ที่รวมวงจรชาร์จแบตเตอรี่kb.psu.ac.th/psukb/bitstream/2010/7529/1/344536.pdfที่รวมวงจรชาร์จแบตเตอรี่

(1)

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา

มหาวทยาลยสงขลานครนทร A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master of Engineering in Electrical Engineering Prince of Songkla University

2554 ลขสทธของมหาวทยาลยสงขลานครนทร

การพฒนารปแบบวงจรคอนเวอรเตอรแบบสองอนพทหลายเอาทพท ทรวมวงจรชารจแบตเตอร

Development of an Integrated Double-Input Multiple-Output Converter Topology with Battery Charger

ปรชญา สตยารกษ Pratchaya Sattayarak

(2)

!"

"# $ %!&''(

!"# )))))))))))))))))) .....)))))))))) +,! (-."/% 0.! 1!) (% ## %%2$) ......))))))))))))). ! $" (-."/% 0. "%)

)))))))))))))))))) ......))))))))))))). ! (-."/% 0.345 06") (-."/% 0.! 1!)

......))))))))))))). ! (-."/% 0.345 06")

37 !8 !9.,1: ; /2 8%2$ ! ##%!%!37 8"%!&''( )...))))))...))))))). (% 0.! %0) 3037

(3)

2553

3

30 24

:

(4)

Thesis Title Development of an Integrated Double-Input Multiple-Output Converter

Topology with Battery Charger

Author Mr.Pratchaya Sattayarak

Major Program Electrical Engineering

Academic Year 2010

ABSTRACT

Multiple-input multiple-output converters are properly used as a power supply

for the system that is required different levels of dc voltages and uses two or more renewable

energy sources as hybrid sources for example in the wireless sensor network system.

This paper presents a novel double-input multiple-output converter topology

integrated with battery charger to increase reliability of the system. Modes of operation in this

converter are divided into 3 modes: normal mode, charging mode and backup mode.

Microcontroller is used to control power supplying from two sources. Moreover, it is used to

control charging battery from either one source or both. When two main sources are absent, the

converter is switched to backup mode. Battery is used as an auxiliary source to the converter. All

operation modes are automatically controlled by microcontroller. A 30-W two-input three-output

prototype with a 24-V battery charger is constructed and tested. The experimental measurements

are demonstrated to verify the performance of the converter and the effectiveness of the control

system. However, the total efficiency of the prototype is not quite good. It is because high power

losses happened in a transformer and snubber circuit.

Keywords : Double-input, Multiple-output, Converter, Battery charger

(5)

. !"##$ $%&'()*+

,#"+ $%&- .*#+##/010#$2"+ .*2'() /##2.##$2"+ ,3 '4#,% $+5,+ #"/.*2+,..#/'67*#$#/-"$#"#8.*2 #"#-',

. +9: "# ; $%&'(),#"+$%&-.*2/##2$,#<'//-<#<$ $%& '4#'<#$2,#"+ /$#"$#"#8.*2 #"#-',

" *"$+,#"#$ =(&, '4#$%&()*/$%&( *#%&".()

/.#>""-??@$3$# $%&.* *A.##,3< #$+&,,#2 ;,

+ B""$+ *"$+,#"#$ "$ *.*7 $%&.* *A#'#,#, 3

%&3 / A&# 3 $+5,#,3 #+()*"$+,#"#$ $$#$%&-.*2/##2 2'() /2+,.$%&%<

"/+ $%& ./ .*-() %# # '+7 ++)

(6)

(6) (9)

(10)

1. 1 1.1 1 1.2 2 1.3 4 1.4 4 1.5 4 1.6 5 1.7 5

2. 7 2.1 - (Double input dc-dc converters) 7

2.1.1 - 7 (Double input buck/buck-boost converter)

2.1.2 8 (Double input buck/buck converter)

2.1.3 - - 9 (Double input buck-boost/buck-boost converter)

2.2 (Multiple output converter) 11 2.2.1 11

(Full-Bridge and Half-Bridge Converters) 2.2.2 (Forward Converter) 12 2.2.3 - (Push-Pull Converter) 13 2.2.4 (Flyback Converter) 14

(7)

( )

2.3 15

3. 3.1 17

3.1.1 18 3.1.1.1 19

3.1.2 2 3.1.2.1 21

3.1.3 22 3.1.3.1 23

3.2 26 3.2.1 26 3.2.2 d2 Q2 27 3.2.3 27

3.3 35 3.3.1 35 3.3.2 36

3.4 38 3.5 39 3.6 4

4. 43 4.1 43

4.1.1 43 4.1.2 44

(8)

( )

4.2 45 4.2.1 45 4.2.2 48 4.2.3 52

4.3 53 4.3.1 53 4.3.2 55 4.3.3 57

5. 59 5.1 59 5.2 60 5.3 60

61 62

(9)

1-1 6 2-1 (Duty cycle) 10

2-2 15 3-1 24 3-2 26 3-3 33 3-4 35 4-1 (Lm) 44 4-2 44

4-3 3 45 4-4 3 48 4-5 52 4-6 54 4-7 55 4-8 57 4-9 57 4-10 58 4-11 58

(10)

