1.1 ขนตอนการท างานของชดคอนเวอรเตอร
3
1.6 แผนการด าเนนงานโครงงาน
ตารางท 1.1 รายละเอยดและขนตอนการวางแผนด าเนนงานโครงงานวศวกรรม
ล าดบ รายละเอยด EEG491 EEG492
ธ.ค.
ม.ค.
ก.พ
. ม.ค.
เม
.ย.
ก.ค.
ส.ค.
ก.ย
. ต.ค.
พ.ย.
1 ศกษาทฤษฎทเกยวของกบโครงงาน
2 ค านวณหาขนาดของอปกรณ 3 จดสรางชดควบคม 4 จดสรางชด คอนเวอรเตอร 5 ทดสอบชดทดลอง 6 ทดลองและแกไข 7 ปรบแตงและน าเสนอ
1.7 งบประมาณของโครงงาน งบประมาณโดยประมาณ 10,000 บาท
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
2.1 ชนดของวงจรคอนเวอรเตอร [1]
วงจรคอนเวอรเตอรทใชในการออกแบบแหลงจายไฟตรงสวตชงนน จะมชอเรยกตางๆกนตามนกคนควาวจยหรอตามต าราตางๆ แตหลกการพนฐานของวงจรคอนเวอรเตอร เหลานแบงออกได เปน 5 ชนดดวยกนคอ
1.ฟลายแบคคอนเวอรเตอร Flyback Converter 2.ฟอรเวรคคอนเวอรเตอร Forward Converter 3.พช-พลคอนเวอรเตอร Push-Pull Converter 4.ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอร Half-Bridge Converter 5.ฟล-บรดจคอนเวอรเตอร Full Bridge Converter
2.1.1 ฟลายแบคคอนเวอรเตอร (Flyback Converter) ฟลายแบคคอนเวอรเตอรเปนคอนเวอรเตอรทสามารถใหก าลงงานไดไมสงนกโดยอยในชวงไมเกน150วตตและใหคาสญญารบกวน RFI/EMI คอนขางสงแตใชอปกรณจ านวนนอยและมราคาคอนขางถก
ภาพท 2.1 ฟลายแบคคอนเวอรเตอร
(a) เมอสวตชปดวงจร
(b) เมอสวตชเปดวงจร
5
จากภาพท 2.1 แสดงวงจร ฟลายแบคคอนเวอรเตอรซงมหลกการท างานดงนคอ เมอสวตช S ปดวงจร (ภาพท 2.1 a) กระแสจะไหลผานขดลวด L เพอสะสมพลงงาน ในขณะทไดโอด D ไดรบการไบแอสกลบ จงท าใหไมมแรงดนตกครอมท RL จนกระทงเมอสวตช S เปดวงจร (ภาพท 2.1 b) ทขดลวด L เกดการยบตวของสนามแมเหลกรอบขดลวด จายพลงงานทถกสะสมไวใหกบไดโอด D ซงขณะนไดโอด D ไดรบไบแอสตรงเกดกระแสไหลมทศทางดงรปและเปนผลท าใหเกดแรงดนตกครอมท RL ในลกษณะทมขวตรงกนขามกบขวของแรงดนอนพท จากการท างานของวงจรจะเหนไดวาเกดกระแสเหนยวน าทงทดานอนพทและดานเอาทพท ซงถาสวตช S ปด -เปดวงจรอยางตอเนองกจะท าใหกระแสทงสองนมลกษณะเปนพลส ( PULSATING) สงเกตไดวาขดลวดจะสะสมพลงงานในชวงเวลาทสวตช S ปดวงจรและจายพลงงานทสะสมไวใหกบโหลดในชวงเวลาทสวตช S เปดวงจรนนเอง
2.1.2 ฟอรเวรคคอนเวอรเตอร (Forward Converter) ฟอรเวรคคอนเวอรเตอร ใหก าลงงานไดในชวงเดยวกนกบฟลายแบคคอนเวอรเตอรแตกระแสทไดนนจะมการกระเพอมต ากวาอยางไรกตามตวอปกรณทเพมเขามาจะท าใหฟอรเวรคคอนเวอรเตอรนนมราคาสงกวา
ภาพท 2.2 ฟอรเวรคคอนเวอรเตอร
6
ส าหรบวงจรฟอรเวรคคอนเวอรเตอร แสดงดงภาพท 2.2 ซงมหลกการท างานดงน เมอสวตช S ปดวงจร ( ภาพท 2.2 a) กระแสจะไหลผานขดลวด L และโหลด RL ตามทศทางดงรป สงเกตไดโอด D ขณะนไดรบไบแอสกลบ จนกระทงสวตช S เปดวงจร (ภาพท 2.2 b) เกดการยบตวของสนามแมเหลก เกดพลงงานท าใหขณะนไดโอด D ไดรบไบแอสตรงน ากระแสในทศทางเดมเกดแรงดนตกครอม RL โดยมขวเหมอนกบอนพท จากการท างานของวงจรจะพบวาถาสวตช S มการปด-เปดวงจรอยางตอเนอง จะท าใหกระแสทเอาทพทมแนวโนมทจะไหลไดตอเนองในสวนของไดโอด D ในวงจรนน โดยทวไปจะเรยกวา “Free-Wheeling Diode”
2.1.3 พช - พลคอนเวอรเตอร (Push-Pull Converter) พช-พลคอนเวอรเตอรเปนคอนเวอรเตอรทสามารถจายก าลงงานไดสงตงแต 500 วตตขนไปแตมขอเสยคอมกเกดการไมสมมาตรฟลกซแมเหลกของแกนหมอแปลงซงจะผลตอการพงเสยหายของเพาเวอรทรานซสเตอรไดงาย อยางไรกตาม ในปจจบนเทคนคการควบคมกระแสจะท าใหลดปญหานไดลงดงนนพช -พลคอนเวอรเตอรทนาสนใจส าหรบสวตชงเพาเวอรชพพลายทตองการก าลงงานสง ๆ
ภาพท 2.3 พช-พลคอนเวอรเตอร
จากภาพท2.3จะแสดงวงจรคอนเวอรเตอรแบบพช-พลซงโดยแทจรงแลวกจะประกอบไปดวยฟอรเวรคคอนเวอรเตอร 2 ชด ท างานสลบกนในลกษณะ พช -พล โดยทสวตช S1,S2 จะสลบกนปดเปดท างานตรงกนขาม
7
2.1.4 ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอร (Half-Bridge Converter) ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอรจดเปนคอนเวอรเตอรตระกลเดยวกบพช -พลคอนเวอรเตอร และใหก าลงคอนขางสงขอดกคอเพาเวอรทรานซสเตอรในวงจรมคาแรงดนตกครอมขณะไมน ากระแสนอยกวาคอนเวอรเตอรทง3แบบและลดการเกดไมสมมาตรฟลกซได
+
_Vin
L
RLC
C1
C2
C3
D1
D2
D3
D4
ภาพท 2.4 ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอร
จากภาพท2.4จะเหนไดวาหากเพาเวอรทรานซสเตอรตวใดตวหนงน ากระแส คาแรงดนตกครอมเพาเวอรทรานซสเตอรตวทเหลอจะมคาเพยงแรงดนอนพตเทานน เมอ Q1 และQ2 สลบกนกระแสผลทไดจะมลกษณะเดยวกบการท างานของพช-พลคอนเวอรเตอร ยกเวนคาแรงดนตกครอมขณะท างานของขดไพรมารจะมคาเพยงครงหนงของแรงดนอนพต เนองจากผลของการตอตวเกบประจ C1 และ C2 เพอแบงครงแรงดน กระแสทไหลผานขดไพรมารจงมคาสง ซงเปนการจ ากดก าลงงานสงสดของคอนเวอรเตอร โดยก าลงงานสงสดทฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอรสามารถท าไดจะอยในชวงไมเกน500 วตต
8
2.1.5 ฟล-บรดจคอนเวอรเตอร (Full-Bridge Converter) ฟล-บรดจคอนเวอรเตอร ในขณะทท างานจะมแรงดนตกครอมขดไพรมารเทากบแรงดนอนพทแตแรงดนตกครอมเพาเวอรทรานซสเตอรจะมคาเพยงครงหนงของแรงดนอนพทเทานนและคากระแสสงสดทเพาเวอรทรานซสเตอรแตละตวนนจะมคาเปนเพยงครงหนงของคากระแสสงสดใน ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอรทก าลงขาออกเทากน เนองจากขอจ ากดดานเพาเวอรทรานซสเตอรจะลดนอยลงไปก าลงงานสงสดทจะไดจากฟล-บรดจคอนเวอรเตอรจง จะมคาไดตงแต 500 วตตจนถง1, 000 วตต
RL
L
CC1
D1
D2
D3
D4
Vin
D6
D5
+
_
ภาพท 2.5 ฟล-บรดจคอนเวอรเตอร
จาก ภาพท2.5จะเหนไดวามเพาเวอรทรานซสเตอรในวงจรทงหมดถง4 ตวแตจะท างานสลบกนเปนคๆ โดย ท Q1 จะน ากระแสพรอมกบ Q4 และ Q2 จะน ากระแสพรอมกบ Q3กระแสทไหล ผานขดไพรมารของหมอแปลงจะมลกษณะเชนเดยวกบ วงจร ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอรแตขอ ไดเปรยบของฟล-บรดจคอนเวอรเตอรกคอขณะท างานทขดไพรมารจะมแรงดนตกครอม เทากบคาแรงอนพทกระแสไหล ทผานขดไพรมารจง จะ มคาต ากวาฟล-บรดจคอนเวอรเตอรจง จะสามารถจายก าลงงานไดสงกวาดงนนสวตชงเพาเวอรชพพลายทตองการก าลงงาน ทสงๆตงแต 500 วตต ถง 1 , 000 วตต นน จงมก จะนยมใชคอนเวอรเตอรแบบฟล-บรดจ
9
2.2 มอสเฟทก าลง [1][3]
มอสเฟทเปนอปกรณทควบคมดวยแรงดน และตองการกระแสอนพทต ามากๆ ความเรวในการสวตชงสง เวลาในการสวตชงต ามากเปนนาโนวนาท มอสเฟทก าลงไดถกน าไปประยกตใชในงานดานคอนเวอรเตอร ทก าลงต า ความถสง มอสเฟทไมมปญหาเกยวกบปรากฏการณ Second breakdown เหมอนกบทรานซสเตอร แตอยางไรกตามมอสเฟทกมปญหาเกยวกบไฟฟาสถตและตองการการเกบรกษาอยางเปนพเศษ
ภาพท 2.6 มอสเฟทมดวยกน 2 ชนด
มอสเฟทมดวยกน 2 ชนดคอ (1) depletion MOSFET และ (2) enhancement MOSFET depletion MOSFET แบบ n-channel จะมโครงสรางทเปนชนสารซลคอนชนด p-type ดงภาพท 2.6 (a) และซลคอนแบบ n+ ซงมความตานทานต า เกทจะถกแยกทางไฟฟาออกจาก channel ดวยชนของออกไซดบางๆ ขาทงสามของมอสเฟทมชอเรยกวา เกท ( Gate) เดรน ( Drain) และซอรส (Source) แรงดนทเกทกบซอรส (VGS) นนจะเปนบวกหรอลบกได ถา VGS เปนลบ อเลกตรอนบางสวนในพนทของ n-channel จะถกผลกออกไปและบรเวณปลอดพาหะจะถกสรางขนทดานลาง
10
ของชนของออกไซดเปนผลท าให channel แคบลงความตานทานระหวางเดรนและซอรส (RDS) จะสงขน ถา VGS มคาเปนลบมากพอทจะท าให channel ปลอดพาหะอยางสมบรณซงท าให RDS มคาสงขนจนไมมกระแสไหลจากเดรนไปยงซอรส IDS = 0 แลว แรงดน VGS ดงกลาวเรยกวา pinch-off voltage, VP เมอ VGS มคาเปนบวก channel จะเรมกวางมากขน IDS เพมขนเนองจาก RDS ลดลง ส าหรบใน depletion MOSFET แบบ p-channel จะมขวของ VDS , IDS และ VGS ทตรงกนขามกบ n-channel ใน enhancement MOSFET แบบ n-channel นนจะไมม channel ดงภาพท 2.6 ถา VGS เปนบวกอเลกตรอนจะถกดดจาก p-type substrate ไปสะสมทบรเวณผวของออกไซด ถา VGS มคามากกวาหรอเทากบ threshold voltage, VT แลว อเลกตรอนทสะสมจะมปรมาณมากพอทจะท าใหเกด n-channel เสมอนขน และท าใหกระแสไหลจากเดรนไปยงซอรสได ส าหรบใน p-channel enhancement MOSFET สภาพขวของ VDS , IDS และ VGS จะตรงกนขามกบ n-channel 2.2.1 ลกษณะสมบตทสภาวะ STEADY STATE ของมอสเฟท มอสเฟทเปนอปกรณทควบคมไดดวยแรงดน มคาอนพทอมพแดนซสงมากท าใหกระแสเกทไหลต ามากเปนนาโนแอมแปร อตราการขยายกระแสซงเปนอตราสวนระหวาง กระแสเดรน ID กบกระแสเกท IG โดยทวไปแลวจะมคาสงถง 109 อยางไรกตามอตราการขยายกระแสไมไดเปนพารามเตอรทส าคญ คาทรานสคอนดกแตนซซงเปนอตราสวนของกระแสเดรนและแรงดนเกทจะเปนพารามเตอรทส าคญกวา ลกษณะการโอนยายของมอสเฟทแบบ n-channel และ p-channel แสดงดงภาพท 2.6 และ 2.7 จะเปนลกษณะสมบตทางเอาทพทของ enhancement MOSFET แบบ n-channel ซงจะมการท างานใน 3 บรเวณ คอ ( 1) บรเวณ cut-off เมอ VGS < VT (2) บรเวณอมตวหรอ pinch-off เมอ VDS > (VGS – VT ) และ (3) บรเวณเชงเสนเมอ VDS > (VGS – VT )
11
ภาพท 2.7 สภาวะของมอสเฟท
การ pinch-off จะเกดขนเมอ VDS = VGS – VT ในบรเวณเชงเสน กระแส ID จะเปลยนไปโดยเปนสดสวนกบแรงดน VDS เนองจากกระแสเดรนทสงและแรงดนต า ท าใหมอสเฟทก าลงท างานไดทเชงเสนส าหรบการสวตชงในบรเวณอมตวกระแสเดรนจะมคาคงทเมอแรงดน VDSเพมขน ในบรเวณนนมอสเฟทจะถกน าไปใชในการขยายแรงดน มอสเฟททง depletion-type และ enhancement-type จะมโมเดลท Steady state ดงภาพท 2.8 คาทรานคอนดกแตนซ gm หาไดดงน
gm = GS
D
ΔV
ΔIDSV = constant (2.1)
ความตานทานดานเอาทพท OR = RDS หาไดจาก
RDS = D
DS
ΔI
ΔV (2.2)
12
RDS ในบรเวณ pinch-off จะมคาสงกวาเปนเมกกะโอหม และในบรเวณเชงเสนจะมคาต ามากเปนมลลโอหม
ภาพท 2.8 ลกษณะสมบตโอนยายของมอสเฟท
ภาพท 2.9 ลกษณะสมบตทางเอาทพทของ Enhancement-type MOSFET
ส าหรบ Depletion MOSFET จะท างานทแรงดนเกทเปนบวกหรอลบกไดแต Enhancement MOSFET จะตอบสนองทแรงดนเกทเปนบวกเทานน มอสเฟทก าลงทใชโดยทวๆ ไปจะเปนชนด Enhancement-Type อยางไรกตาม Depletion-Type MOSFET กยงมการประยกตใชในการออกแบบทางลอจกทตองการเขากนไดกบสวตช DC หรอ AC ซงยงคงท างานอยได เมอแหลงจายลอจกตกลงจน VGS เปนศนย
13
2.2.2 ลกษณะสมบตการสวตชง ถาปราศจากสญญาณทเกท Enhancement-type MOSFET จะถกพจารณาเปนไดโอด 2 ตวตอเปนทรานซสเตอรชนด npn โครงสรางของเกทจะมคาความจไฟฟาแฝงกบซอรส Cgs และกบเดรน Cgd ทรานซสเตอรจะมรอยตอไบแอสกลบจากเดรนไปยงซอรสและมคาความจไฟฟา Cds
ภาพท 2.10 โมเดลการสวตชงท Steady State ของมอสเฟท
โมเดลสวตชงของมอสเฟทแสดงดงรปท 2.11 รปสญญาณในการสวตชงแสดงดงภาพท 2.12
ภาพท 2.11 โมเดลสวตชงของมอสเฟท
จากภาพท 2.11 Turn-On Delay Time, td(on) เปนเวลาทใชในการประจ Cgs จนแรงดนถงระดบ threshold voltage rise time, tr เปนเวลาทใชในการประจเกทจากแรงดนท Threshold Voltage จนถงแรงดนเกทสงสดซง จะใชในการขบมอสเฟทใหอยในบรเวณเชงเสน Turn-Off Delay Time, td(off) เปนเวลาทใชในการคายประจเกทจากระดบแรงดนเกท V1 จนมอสเฟทท างานทบรเวณ Pinch-Off Fall Time, tt เปนเวลาทใชในการคายประจเกทจากบรเวณ Pinch-Off จนแรงดนถงระดบ Threshold-Voltage ถา VGS < VT มอสเฟทจะหยดน ากระแส
14
ภาพท 2.12 รปสญญาณในการสวตชงของมอสเฟท
2.2.3 พารามเตอรในการท างานของมอสเฟท จากกราฟของ ID เทยบกบ VDS ทคา VGS ตางๆ กนดงภาพท 2.13 จากกราฟแรงดน Threshold Voltage , VT จะมคาเทากบ 4 V และในการท าใหแรงดน VGS มคาคงทไวท าใหกระแส ID มคาเกอบจะคงท ทบรเวณ Pinch-Off เนองจากความตานทานในขณะท างาน On-State
Resistance (RDS = D
DS
ΔI
ΔV ) มคาโดยประมาณคงท
ภาพท 2.13 ลกษณะสมบตทางเอาทพท
15
Tranfer Characteristic เปนกราฟของ ID เทยบกบ VGS ซงแสดงดงภาพท 2.14
ภาพท 2.14 ลกษณะสมบตโอนยาย Transconductance, gm เปนคาทไดจาก Tranfer characteristic ดงภาพท 2.15
ภาพท 2.15 คาทรานสคอนดกแตนซเทยบกบกระแสเดรน
16
ลกษณะสมบตเชงเสน Linear Characteristic เปนลกษณะสมบตทางเอาทพททคา VDS ต าๆ ซงเปนสงส าคญส าหรบน าไปใชในงานสวตชง จากการท VDS มคาต าในบรเวณเชงเสนจงมกจะก าหนดเปนลกษณะสมบตอมตว Saturation Characteristic ดงภาพท 2.16
ภาพท 2.16 ลกษณะสมบตอมตว ความตานทานขณะท างาน On-State Resistance, RDS คา RDS เปนการแสดงถงการสนเปลองก าลงไฟฟาในขณะทมอสเฟทน ากระแส RDS จะเพมขนอยางเปนเชงเสนเมออณหภมทรอยตอ , TJ เพมขนดงภาพท 2.17 การเพมขนของ RDS ทคา ID และ VDS ตางๆ กน ดงภาพท 2.18 จะไมเปนเชงเสน ก าลงไฟฟาสนเปลอง PD = RDSID
2 = VDSID ซงจะมคาลดลง เมออณหภมทตวถงเพมขน ดงภาพท 2.19
ภาพท 2.17 คาความตานทานขณะท างานเทยบกบอณหภมทรอยตอ
17
ภาพท 2.18 คาความตานทานขณะท างานเทยบกบกระแสเดรน
ภาพท 2.19 คาก าลงไฟฟาสญเสยเทยบกบอณหภมทตวถง พนทการท างานทปลอดภย Safe Operating Area, SOA แสดงดงภาพท 2.20 ซงจะแสดงถงคาของ ID สงสดกบคาของ VDS สงสด ในขณะทมอสเฟทสวตชปดวงจร และสวตชเปดวงจร โดยจะเปนขดจ ากดทางอณหภม ส าหรบมอสเฟทจะไมมปรากฏการณ Second Breakdown แตจะมขอจ ากดของกระแส ID ทคา VDS ต าๆ เนองจากความตานทานในขณะท างานเพมขน ส าหรบการท างานในชวงสนๆ ขอบเขตของ SOA จะกวางขนคอ VDS กบ ID มคามากขนนนเอง โดยปกต SOA จะก าหนดไวท T = 150 ๐C
18
ภาพท 2.20 พนทการท างานทปลอดภยทสด
2.3 การควบคมระดบแรงดนแบบ PWM [3] การควบคมความกวางพลส (Pulse Width Modulated , PWM) ในการควบคมแรงดนใหคงทของแหลงจายไฟสวตชงโดยทวไปจะใชเทคนคการควบคมความกวางพลส (PWM)ซงเปนการควบคมโดยเปลยนแปลงชวงเวลาทอปกรณสวตชอเลกทรอนกส เชน ทรานซสเตอร , มอสเฟท หรออนๆ นนน ากระแส เปนผลใหเกดการควบคมแรงดนทเอาทพทใหไดคาทตองการ ซงขอดของการควบคมแรงดนแบบ PWM คอ สามารถรกษาระดบแรงดนใหมความคงทสง เพราะมการปอนกลบระดบแรงดนจากเอาทพทมาใชในการควบคมดวย รวมทงท าใหเกดความสญเสยก าลงงานในการควบคมแรงดนต าสงผลใหมเสถยรภาพตอการเปลยนแปลงของอณหภมขณะใชงานสง ลกษณะการท างานของ PWM โดยทวไปมอย 3 ลกษณะ คอ
1. เปลยนแปลงทงความถ และความกวางของพลส (Variation Of Both Frequency and Pulse Width)
2. เปลยนแปลงความถ โดยความกวางของพลสคงท (Constant Pulse Width With Variable Frequency)
3. เปลยนแปลงความกวางของพลสโดยทความถคงท (Constant Frequency With Variable Pulse Width)
19
การท างานทง 3 ลกษณะนมขอดขอเสยทแตกตางกนไป การท างานในลกษณะท 2 และ 3 จะดกวาการท างานในลกษณะท 1 เนองจะสามารถก าหนดความถหรอชวงเวลา ton ทจะท าใหสวตชงเรกกเลเตอร ท างานไดอยางมประสทธภาพสงสดไดแตแบบท 1 นนความถและความกวางของพลสก าหนดขนเองจากวงจรจงอาจจะไมใชความถทเหมาะสมทสดส าหรบการท างานกได ดงนนวงจร PWM สวนใหญจงใชการท างานในลกษณะท 2 หรอลกษณะท 3 เสยเปนสวนใหญ ในปจจบนวงจร PWM ไดถกพฒนาใหเปนวงจรส าเรจรปใน ไอซ ตวเดยวเหมาะส าหรบใชงานในดานแหลงจายไฟโดยเฉพาะ ซงการใชงานของ ไอซ เหลานสามารถใชงานไดงาย โดยตออปกรณเพมเตมภายนอกเพยงเลกนอย เพอใชเปนตวก าหนดจดท างานของ PWM นน เพอใหการท างานของแหลงจายไฟตรงสวตชงมความสมบรณมากขน อาจจะเพมเตมวงจรส าหรบระบบตางๆ เชน วงจรเปรยบเทยบส าหรบปองกนกระแสหรอแรงดนเกน
2.3.1 หนาทของวงจร (Pulse Width Modulated , PWM) หนาทของวงจร Pulse Width Modulation (PWM) กคอ ท าการเปลยนคาแรงดนไฟฟาดานออกของวงจรขยายความคลาดเคลอนทถกชดเชย (วงจรขยายความผดพลาดทไดชดเชยแลว) ใหกลายเปนคาดวตไซเคลเพอไปขบขาเกทของสวตช แรงดนไฟฟาดานออกของวงจร (VC) จะถกน าไปเปรยบเทยบกบสญญาณรปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) ทมขนาดเทากบ VP ดงแสดงในภาพท 2. 21 แรงดนไฟฟาดานออกมวงจร PWM เมอแรงดนไฟฟา VC มคามากกวาแรงดนไฟฟาของสญญาณรปคลนฟนเลอย และจะมคาเทากบศนย เมอแรงดนไฟฟา VC มคานอยกวาแรงดนไฟฟาของสญญาณรปฟนเลอย ในกรณทแรงดนไฟฟาดานออกของวงจรคอนเวอรเตอรมคาลดต ากวาแรงดนไฟฟาอางอง แรงดนไฟฟาคลาดเคลอนทไดจากการเปรยบเทยบระหวางแรงดนไฟฟาทงสองคาจะมคาเพมขน เปนผลท าใหแรงดนไฟฟา VC มคาเพมขน ท าใหคาดวตไซเคลมคาเพมขน และดวยคาดวตไซเคลทเพมขนจะสงผลใหแรงดนไฟฟาดานออกของวงจร คอนเวอรเตอร มคาเพมขน จนกระทงไดคาแรงดนคลาดเคลอนเทากบทออกแบบ และในท านองกลบกนกรณทแรงดนไฟฟาดานออกของวงจร คอนเวอรเตอร มคาเพมขน จะเปนผลท าใหคาดวตไซเคลจะมคาลดลง
20
ภาพท 2.21 กระบวนการ PWM จะมคาแรงดนดานออกกตอเมอแรงดน VC ทออกจากวงจรขยาย
ความคลาดเคลอนทถกชดเชย มคาสงกวาคาของสญญาณรปสามเหลยม
2.4 คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ (Three Level Half-Bridge Converters) คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ โดยคอนเวอรเตอรใชตวเกบประจในสวน
เบองตนเพอไปยงการควบคมเลอนเฟส และในหนทางนไดรบ ส าหรบสวตชทงหมดเบองตนของการทดลองชดวงจร คอนเวอรเตอรถกวเคราะหและสรป ไดวาตนแบบ ในการทดลอง มก าลงไฟฟา 1000 วตต และความถ 50 กโลเฮรตซโครงงานนจะใชวธการทางเทคนคตางๆ
เพอจะเปนสภาวะความส าคญส าหรบการด าเนนการในขนตอไปของระบบพลงงานทไดรบจากแหลงจายไฟฟาสามเฟสส าหรบการประยกตใชในความถ ระดบสง เครองมอทใชในการแกไขและเสรมสวตชในงานทใชไฟฟาสามเฟสเปนทนาสนใจส าหรบในสภาวะสามารถยนยอมกบมาตรฐานทกลาวมาแล วจะมความเรยบงาย และมประสทธภาพ แตอยางไรกตามเพอทจะลดกา รกระเพอมของคลนฮารโมนคในเครองมอทใชในการแกไขเสรมสวตชเดยวในแรงดนไฟฟาสามเฟสทออกมาจะมการเพมการตอบรบแรงดนทเขา ดงนนการเพมขนในแรงดนเขาเพมแรงดนผานเขาในวงจรคอนเวอรเตอร ฮาลฟบรดจแบบสามระดบ ส าหรบก าลง งานทไดในระดบน คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ มกจะถกด าเนนการกบโครงสรางวงจรฟลบรดจ ในกรณนสวตชแตละตวจะเพมแรงดนไดเตมทในระดบแรงดนน จะมใช มอสเฟท หมอแปลงทมระดบความถสง อาจจะเพมการสญเสยของวงจรคอนเวอรเตอร ฮาลฟบรดจแบบสามระดบ หนาทระดบ ก าลงงานขนาดนเปนการใชอปกรณทม การทนแรงดนไดสงๆ แตอยางไรกตามในกรณนความถในการเปดปดตองลดลงและดวยเหตนก าลงงานของคอนเวอรเตอร จะขนอยกบการจดวงจรภายใน
21
เรองนแสดงถงคอนเวอรเตอร ฮาลฟบรดจแบบสามระดบ การเปดปดกระแสซงคงลกษณะเฉพาะเพอลดแรงดน ทผานสวตชหลก ใหการด าเนนการส าหรบสวตชทงหมดและการควบคมโดยการใชตวควบคมเลอนเฟสทรจกกนด สวนการทดลองและการวเคราะหของการท างานของวงจรคอนเวอรเตอร ภายหลงจะมผลการทดลองของ คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ
2.4.1 คอนเวอรเตอร DC/DC สามระดบ ในสวนน การปฏบตการพนฐานของคอนเวอรเตอร ฮาลฟบรดจแบบสามระดบ ถกน ามาแสดงใหด คอนเวอรเตอรและไดอะแกรมเวลาแสดงในภาพท 2.22 ตามล าดบจะเหนไดวาโครงสราง คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระด บในความแตกตางหลกการรวมของเครองมอการสะสมประจไฟฟา Css เพออนญาตการปฏบตการส าหรบสวตชทงหมดกบการควบคมเลอนเฟส คอนเวอรเตอรม 6 สภาวะของการปฏบตการระหวางวงจรสวตชแบบครง อยางทถกอางถงกอนหนาน วงจรใชตวควบคมชพเฟสในสวตชทงหมดทด าเนนการกบวงจรการท างาน 50% หรอใกลเคยง เมอมการเลอนเฟสระหวาง S1 และ S2 หรอ S3 และ S4 ถกก าหนดใหด าเนนการของวงจรคอนเวอรเตอร วงจรทเทาเทยมกนส าหรบสภาวะอนๆของการทดลองดงแสดงในภาพท 2.22
RL
Vin+
_
Vo
S1
S2
S3
S4
Cdc1
Cdc2
Dc1
Dc2
D2
D3
D4
Cs1
Cs2
Cs3
Cs4
C
L out put
C out put
+
_
D1
ภาพท 2.22 สภาวะของการปฏบตการระหวางวงจรสวตชแบบครง
22
t1 t2 t3 t4 t5 t6
S1
S2 S3
S4 S1
t0
ภาพท 2.22 (ตอ) [t0-t1] : ในสภาวะท S1,S2,S3,S4 Open ไฟทจาย Vin 540vdc จะไมไหลผาน S1,S2,S3,S4 ไปไดไฟจะไหลผาน Cd1 ลงไป Cd2 แลววงเขาทขวลบ เปนการท างานทครบวงจร [t1-t2] : เมอ S1 Onไฟจะเขามาทางดาน Vin 540Vdc จะไหลผาน S1 แตจะไมไหลผาน S2 เพราะ S2 ไมได On Switch ไฟจะไหลจาก S1 ลงมายง C ไหลผานมาถงขวของ S4 และ S3 แตไ มสามารถไหลผาน S4 , S3 ไดเพราะ S4 , S3 ไมไดOn แตเมอ S2 On ไฟจะไหลผาน จาก S1เขา S2ไหลผานไปยงหมอแปลงความถสงดานบวกแลวออกดานลบไหลผาน Cd1และ Cd2 ในสภาวะน Cd1 และ Cd2 จะไดรบไฟเขาเปน Vin/2 ไฟจะไหลแบบนจนกระทง S1 ตดการท างาน [t2-t3]: เมอ S4 ท างานพรอมกบ S2 Vin/2 ทไดรบจากการไหลผานของ S1 จะไหลผาน S4 ไหลผาน Cd1และ Cd2 เขา S2 แลวเขาหมอแปลงความถสงออก Cd1และ Cd2 เปน Vin/2 จนกระทง S2 ตดการท างาน [t3-t4]: เมอ S4 ท างานกอนแลว S3 ท างานตามหลงไฟทไดจาก Vin/2 จะไหลผาน S4 ไหลผาน S3 ในสภาวะนหมอแปลงความถสงจะกลบขวบวกเปนขวลบ และจะกลบขวลบเปนขวบวกไฟจาก S3จะไหลผานดานบวกไปดานลบแลวออก Cd1และ Cd2 เปน Vin/2 การท างานจะเปนแบบนเรอยๆจนกระทง S4 ตดการท างาน
23
Load
Vin+
_
Vo
S1
S2
S3
S4
Cdc1
Cdc2
Dc1
Dc2
D1
D2
D3
D4
Cs1
Cs2
Cs3
Cs4
C
L out put
C out put
[t0-t1]
Vin
Load
+
_
Vo
S1
S2
S3
S4
Cdc1
Cdc2
Dc1
Dc2
D1
D2
D3
D4
Cs1
Cs2
Cs3
Cs4
C
L out put
C out put
[t1-t2]
Load
Vin+
_
Vo
S1
S2
S3
S4
Cdc1
Cdc2
Dc1
Dc2
D1
D2
D3
D4
Cs1
Cs2
Cs3
Cs4
C
L out put
C out put
[t2-t3]
24
Load
Vin+
_
Vo
S1
S2
S3
S4
Cdc1
Cdc2
Dc1
Dc2
D1
D2
D3
D4
Cs1
Cs2
Cs3
Cs4
C
L out put
C out put
[t3-t4]
Load
Vin+
_
Vo
S1
S2
S3
S4
Cdc1
Cdc2
Dc1
Dc2
D1
D2
D3
D4
Cs1
Cs2
Cs3
Cs4
C
L out put
C out put
[t4-t5]
Vin
Load
+
_
Vo
S1
S2
S3
S4
Cdc1
Cdc2
Dc1
Dc2
D1
D2
D3
D4
Cs1
Cs2
Cs3
Cs4
C
L out put
C out put
[t5-t6]
ภาพท 2.23 การท างานของสวตชแตละตว
25
2.5 การเลอกใชงานไอซส าเรจรปในงาน PWM [2][3] 2.5.1 ไอซเบอร CA3524 ในการเลอกใชไอซส าเรจรปทใชในงาน PWM จะมอยหลายเบอรแตในทนจะแนะน า ไอซ
ของบรษท National Semiconductor เบอร CA 1524 / CA 2524 / CA3524 เปนตวอยางมาพอสงเขป และDATA SHEET ของ CA 1524 / CA 2524 / CA3524 แสดงในภาพท 2.24 วงจรภายในของไอซทง 3 เบอรนนจะอยในลกษณะเดยวกน แตจะแตกตางกนเพยงอณหภมทใชงาน หรอลกษณะรปรางภายนอกเทานน ในสวนนจะกลาวถงเฉพาะ CA3524 เพยงเบอรเดยวโดย CA3524 มอณหภมทใชงานอยในยาน 0 ถง 70 °C และลกษณะรปรางภายนอกเปนลกษณะ DIP 16 ขาดงแสดงในภาพท 2.25 (a) และภาพท 2.25 (b) แสดงลกษณทางไฟฟา
CA 3524
ภาพท 2.24 (a) วงจรภายในของไอซเบอร CA 3524 (b) วงจรภายนอกส าหรบ Error Amplifier
26
5
11
12
13
14
1
2
3
6
7
16
1
3
4
2
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
CA 3524
RT
CT Vin
Vref
Emitter B
Emitter A
Collector B
Collector A
Inverting input
Non-inverting input
Oscillator output
Current limit sense
Current limit sense
Ground
Shutdown
Compensation
(a) รปแบบต าแหนงขาทใชงานจรง
4
(b) สญลกษณทางไฟฟา
89
10 15
CA 3524
SDVREFNI
INV
OSC
RTCTCOMP
VINCACB
EA
EB
CL+CL-
GND
ภาพท 2.25 แสดงขาทใชงานของไอซเบอร CA 3524 2.5.2 การใชงานของไอซเบอร CA 3524
ไอซเบอร CA 3524 ตองการไฟเลยงระหวาง 8 V ถง 40 V โดยตอแรงดนไฟเลยงบวกจะเขาทขา 15 และตอขา 8 ลงกราวด เพอทจะใหไอซมการท างานทแนนอน ดงนนแรงดนไฟเลยงควรจะตองมการเรกกเลเตอรใหเรยบรอยกอนทขา12 และ13 จะมทรานซสเตอรขบเอาทพทอย 2 ตว ใหผใชตอออกไปใชงาน ซงลกษณะการสวต ชของทรานซสเตอรทงสองตวนนจะสวต ชตรงกนขาม โดยแตละตวสามารถจายกระแสเอาทพทได 100 mA และถาตอในลกษณะขนานกนกจะจายกระแสเอาทพทรวมได 200 mA แตถาตองการใชงานทตองการกระแสเอาทพทสงกวานกจะท าไดโดยงายเพยงตอทรานซสเตอรภายในไอซ เบอร CA 3524 ใหไปขบทรานซสเตอรสวตชงภายนอกเพอทสามารถจายกระแสไดสงกวาเทานนเองไอซ เบอร CA 3524 ยงสามารถใชเปนเรกกเลเตอรแบบ Step-Down เรกกเลเตอรแบบ Step-Up หรอ เรกกเลเตอร แบบ Voltage Inverting ไดโดยใชไอซเพยงตวเดยวกบอปกรณภายนอกอกนดหนอยรปแบบของวงจรไอซ เบอร CA 3524 ใน PWM กเหมอนกบวงจรเรกกเลเตอรทวๆไป
27
Load
5
11
12
13
14
4
1
2
3
6
7
16
89
10 15
CA 3524
SDVREFNI
INV
OSC
RTCTCOMP
VINCACB
EA
EB
CL+CL-
GND
DC supplyR1
R2
R3
R4
RT
RC
D C
CC
CT
LOutput
ภาพท 2.26 ไอซเบอร CA 3524 ในงานเรกกเลเตอรแบบ Step-down
2.5.3 ไอซเบอร CA 3524 ในงานเรกกเลเตอรแบบ Step-down วงจรเรกกเลเตอรแบบ Step-down พนฐานทใชไอซเบอร CA 3524 จะแสดงดงภาพท 2.26
เนองจากในการขบกระแสในวงจรนจะใชทรานซสเตอรภายใน ไอซเบอร CA 3524 เปนตวขบกระแสจงท าใหวงจรนจายกระแสเอาทพทไดต าประมาณ 200 mA โดยตอทรานซสเตอรภายในทงสองตวในลกษณะขนานกนคอทขาคอลเลคเตอรของทรานซสเตอรทงสอง ( ขา12 และขา 13) จะตอกบแหลงจายไฟตรง DC SUPPLY และขาอมตเตอรทงสอง ( ขา11 และขา 14) ตออยกบตวเหนยวน า L ขา 1 เปนตว INVERTING INPUT ของ ERROR AMPLIFIER รบสญญาณปอนกลบจากเอาทพทการแบงแรงดนของตวตานทาน 1R และ 2R
ไอซเบอร CA 3524 จะควบคมความกวางของพลสเพอใหแรงดนปอนกลบนมขนาดเทากบแรงดนอางอง
refV ทจายใหกบ NONINVERTING INPUT ของ ERROR AMPLIFIER ทขา 2 จากวงจรแรงดนอางอง
refV เกดจากการแบงแรงดนของตวตานทาน 1R และ 2R สามารถหาไดจากสมการตอไปน
refV = out
2 1
1 VR R
R
(2.3)
28
การแกสมการเพอหา outV จะได
Vout = refV1R
2R1R (2.4)
แรงดนอางอง
refV สามารถใชแหลงจายอางองทขา 16 หรอใชแรงดนอางอง 5 V ทอยภายในไอซเบอร CA 3524 เองโดยปกตจะนยมใช แรงดนอางอง 5 V ภายในไอซเบอร CA 3524 มากกวา โดยเรยกแรงดนนวา
refV ดงนนแรงดนน NONINVERTING INPUT (ขา 2 ) ของ ERROR AMPLIFIER กจะเกดจากการแบงแรงดนของตวตานทาน
3R และ 4R ดงสมการ
Vref = intV4R3R
4R
(2.5)
ในทางปฏบตแลวจะเลอกคาความตานทาน 3R และ 4R เทากนเพอแบงแรงดนใหได 2.5Vโดยคาความตานทานของ 3R และ 4R นยมใชคา 10 k แตถาในกรณทใชแหลงจายแรงดนอางองภายนอกกจะเลอกคาความตานทาน 4R เทากบ 10 k และใชสมการเพอหาคา 3R ส าหรบ ERROR AMPLIFIER เปนออปแอมปแบบ BIPOLAR ในทางทฤษฎกระแสไบแอสแตละอนพทจะตองเทากน ดงนน 1R // 2R (ตวตานทานทตอกบขา INVERTING INPUT) จงเทากบ 3R // 4R (ตวตานทานทตอกบขา NONINVERTING INPUT) ดงสมการ
Vref = intV4R3R
4R
(2.6)
จากทกลาวมาแลว ถาเลอก 3R = 4R = 10k ดงนนจากสมการจะได 3R // 4R = 5k เพอแกสมการหาคา ( 1R + 2R )/ 2R
2R1R
2R1R
= 4R//3R (2.7)
29
แทนสมการเพอหาคาของตวตานทาน 1R
Vout = refV4//R3R
R1 (2.8)
R1 = 4R//3RrefVoutV
(2.9)
เมอทราบคาของตวตานทาน 1R แลวในทสดกจะสามารถหาคาของตวตานทาน 2R ไดจากการแกสมการ ส าหรบพลสทใชในการสวตชงนน ถกสรางจากความตานทาน tR และตวเกบประจ tC ทตออยกบขา 6 และ 7 ตามล าดบกบกราวด ความถออสซลเลเตอรทใชส าหรบไอซเบอร CA 3524 อยในยานตงแต 10 ถง 100Hz โดยมสตรหาความถออสซลเลเตอรดงน
fose =
TCTR1 (2.10)
คาของความตานทาน TR เลอกใชประมาณ 10 k และตวเกบประจอยในยาน 0.001 ถง 0.1μF ทขา 3 จะเปนเอาทพทของพลสทความถออสซลเลเตอร ส าหรบท างานรวมกบเรกกเลเตอรตวอนไอซเบอร CA 3524 ยงมการจ ากดกระแส (Current limiting) ตวตานทานตรวจจบ senseR จะตออนกรมกบเอาทพ ทของเรกกเลเตอร แรงดนทตกครอมตวตานทานนจะถกสงเขาไปในวงจรจ ากดกระแส (Current limiting circuit) ทอยภายใน ไอซเบอร CA 3524 โดยผานทขา 4 และขา 5คาของตวตานทาน senseR หาไดจาก
Rsense = maxoutI
geSenseVolta (2.11)
คาแรงดน Sense Voltage ของไอซเบอร CA 3524 จะเทากบ 200 mv แตถาไมมการตรวจจบในเรองการจ ากดกระแสกจะตอขา 4 กบขา 5 ลงกราวด ขา 9 ใชส าหรบการชดเชย (COMPENSATION) ในทางปฏบตจะตอตวตานทาน 47 k อนกรมกบตวเกบประจ 0.001μF และลงกราวดส าหรบขาสดทายของไอซเบอร CA 3524 ทจะกลาวตอไปกคอขา 10 มชอวา SHUT DOWN ถาขานตอลงกราวนดจะท าใหเรกกเลเตอรหยดท างาน
30
ตวเหนยวน าและตวเกบประจจะใชสมการตอไปนในการค านวณหาคา
L =
oscfinVoutIoutVinVout2.5V
(2.12)
และ
C = oscfrippleVout0.01768I
(2.13)
ในทางปฏบตจะเลอกใชคาตวเกบประจสงกวาคาทค านวณเลกนอย
31
บทท 3
การออกแบบโครงงาน
แหลงจายไฟตรงแบบสวตชง 1 เอาทพทโดยใชไอซเบอร ( CA 3524 ในการควบคมแรงดนแบบ PWM ) ใหไดแรงดนเอาทพท 100V 10Aจากแหลงจายไฟ ฟา 3 เฟสผานวงจรเรกตไฟเออรและวงจรฟลเตอรจะไดแรงดนอนพท 540 Vdc ก าหนดความถในการสวตชเทากบ 50 kHz
3.1 โครงสรางของวงจรควบคมส าหรบแหลงจายไฟแบบสวตชง
DC. SUPPLY 12 V .
R3
R4
12
345
67
89
10
11
1213
14
1516
CA 35
24
R1
R2
RT
CT
RC
CC
R5 R6
SD VINVREFNIINVOSCRTCT
COMP GNDCL-CL+EBEACBCA
Feed back
ภาพท 3.1 ภาพแสดงการท างานของวงจรควบคมและรปสญญาณ จากการท างานของ วงจรควบคมของคอนเวอรเตอร ดงแสดงในภาพท 3.1 เปนการควบคมแรงดนแบบ PWM คอ สามารถรกษาระดบแรงดนใหมความคงท เพราะมการปอนกลบ
32
ระดบแรงดนจากเอาทพทมาใชในการควบคม ทางกลมไดเลอกใชไอซเบอรCA 3524 เพอ ควบคมแรงดนแบบ PWM หลกการท างานเมอไดรบแรงดนไฟเลยงจากชดซพพลาย12 V (เขาทขา15และขา8ตอลงกราวนด) CT จะเปนสญญาณ Saw Tooth และทCA ,CB จะเปนสญญาณพลสแตเนองจากสญญาณพลส ยงไมไดกลบเฟสซงจะอธบายตอในวงจรหลงจากน
3.1.1 ค านวณการออกแบบวงจรควบคม ท าการออกแบบชดควบคม ( PWM )โดยพจารณาจากภาพท 3.2 เพอเลอกคาตวตานทาน และคาปาซเตอรทเหมาะสมจากการก าหนดของผผลต ( TR = 10 k )
210310 410101
510
TC = 0.02μF
TC = 0.05μF
TC = 0.1μF
TC = 0.01μF
TC = 0.005μF
TC = 0.002μF
TC = 0.001μF
μS
o+25 C
310
410
TA =V+ = 8V-40V
OSCILLATOR PERIOD , t ( )
TIMIN
G RE
SISTA
NCE ,
RT(
)
ภาพท 3.2 แสดงกราฟเปรยบเทยบเพอพจารณาหาคาตวตานทานและคาปาซเตอร เมอไดคาตวตานทานทเหมาะสมจากนนกแกสมการเพอหาคาของคาปาซเตอร ( TC )
TC = TfR
1 = )1010)(10100(
133
= 0.001 μF (3.1)
ดงนนเลอกคาของคาปาซเตอรขนาดมาตรฐานเทากบ 0.001 μF ก าหนดคา kΩ10RR 43 เพอจดแรงดนอางอง refV ทNI (ขา2)ใหเทากบ 2.5 V และพจารณา 1R และ 2R ใหได refV ทINV (ขา 1) = 2.5 V เชนกน โดยใชสมการ
33
1R = 43
ref
out //RRV
V (3.2)
= kΩ5
5.2
100
= 200 kΩ
และหาคา 2R จากสมการ
21
21
RR
RR
= 43//RR (3.3)
21 R
1
R
1 =
kΩ5
1 (3.4)
2R
1 = 1R
1
kΩ5
1 (3.5)
2R
1 = kΩ200
1
kΩ5
1
2R = 12.5 kΩ เลอกคาตวตานทานมาตรฐาน 1R = 200 kΩ และคา 2R = 5.1 kΩ และใชวงจรชดเชยมาตรฐานโดยใช CR = k47 และ CC = 001.0 μF
34
3.2 โครงสรางของวงจรเลอนเฟส
+ 5V
+ 5V
+ 5V
1
2
23 4
4
5
6
7
810
9
101112
12
15
13
14HD74LS73
HD74LS73J
J
CLKK
K
Q
Q
Q
Q
+ 5V
+ 12V
1
357
8
911
1314
16
IC 14504
VCCMODE
GND
VCCAIBICIDIEIFI
AOBOCODOEOFO
+ 5V6
CLK
IC 14049
IC 14049
IC 14049
IC 14049
IC 14049
IC 14049
IC 14049
IC 14049
+ 12V+ 12V + 12V
IC 14049
IC 14049
IC 14049
IC 14049
IC 14081 IC 14081
IC 14081IC 14081
1
23
8
7 6
89
10
7 6
1
3
8
221
714
3
11
11
12
12
5
5
4
4
9
14
10
15
1213 11 9 10
14 15
56 4
2
2
3
3
3
3
1
1
IC 14081
IC 14049
1
23
3 2
3
2
2
3
2
2
2
22
2
ภาพท 3.3 ภาพแสดงการท างานของวงจรเลอนเฟสและรปสญญาณ
ในสวนนนนจะเปนการจดสญญาณ สญญาณอนพทของวงจรสวนนจะรบมาจากวงจรควบคมทใชไอซเบอร CA3524 สญญาณจะสงตอทไอซเบอร 14081 เพอรวมกนของสญญาณทไดแลวท าการสรางสญญาณกลบเฟส (ดวยไอซเบอร 14049) เพอสงตอไปยง JK flip-flop (ทง2 ตวใชไอซเบอร HD74LS ) สวนสญญาณทออกจะสงไปยงไอซยกระดบแรงดน (ไอซเบอร14504 )ตอไปยงสวนของ RC time-constant เปนตวสรางสญญาณรปเอกซโปแนนเชยล โดยใชตวตานทานทปรบคาได ( มคา 5k ) และตวเกบประจขนาด 1nF สญญาณทไดจะมการเลอนเฟสมากนอยเพยงใด สามารถปรบทตวตานทานปรบคาได สญญาณทไดจากการเลอนเฟสนจะถกสงตอไปยง
35
ไอซเบอร14049 เพอกลบสญญาณและลกษณะการตอจะน าเกตมาขนานกนโดยใชไอซเบอร 14081เพอเปนการเพมกระแสทจะไปตอกบสวนตอไป
3.3 โครงสรางของวงจรขบเพาเวอรมอสเฟท
SS1 , S2 , S3 , S4
+ 12 v
2N3904
2N3906IRFD113
IRFD113
GC1
C2
R1
R2D1
D2
ภาพท 3.4 ภาพแสดงการท างานของวงจรขบเพาเวอรมอสเฟท
วงจรขบเพาเวอรมอสเฟทจะรบสญญาณจากวงจรเลอนเฟส สญญาณทไดจะผานเขาขาเบสของทรานซสเตอรเบอร 2N 3904 และ เบอร2N 3906 ทตอกนในลกษณะพชพล สญญาณทไดจะคปปลงผานคาปาซเตอร (C2 ซงมขนาด 100 nF ชนดไมลา ) และจะใชในการขบมอสเฟทใหน ากระแสดวยการตออนกรมหมอแปลงแกน EE19-16 (มดานไพรมาร32รอบและพนดานเซคนดาร64รอบ) และสญญาณทไดจากดานเซคนดาร จะผานมอสเฟทเบอร IRFD 113 จากนนจะถกสงตอเขาขาเกตของมอสเฟท ท าใหมอสเฟทน ากระแส ดงแสดงในรปท 3.3
36
3.4 โครงสรางของวงจรเพาเวอรสวนอนพทและเอาทพท
RL
Feed back
S1
S2
S3
S4
C out put
L out put
D. C 540 V +
D. C 540 V -
IRFP450
IRFP450
IRFP450
IRFP450
RST
3 380
R 39k
R 39k
Fuse
Switch
Bridge DiodeC
Fμ1000
Rchart
VMUR 3060
ภาพท 3.5 ภาพแสดงการท างานของวงจรเพาเวอรสวนอนพทและเอาทพท
วงจรก าลงไดรบไฟฟา 3 380 V แลวท าการเรกตไฟเออรแลวท าการกรองสญญาณดวยคาปาซเตอรจะไดแรงดน 540 Vdc และท าการแบงครงแรงดนโดยใชตวตานทาน (39 k ) 2ตวท าใหแบงแรงดนเปน 275 Vdc ใหการเรมตนการท างานไดมการลดกระแสเรมตนโดยการใชตวตานทานชารจเพอจ ากดกระแสไมใหสง อกทงออกแบบการปองกนกระ แสสงดวยฟวส ในขณะท างานจะมการตอผานคาตวตานทานดวยสวตช
แรงดนทไดจากชดเรกตไฟเออรจะจายใหกบคอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบโดยคอนเวอรเตอรจะสรางสญญาณคาบความถสง จายใหกบหมอแปลงความถสงในการออกแบบหมอแปลงความถสงจะกลาวในบทตอไป แรงดนทออกจากหมอแปลงความถสงจะถกเรกตไฟเออรโดยวงจรบรดจทใชไดโอดแบบ(Ultra-fast) ท าการกรองสญญาณโดยวงจร LC ซงจะออกแบบในล าดบตอไป
37
3.4.1 ค านวณการออกแบบหมอแปลงความถสง การค านวณหาคาอปกรณตางๆ ในวงจรคอนเวอรเตอรจะพจารณาจากสมการตางๆ โดยจะท าการพจารณาเลอกขนาดของแกนเฟอรไรตเปนอนดบแรก ซงการใชแกนเฟอรไรตทมขนาดใหญเกนไปส าหรบหมอแปลงสวตชง จะเปนการสนเปลองคาใชจายโดยไมจ าเปน สวนการใชแกนเฟอรไรตทมขนาดเลกเกนไป ขดลวดและแกนเฟอรไรตจะรอน โดยทก าลงงานสงสดทเหมาะสมส าหรบแกนเฟอรไรตขนาดตางๆ จะพจารณาไดจากขนาดหนาตดของแกน (
eA ) และ ขนาดชองส าหรบพนขดลวดของบอบบน ( wA ) โดยค านวณไดจากสมการดงน
P = 3we(max)10
D
AAfΔB1.4
(3.6)
โดยท (max)ΔB = คาความหนาแนนฟลกซสงสดในแกนเฟอรไรต (Gauss: G) f = คาความถการท างานของแกนเฟอรไรต ( HZ ) eA = พนทหนาตดของแกนเฟอรไรต ( Cm2 ) wA = พนทชองส าหรบพนขดลวดของบอบบน ( Cm2 ) D = คาความหนาแนนกระแสในขดไพรมาร ( Cm /A ) P = ก าลงงานสงสดทไดจากแกนเฟอรไรต (Watt: W) ท าการยายสมการเพอพจารณาหาขนาดแกนเฟอรไรต ( wAAe ) จะได
wAAe = 3
(max)
10fΔB1.4
PD (3.7)
เมอ ก าหนดคา (max)ΔB ไวท 1200 G ความถสวตช 50 kHz ก าลงงานทางดานเอาทพท 1000 W และก าหนดคาความหนาแนนกระแสในขดไพรมาร (D) ไวท 500 Cm /A
จะได we AA = 3
310
105012004.1
5001000
= 5.952 (3.8)
38
น าคา we AA ทไดมาเทยบหาขนาดของแกนเฟอรไรตจาก ตวอยางขนาดมาตรฐาน
ของแกนเฟอรไรตแบบตางๆ ดงแสดงในตารางท 3.1 โดยน าคา eA และ wA มาตรฐานของแกน
เฟอรไรตแตละแบบมาคณกนใหไดคา เทากบหรอมากกวาคาของwe AA ทค านวณได
ตารางท 3.1 แสดงตวอยางขนาดมาตรฐานของแกนเฟอรไรตแบบ EE, EI และ ETD
CORE TYPE Ae (cm2) Aw (cm2) Ve (cm3) e (mm) ETD 34 0.971 1.220 7.64 78.6 ETD 39 1.250 1.740 11.50 92.2 ETD 44 1.740 2.130 18.00 103.0 ETD 49 2.110 2.710 24.20 114.0 ETD 59 3.684 3.684 51.20 139
CORE TYPE Ae (cm2) Aw (cm2) Ve (cm3) e (mm) EE 20/20/5 0.31 0.35 1.34 43.0 EE 30/30/7 0.59 0.78 4.00 66.9 EE 42/42/15 1.82 1.78 17.6 97.0 EE 42/42/20 2.36 1.78 23.1 97.4 EE 42/54/20 2.36 2.40 28.8 122.0 EE 42/66/20 2.36 3.40 34.5 143.0 EE 55/55/21 3.54 2.50 43.7 123.0 EE 55/55/25 4.20 2.50 52.0 123.0 EE 65/66/27 5.32 3.93 78.2 147.0
39
ตารางท 3.1 (ตอ)
CORE TYPE Ae (cm2) Aw (cm2) Ve (cm3) e (mm) EI 19 0.24 0.517 0.950 39.6 EI 22/19 0.41 0.440 1.630 39.3 EI 25/19 0.42 0.819 2.02 48.6 EI 28/20 0.85 0.725 4.11 48.4 EI 30/26 1.11 0.791 6.45 58.1 EI 35/29 1.21 1.36 8.18 67.6 EI 40/35 1.48 1.08 11.3 76.9 EI 50/42 2.30 1.70 21.8 94.6 EI 60/44 2.48 2.94 27.2 109.7
Ae = ขนาดพนทหนาตดแกนเฟอรไรต Aw = ขนาดพนทชองพนขดลวดของบอบบน Ve = ปรมาตรของแกนเฟอรไรต e = ระยะทางเดนฟลกซแมเหลกในแกนเฟอรไรต จากตารางท 3.1 สามารถเลอกชนดและขนาดแกนเฟอรไรตไดดงน ชนดของแกนเฟอรไรต
คา we AA ทค านวณไดจากตารางท 3.1
คา we AA ทค านวณได
ก าลงงานทไดจากแกน (Watt)
P =3we(max)
10D
AAfΔB1.4
EI 60/44 ETD 59 EE 42/66/20 EE 55/55/21
7.2912 13.54 8.024 8.85
5.952
1224 2376 1348 1486
40
โดยในโครงงานนทางกลมไดเลอกใชแกนเฟอรไรตชนด ETD 59 โดยมคา eA = 3.684
และคา wA = 3.684 ท าการออกแบบหมอแปลงโดยพจารณาทขดลวดดานทตยภมใหเอาทพท 1000 W แรงดนเอาทพท 100 V มแรงดนอนพท 540 Vdc ก าหนดความถในการสวตช 50 kHz จากสมการ
SVPV
= SNPN
(3.9)
เมอ PV = แรงดนขดลวดปฐมภม, V SV = แรงดนขดลวดทตยภม, V PN = จ านวนรอบขดปฐมภม SN = จ านวนรอบขดทตยภม พจารณาทขดลวดทตยภมใหเอาทพท 1000 วตต แรงดนเอาทพท 100 V 10 A มแรงดนอนพท 540 Vdc เลอกสดสวนการพน SP /NN โดยพจารณาจาก
– คาบเวลาการท างาน T
T = f
1 = 31050
1
= 61020 วนาท (3.10)
– ก าหนดคา on(max)t (โดยก าหนดคา Dead Time = 40%) on(max)t = T0.4 = 610204.0 = 6108 วนาท (3.11) – ก าหนดอตราสวนจ านวนรอบ ( SP /NN )
จาก S
P
N
N = )
2T)(V(V
t]V2
V[
Do
on(max)CE(sat)
in(min)
(3.12)
41
= )
2
1020)(3100(
)108)(52
540(
6
6
= )1020)(103(
2)108(2656
6
ดงนน S
P
N
N = 2.05
– ก าหนดจ านวนรอบ PN
PN = 8
e(max)
on(max)CE(sat)
in(min)
10AB
t]V2
V[
(3.13)
= 8
6
10)684.3)(1200(
)108)(12
540(
= 48.6 หรอประมาณ 49รอบ – จะไดจ านวน SN จาก
S
P
N
N = 2.05
ดงนน SN = 05.2
N P = 05.2
49 = 23.90
เพมรอบ 50% = 23.90 1.5 35.85 หรอประมาณ 35 รอบ
42
3.4.2 ค านวณหาขนาดของเสนลวดทใชพนหมอแปลง ขนตอนตอไปนท าการค านวณหาขนาดของลวดทองแดง โดยก าหนดคาความหนาแนนกระแส D ไวท 1000 เซอรคลารมลตอหนงแอมป(Cm/A)
พจารณากระแสดานเขา
Iin = 3.7A270
1000inVP
(3.14)
ดงนน ทกระแส 1A = 0.304 ใชขดลวดตวน าขนาด 0.304 mm2 ทกระแส 3.7 A = 0.304 ใชขดลวดตวน าขนาด 248.1304.07.3 mm2 จะได ดาน NP = 49 รอบ กระแส 3.7A ใชขดลวดตวน าขนาด = 1.248 mm2 ฉะนนจะตองใชลวดทองแดง AWG เบอร20 มพนทหนาตด = 0.519 mm2
จากตารางท 3.2 จะตองใชขดลวดทองแดงพนดานปฐมภมกเสน 519.0248.1 = 2.404 2
เพราะฉะนนดานปฐมภมใชขดลวดทองแดงพน 49 รอบ โดยใชขดลวดทองแดง 2 เสนพนรวมกน พจารณากระแสดานออก
Iout = 10A 100
1000 outVP
(3.15)
ดงนน
ทกระแส 1A = 0.304 ใชขดลวดตวน าขนาด 0.304 mm2 ทกระแส 10A = 3.04 ใชขดลวดตวน าขนาด 10 0.304 = 3.04 mm2 จะได ดาน NS = 35 รอบ กระแส 10A ใชขดลวดตวน าขนาด = 3.04 mm2 ฉะนนจะตองใชลวดทองแดง AWG เบอร20 มพนทหนาตด = 0.519 mm2
จากตารางท 3.2 จะตองใชขดลวดทองแดงพนดานทตยภมกเสน 519.0
04.3 = 5.858 6
เพราะฉะนนดานทตยภมใชขดลวดทองแดงพน 35รอบ โดยใชขดลวดทองแดง 6 เสนพนรวมกน
43
ตารางท 3.2 แสดงขนาดมาตรฐาน AWG และขอมลอนๆของลวดทองแดง
เบอร A W G (B.& S.)
ขนาดเสนผาน
ศนยกลาง(d )
inch mm
ขนาดเสนผานศนยกลางเมอรวมฉนวน
do mm
พนทหนาตดปกต
2mm
คาความตานทาน
ท100 C (Rdc)
Ω/m
ระยะชดตาสด
( mint )
mm
44 0,00198 0,0503 0,06604 0,00199 11,180 0,071
43 0,00222 0,0564 0,07366 0,00250 8,899 0,079
42 0,00249 0,0633 0,08128 0,00314 7,073 0,087
41 0,00280 0,0711 0,09144 0,00397 5,594 0,098
40 0,00314 0,0798 0,1041 0,00500 4,448 0,111
39 0,00353 0,0897 0,1143 0,00631 3,519 0,122
38 0,00397 0,1008 0,1295 0,00799 2,783 0,138
37 0,00445 0,1130 0,1448 0,01003 2,215 0,154
36 0,00500 0,1270 0,1626 0,0127 1,754 0,172
35 0,0056 0,1422 0,1778 0,0159 1,398 0,188
34 0,0063 0,1600 0,1981 0,0201 1,105 0,209
33 0,0071 0,1803 0,2235 0,0255 0,8700 0,236
32 0,0080 0,2032 0,2489 0,0324 0,6853 0,261
31 0,0089 0,2261 0,2743 0,0401 0,5537 0,287
30 0,0100 0,2540 0,3048 0,0507 0,4386 0,319
29 0,0113 0,2870 0,3404 0,0647 0,3435 0,356
28 0,0126 0,3200 3,3759 0,0804 0,2762 0,393
27 0,0142 0,3607 0,4191 0,1022 0,2175 0,438
26 0,0159 0,4039 0,4699 0,128 0,1735 0,491
25 0,0179 0,4547 0,5232 0,162 0,1369 0,547
24 0,0201 0,5105 0,5817 0,205 0,10860 0,608
23 0,0226 0,5740 0,6502 0,259 0,08586 0,679
22 0,0253 0,6426 0,7214 0,324 0,06852 0,754
21 0,0285 0,7239 0,8052 0,412 0,05399 0,841
20 0,0320 0,8128 0,8966 0,519 0,04283 0,937
19 0,0359 0,9119 1,003 0,653 0,03403 1,048
18 0,0403 1,024 1,118 0,823 0,02700 1,168
17 0,0453 1,151 1,247 1,040 0,02137 1,303
16 0,0508 1,290 1,389 1,308 0,01699 1,452
15 0,0571 1,450 1,557 1,652 0,01345 1,627
14 0,0641 1,628 1,737 2,082 0,010670 1,815
13 0,0720 1,829 1,943 2,627 0,008460 2,030
12 0,0808 2,052 2,172 3,308 0,006717 2,270
11 0,0907 2,304 2,431 4,168 0,005331 2,540
10 0,1019 2,588 2,720 5,261 0,004224 2,842
44
ขนตอนตอไปเปนการออกแบบตวเหนยวน า และตวเกบประจทางดานเอาทพท โดยทแรงดนเอาทพท 100 V 10 A และแรงดนเอาทพทรปเปลไมเกน 4V ค านวณหาคาตวเหนยวน า L
L = fVI
)V(VV2.5
inout
outinout (3.16)
= 3105054010
)100540(1005.2
= μH04.407 ค านวณหาคาตวเกบประจ C
C = frippleVoutI0.01768
(3.17)
= )310(504
100.01768
= 884.0 μF
45
DC. SUPPLY 12 V .
12
345
67
89
10
11
1213
14
1516
CA 35
24
1234567 8
91011121314
11
13141
23456
89
7
10
12IC 14
081IC
14049
11
13141
23456
89
7
10
12
IC 14
049IC
14049
IC 14
504
HD74L
S
IC 14
081
11
1314
123456
8 97 10
12
1516
11
1314
123456
8 97 10
12
1516
11
1314
123456
8 97 10
12
1516
11
1314
123456
8 97 10
12
1516
S1
S2
S3
S4
Feed back
R1
R2R3
R4RT
CT
RC
CC
R5 R6
SD VINVREFNIINVOSCRTCT
COMP GNDCL-CL+EBEACBCA
R7 R8
R9 R10
C1 C2
C3 C4
ภาพท 3.6 แสดงวงจรสวตชงเรกกเลเตอรโดยใชไอซเบอร CA 3524 รวมกบมอสเฟทภายนอกขบหมอแปลงทมแทปกลาง
46
RL
Feed back
S1
S2
S3
S4
C out put
L out put
D. C 540 V +
D. C 540 V -
S1
+ 12 v
+ 12 v
+ 12 v + 12 v
S2
S3 S4
2N3904
2N3904
2N3904 2N3904
2N3906
2N3906
2N3906
2N3906
IRFD113
IRFD113
IRFD113
IRFD113
IRFD113
IRFD113
IRFD113
IRFD113
IRFP450
IRFP450
IRFP450
IRFP450
ภาพท 3.6 (ตอ)
47
บทท 4
การทดลองและผลการทดลอง 4.1 รปสญญาณต าแหนงตางๆ ของชดวงจร DC to DC Converter ในหวขอน น าเสนอสญญาณต าแหนงตางๆในแตละสภาวะ จากวงจรในภาพท 3.6 โดยน าเสนอไวในบทกอนหนาน จากภาพท 4.1 เปนรปคลนสญญาณ Saw Tooth ของไอซเบอร CA 3524 ท าการวดสญญาณทขา CT (ขา 7) จะเหนวามความถสวตชง 100 kHz มความสงประมาณ 3.5 V แสดงวา ไอซ PWM ท างานปกต
ภาพท 4.1 แสดงรปคลนสญญาณ Saw Tooth
48
จากภาพท 4.2 เปนรปคลนในลกษณะสญญาณ Pulseจากไอซเบอร CA 3524 ทออกจาก CA (ขา 12) และ CB (ขา13)
ภาพท 4.2 แสดงรปคลนสญญาณ Pulse ทออกจาก CA และ CB จากภาพท 4.3 เปนรปคลนสญญาณ Pulse จากไอซเบอร CA 3524 ทออกจากCA และCB รวมสญญาณผานแอนเกท(ไอซเบอร 14081)และอนเวรด(ไอซเบอร 14049)โดยวดสญญาณทขา 2(ไอซเบอร 14049) และขา 3(ไอซเบอร 14081)
ภาพท 4.3 แสดงรปคลนสญญาณการแอนและการอนเวรด
49
จากภาพท 4.4 เปนรปคลนสญญาณทผานแอนเกท(ขา3ไอซ เบอร 14081)และอนเวรด(ขา 2ไอซเบอร 14049)เขา J-K FLIP-FLOPS (ไอซเบอรHD 74LS) แบบTTL รปสญญาณ จะมแรงดน5V และ มการกลบเฟส ขอบดานหนาและขอบดานหลงจะตรงกนโดยท าการวดสญญาณทขา12 และขา 7(ไอซเบอรHD 74LS) ภาพท 4.4 แสดงรปคลนสญญาณของ J-K FLIP-FLOPS จากภาพท 4.5 เปนรปคลนสญญาณของ J-K FLIP-FLOPS (ไอซเบอร HD74LS) แบบTTL แสดงรปสญญาณการกลบเฟสและจะมการเลอนเฟส โดยท าการวดสญญาณทขา9และ ขา8 ภาพท 4.5 แสดงรปคลนสญญาณ J-K FLIP-FLOPS ทมการเลอนเฟส
50
จากภาพท 4.6 เปนรปคลนสญญาณ J-K FLIP-FLOPS(ไอซเบอร HD74LS) จากรปสญญาณจะมการเลอนเฟส โดยท าการวดสญญาณทขา10และ ขา9 ภาพท 4.6 แสดงรปคลนสญญาณ J-K FLIP-FLOPS ทมการเลอนเฟส จากภาพท 4.7 เปนรปคลนสญญาณ การเปรยบเทยบกนระหวาง J-K FLIP-FLOPS และไอซยกระดบแรงดน(ไอซเบอร 14504) จากรปสญญาณทไดจะยกระดบแรงดนจาก 5V เปน 12V ภาพท 4.7 แสดงรปคลนสญญาณของไอซยกระดบแรงดน
51
จากภาพท 4.8 เปนรปคลนสญญาณของไอซยกระดบ แรงดน (ไอซเบอร 14504)ใน การกลบเฟสทดานขาออก โดยท าการวดสญญาณเปรยบเทยบอางองจากจดเดมจากภาพท 4.7 ภาพท 4.8 แสดงรปคลนสญญาณของไอซยกระดบแรงดนในการกลบเฟส จากภาพท 4.9 เปนรปคลนสญญาณของไอซยกระดบ แรงดน (ไอซ เบอร 14504 ขา2)เปรยบเทยบกบไอซเลอนเฟส(ไอซเบอร 14049 ขา6) โดยจะมการเลอนเฟสอยางชดเจน ภาพท 4.9 แสดงรปคลนสญญาณของไอซยกระดบแรงดนในการเลอนเฟส
52
จากภาพท 4.10 เปนรปคลนสญญาณในการเปรยบเทยบไอซยกระดบแรงดน (ไอซเบอร14504) กบไอซเลอนเฟ ส(ไอซ เบอร 14049)ใน การกลบเฟสของสญญาณจะมการเลอนเฟ สไปทางซายโดยท าการวดสญญาณทขา2(ไอซเบอร 14504)และขา12(ไอซเบอร 14049) ภาพท 4.10 แสดงรปคลนสญญาณในการเลอนเฟส จากภาพท 4.11 เปนรปคลนสญญาณ ของไอซยกระดบ แรงดน (ไอซเบอร 14504)และไอซเลอนเฟส(ไอซเบอร 14049) จากรปสญญาณจะอนเวรดกนแตจะมความเรยบทไมเหมอนกนเพราะมการสญเสยใหกบ RC time-constant ทตออย ภาพท 4.11 แสดงรปคลนสญญาณทมการสญเสยใหกบ RC time-constant
53
จากภาพท 4.12 เปนรปคลนสญญาณของไอซเลอนเฟ ส(ไอซเบอร 14049) ทไดรบการอนเวรดมาสองครง โดยท าการวดสญญาณท ขา2และ ขา6 ภาพท 4.12 แสดงรปคลนสญญาณของไอซเลอนเฟสทอนเวรดสองครง จากภาพท 4.13 เปนรปคลนสญญาณเปรยบเทยบทผาน การอนเวรดจากไอซเลอนเฟ ส (ขา10ของไอซเบอร 14049) และแอนเกท (ขา11ของไอซเบอร 14081) ภาพท 4.13 แสดงรปคลนสญญาณของไอซเลอนเฟสและแอนเกท
54
จากภาพท 4.14 เปนรปคลนสญญาณทออกจากไอซแอนเกท (ไอซเบอร 14081) โดยทคสญญาณทออกมาจะมการกลบเฟส โดยท าการวดสญญาณท ขา11และ ขา10 ภาพท 4.14 แสดงรปคลนสญญาณทมการกลบเฟสของไอซแอนเกท
จากภาพท 4.15 เปนรปคลนสญญาณทออกจากแอนเกท (ไอซเบอร 14081)ทขา11และขา4 แสดงดงรป(a) ทขา11และขา3 แสดงดงรป(b) ซงจะเหนไดวา มการเลอนเฟสอยางชดเจน (a) แสดงรปสญญาณเลอนเฟส (b)แสดงรปสญญาณเลอนเฟส ภาพท 4.15 แสดงรปคลนสญญาณการเลอนเฟสจากแอนเกท
55
จากภาพท 4.16 เปนรปคลนสญญาณเอาทพทจากวงจรควบคมและรปคลนสญญาณจากขาเกทของวงจรขบเพาเวอรมอสเฟท ภาพท 4.16 แสดงรปคลนสญญาณของวงจรควบคมและวงจรขบเพาเวอรมอสเฟท
จากภาพท 4.17 เมอน ารปคลนสญญาณทแตกตางกน จากวงจรขบเพาเวอรมอสเฟทและสญญาณทไดจากขาเกทของมอสเฟท แตละตวนนจะแสดงดงภาพ (a) รปสญญาณขบมอสเฟทตวท2และ3 (b) รปสญญาณขบมอสเฟทตวท2และ4 (c) รปสญญาณขบมอสเฟทตวท1และ4 ภาพท 4.17 แสดงรปคลนสญญาณของมอสเฟท
56
จากภาพท 4.18 เปนรปคลนสญญาณ VDrain Source เทยบกบ VPrimary ในสภาวะโหลดตางๆ รปสญญาณของ VDrain Source และ VPrimary ทไดจะมลกษณะตรงกนขาม โดยในสภาวะโหลดนอยชวงเวลาการท างานของมอสเฟทจะสนและชวงการท างานจะกวางขนเรอยๆจนถงสภาวะ Full Load
(a) สภาวะ No Load (b) สภาวะโหลด 39.20
(c) สภาวะโหลด 20.16 (d) สภาวะโหลด 13.22
(e) สภาวะโหลด 10 ภาพท 4.18 แสดงรปสญญาณ VDrain Source เทยบกบ VPrimary ในสภาวะโหลดตาง ๆ
57
จากภาพท 4.19 เปนรปคลนสญญาณ VDrain Source เทยบกบ IPrimary ในสภาวะโหลดตางๆ โดยทชวงสภาวะ No Load สญญาณกระแสจะมคานอยมากและเมอท าการเพมโหลดจะเหนวารปสญญาณกระแสจะเพมขนตามสภาวะโหลดจนถงสภาวะ Full Load
(a) สภาวะ No Load (b) สภาวะโหลด 39.20
(c) สภาวะโหลด 20.16 (d) สภาวะโหลด 13.22 (e) สภาวะโหลด 10 ภาพท 4.19 แสดงรปสญญาณ VDrain Source เทยบกบ IPrimary ในสภาวะโหลดตางๆ
58
จากภาพท 4.20 เปนรปคลนสญญาณ VDrain Source เทยบกบ VSecondary ในสภาวะโหลดตางๆ จากรปคลนสญญาณ VSecondary จะมคลนสญญาณเพมขนไปตามสภาวะโหลด สวน VDrain Source จะมชวงการท างานของมอสเฟทไมเทากน
(a) สภาวะ No Load (b) สภาวะโหลด 39.20
(c) สภาวะโหลด 20.16 (d) สภาวะโหลด 13.22 (e) สภาวะโหลด 10 ภาพท 4.20 แสดงรปสญญาณ VDrain Source เทยบกบ VSecondary ในสภาวะโหลดตาง ๆ
59
จากภาพท 4.21 เปนรปคลนสญญาณ VPrimary เทยบกบ VSecondary ในสภาวะโหลดตางๆ จากรปคลนสญญาณ VPrimaryจะ มคาแรงดนเทากนสวน VSecondary จะมคลนสญญาณเพมขนไปตามสภาวะโหลด
(a) สภาวะ No Load (b) สภาวะโหลด 39.20
(c) สภาวะโหลด 20.16 (d) สภาวะโหลด 13.22
(e) สภาวะโหลด 10 ภาพท 4.21 แสดงรปสญญาณ VPrimary เทยบกบ VSecondary ในสภาวะโหลดตางๆ
60
ภาพท 4.22 เปนรปคลนสญญาณ VPrimary เทยบกบ IPrimary ในสภาวะโหลดตางๆ โดยทสภาวะ No Load สญญาณกระแสจะมคานอยมากและเมอท าการเพมโหลดจะเหนวารปสญญาณกระแสจะเพมขนตามสภาวะโหลดจนถงสภาวะ Full Load (a) สภาวะ No Load (b) สภาวะโหลด 39.20 (c) สภาวะโหลด 20.16 (d) สภาวะโหลด 13.22 (e) สภาวะโหลด 10 ภาพท 4.22 แสดงรปสญญาณ VPrimary เทยบกบ IPrimary ในสภาวะโหลดตาง ๆ
61
ตารางท 4.1 แสดงคาทไดตามสภาวะโหลดตางๆ
%Load
Pout (W)
Load R ( )
Vin (V)
Iin (A)
Pin (W)
Vout (V)
Iout (A)
% η
100
Pin
Poutx
No Load No Load No Load 562 0 0 100 0 0 % 25% 255 39.20 559 0.631 352.70 100 2.55 72 % 50% 496 20.16 556 1.057 587.68 100 4.96 84 % 75% 756 13.22 550 1.619 890.45 100 7.56 85 % 100% 1001 10 545 1.989 1084.05 100 10.01 92 %
จากภาพท 4.23 เปนกราฟการเทยบแรงดนอนพท Vin กบโหลดในสภาวะตางๆ จะเหนไดวาแรงดนอนพท ในสภาวะ No Load จะมแรงดน Vin = 562 V และเมอ มโหลดลดลง จนถงสภาวะ Full Load จะมแรงดน Vin = 545 V
545550556559562
0
100
200
300
400
500
600
No Load 39.2 20.16 13.22 10
ภาพท 4.23 กราฟแสดงคา Vin เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ
Load ( )
Vin (
V)
62
จากภาพท 4.24 เปนกราฟการเทยบกระแสอนพท Iin กบโหลดในสภาวะตางๆ จะเหนไดวาในสภาวะ No Load คาของ Iin จะนอยมาก และเมอมโหลดลดลงคา Iin จะเพมขนจนถงสภาวะ Full Load จะมคา Iin = 1.989 A จงจ าเปนตองเลอกขนาดของสายไฟฟาใหเหมาะสม
1.9891.619
1.0570.631
00
0.5
1
1.5
2
2.5
No Load 39.2 20.16 13.22 10
ภาพท 4.24 กราฟแสดงคา Iin เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ
จากภาพท 4.25 เปนกราฟการเทยบก าลงอนพท Pin กบโหลดในสภาวะตางๆ จะเหนไดวาในสภาวะ No Load คาของ Pin จะนอยมาก และเมอมโหลดทลดลง Pin จะเพมขนจนถงสภาวะ Full Load จะมคา Pin = 1084.05 W
1084.05
890.45587.68
352.70
0
500
1000
1500
No Load 39.2 20.16 13.22 10
ภาพท 4.25 กราฟแสดงคา Pin เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ
Load ( )
Load ( )
Iin (A
) Pi
n (W
)
63
จากภาพท 4.26 เปนกราฟการเทยบแรงดนเอาทพท Vout กบโหลดในสภาวะตางๆ จะเหนไดวาแรงดนเอาทพทจะมคาคงทอยในชวงจายโหลด เนองจากมการ feed back และเมอโหลดลดลงเรอยๆ จนถงสภาวะ Full Load แรงดนกจะมสภาวะคงท
100100100100100
0
50
100
150
No Load 39.2 20.16 13.22 10
ภาพท 4.26 กราฟแสดงคา Vout เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ
จากภาพท 4.27 เปนกราฟการเทยบกระแสเอาทพท Iout กบโหลดในสภาวะตางๆ จะเหน
ไดวากระแสเอาทพทจะมคาสงขนเมอมโหลดลดลง โดยคากระแสสงสดทไดมคา Iout = 10.01 A
10.017.56
4.962.55
00
5
10
15
No Load 39.2 20.16 13.22 10
ภาพท 4.27 กราฟแสดงคา Iout เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ
Load ( )
Load ( )
Vout
(V)
Iout
(A)
64
จากภาพท 4.28 เปนกราฟการเทยบก าลงเอาทพท Pout กบโหลดในสภาวะตางๆจะเหนไดวาเมอมโหลดลดลง ก าลงเอาทพทกจะเพมขนตามไปดวย ซงคา Pout ทไดจะมคามากขน
1001
756
496
2550
0
200
400
600
800
1000
1200
No Load 39.2 20.16 13.22 10
ภาพท 4.28 กราฟแสดงคา Pout เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ
จากภาพท 4.29 เปนกราฟการเทยบคาประสทธภาพ (% η ) กบโหลดในสภาวะตางๆจะ
เหนไดวาประสทธภาพ เมอมการจายโหลดประมาณ 72 % หลงจากนนคาประสทธภาพจะ เพมขน เปนผลมาจากคาก าลงงานทางดานเอาทพทและอนพท
928584
72
00
20
40
60
80
100
No Load 39.2 20.16 13.22 10
ภาพท 4.29 กราฟแสดงคาประสทธภาพ (%η ) เทยบกบสภาวะโหลดตาง ๆ
Load ( )
Load ( )
Pout
(W)
ประสทธ
ภาพ (%
)
65
บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ
5.1 สรป ในการท างานของแหลงจายไฟแบบสวตชงทมก าลงสงนน นยมใชคอนเวอรเตอรแบบฟลบรดจ หรอกรณทมก าลงปานกลางจะใชคอนเวอรเตอรแบบฮาลฟบรดจ ซงทงสองคอนเวอรเตอรจะใชอปกรณสวตชท าการสวตชทแรงดนเทากบแรงดนไฟตรงดานอนพท เมอแรงดนอนพทมคามากขน เนองจากท าการกรองแรงดนจากไฟฟาสามเฟส ท าใหอปกรณสวตช จะตองถกเลอกใหมคณสมบตการทนแรงดนมากขน เพอทจะสามารถใชอปกรณสวตชทมการทนแรงดนขนาดทวไปได ซงมขายทวไปและราคาถก ท าใหโครงงานนเลอกใช คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบเพอลดแรงดนทอปกรณสวตช โครงงานน ไดจดสรางแหลงจายไฟแบบสวตชงโดยใชวงจรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ ขนาด 1,000 วตต มความถ 50 kHz โดยไดเลอกใชไอซควบคมความกวางพลส ไอซเบอร CA 3524 Pulse width Modulated , PWM และเลอกใชมอสเฟททมขายทวไป เบอร IRFP 450 ซงการจดสรางแหลงจายไฟแบบสวตชง ทใชวงจรฮาลฟบรดจแบบสามระดบจะตองมวงจรอนๆประกอบมากกวาแหลงจายไฟแบบสวตชงทวไป เชนวงจรเลอนเฟสท าหนาทเลอนสญญา ณควบคมจาก PWM ใหเปนสญญาณขบสสญญาณเพอขบมอสเฟทแตละตว ในวงจรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ โดยทยง;รกษาสภาวะการน ากระแสพรอมกนของมอสเฟทเหมอนแหลงจายไฟแบบสวตชงธรรมดาและจะตองมการเลอกใชวงจรขบมอสเฟทดวยหมอแปลงความถสงขนาดเลก จากการออกแบบคอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ โดยคอนเวอรเตอรจะสรางสญญา ณความถสง เพอจะ จายใหกบหมอแปลงความถสง ในสวนของการออกแบบหมอแปลงความถสง จากการค านวณไดเลอกใชแกนเฟอรไรตชนด ETD 59 ใชลวดทองแดง AWG เบอร 20 และจ านวนขดลวดดานปฐมภมจ านวน 49 รอบโดยใชขดลวดทองแดง 2 เสนพนรวมกน และดานทตยภมจ านวน 35 รอบโดยใชขดลวดทองแดง 6 เสนพนรวมกน แรงดนทออกจาก หมอแปลงความถสงจะถกเรกตไฟเออรโดยวงจรบรดจทใชไดโอดแบบ Ultra-fast และท าการกรองสญญาณจากวงจร LC โดย L จะมคาเทากบ 407.40μHและ C มคาเทากบ 0.884μF เมอมการตอโหลดสามารถท าไดตามขอบเขตทโครงงานนไดก าหนดไวและสามารถรกษาสภาวะแรงดนคงทเมอมการจายโหลดสงสด
66
5.2 ขอเสนอแนะ - ขนาด ของขดลวดทองแดงทใชในการพนหมอแปลงความถสงควรเลอกใหเหมาะสมถามขนาดของขดลวดทองแดงทมขนาดเลกเกนไป จะท าใหหมอแปลงรอนและเสยหายได - ซงสทระบายความรอนใหกบตวมอสเฟทควรจะมขนาดใหญ เนองจากมอสเฟทจะมความรอนสงขณะทมอสเฟทท างาน - ลายวงจรและขวตอสายระหวางชด ฮาลฟบรดจแบบสามระดบ และหมอแปลง ความถสงควรมขนาดใหญเนองจากมกระแสสง
ขอเสนอแนะ (เพมเตม)
การหาซออปกรณตางๆ - อปกรณอเลกทรอนกส (ราน เวสเทค ถนน ลาดพราว ซอย 1) - แกนเฟอรไรต (หาซอไดท บานหมอพลาซา)
67
เอกสารอางอง
[1] สมบรณ มาลานนท , สมคด วรยประสทธชย “แหลงจายไฟแบบสวตชง ” หจก .ส านกพมพฟสกสเซนเตอร
[2] รศ.ดร.วรเชษฐ ขนเงน , วฒพล ธาราธรเศรษฐ “อเลกทรอนกสก าลง ” หจก .ส านกพมพ ว.เจ. พรนตง
[3] สวฒน ดน “เทคนคและการออกแบบ สวตชงเพาเวอรซพพลาย ” จดพมพโดย บรษท เอนเทลไทย จ ากด , 2538