1-1 !" 1 1-2 $ !" 2 2-1 %&!%'() )-* 7 2-2 ,""-"".) )-* 7 2-3 0!""-"".%0) )-* 7 2-4 ) ) 8 2-5 0!""-"".%0) ) 8 2-6 )-* )-* 9 2-7 0!""-"".%0)-* )-* 9 2-8 *!6!*%) !7 11 2-9 *!8"!6%) !7 12 2-10 6% 12 2-11 *!,"9.6% 13 2-12 *!'(0-'*!) !7 13 2-13 ""6!":")-* 14 2-14 * 7".%'( !""'(0" 16 3-1 7"%'( !""'( 17

0" 3-2 ;;"<(%097 % 19 3-3 *!97 % 19 3-4 ;;"<(%097 0" 21 3-5 *!97 0" 21

(11)

( )

3-6 23 3-7 "#$%&"#$' 23 3-8 $%) &*+$"&,$,-&,$./" 25 3-9 23" 45+3/6.578% 33 3-10 .:."$&,&/$";3& 34 3-11 "#$.5+'#/&"=&) 36 3-12 $".5+)$'.) 36 3-13 $"&,$,.5+>6..) 36 3-14 "#$.5+'#/&"=& 37 3-15 $".5+)$'. 37 3-16 $"&,$,.5+>6.. 37 3-17 =8" $"$'"$./"3"> $ .$&6&$ 38 3-18 "#$6)$576.57$,$" 40 3-19 )$6*+-."" 40 3-20 =8"#$ 6$6$".&76...5+$ 41

"#$$#6$5+.5+ 3-21 8"#$"..5+ 42 3-22 8"#$&76...5+ 42 3-23 8> $ .$&6&$ "#$$#6$5+&,"#$7$,$" 42

.5+ 4-1 ')&" 45+%".5+'$. - 65+7/ 43 4-2 "$ - 65+7/./-6&6 $*+" R-L-C 6$ 43 4-3 $".5+) 46

(12)

( )

4-4 46 4-5 47 4-6 !""#$%&'(')* 48 4-7 $%#,-) -)./('$% 49 4-8 -)./('$% 50 4-9 -)./('$% 50 4-10 !""#$%&'23"-).". -)./('$% 51 4-11 !""#$%&'(')* -)./('$% 51 4-12 $%#,-) /4'* 52 4-13 /4'* 52 4-14 /4'* 52 4-15 !""#$%&'(')* /4'* 53 4-16 "#' * 23"!6.6 7 '6'#" 53 4-17 "#' * 23"!6.67 6, 53 4-18 "#(')*8# 54 4-19 "#' * 23"!6.6 7 '6'#" -)./('$% 55 4-20 "#' * 23"!6.67 6, -)./('$% 55 4-21 "#$%&' D

B -)./('$% 56

4-22 "#(')*8# -)./('$% 56 4-23 "#$%#,-) Q

B /4'* 57

4-24 "#(')*8# /4'* 58

1

1

1.1 !" #$% & %' (!)! #$%)&'* *) + %&!, ',' -)&)& ! & . / 0)% -0%) 1 $(! - !" 0-)1 (223 #$% 4! -( (223 - & "') 5 0) (&' (& 4!(!4! 0-) 6!"6"#)"!(223 ) (& 6' -4!) $ ) 7))5)5 0-)""6-6!"! 6' -4!) (223 -(! "& & % #$%)&'* "!) "6(&' 77(! [1]-[7] "& !" "&!) (&' & (223 (!) -4!) !% 7%$)"& < "& 0-)& (223 4! -1& 67))5)5$-&)0-)"& $-"& "'!* 6) - 1-1 [8] /$- # !,& "&&

DCDC

OV1S

V

2SV

Load

DCDC

* 6) 1-1 6 -6)!')7))5)5&)&')"&& [8]

&) (! > # !? 4!7))5)5# ! [8]-[9] ' %')"&4!7))5)5!"6 1! !"'!* 6) - 1-2

2

OV

1SV

2SV

LoadDCDC

* 6) 1-2 6 -6)!$-7))5)5&)&')"&& [8]

"60-) 65 )& &"&& (223 6"') ) "!! )) - 6! & 12 4 5 5 4 5 "6 3.3 4 5

!% % 6 ))""6' 7))5)5"')) ) 5 0-))')7 ) !& )& (? #) !)& $-#)"&& (223 !" 70) 7 (&&)0-)#)"& 6(&'* !%$(!))" '&#) 5")- 0-)"&& (223 ' ) )0) "&& %') /$- #)"&& (223 !& 6))""677")41& (477)4 )5 4!6 !4! 7 65 ))" ' "6 !') 0-)" ' "&& (223 "')) ) 5 &)(

1.2 1.2.1 Double K Input PWM DC/DC Converter for High-/Low K Voltage Sources

[8] %#4! Yaow-Ming Chen "67d6(!')" 4!"&& "&6' & 4!(!)& )'6 0)& 4!")(! 6!#)"!) !7& "!-"( 66!"! - 6'4!)4 0-)& 4!&)(

%))"# !?4!"&& ' & 4!(!4!(&))" '&1& "& "&& !"&& $-!)) 6"&& -0)' & 4!" (!

3

1.2.2 New Double Input DC-DC Converters for Automotive Applications [9] %#4! Krishna P. Yalamanchili "67d6(!') !%) !/ !/7))5)5"& %') 4! #)!%) ") ?! i i7))5)5 ))"& 4!4!&)0-) "6!%) " ) ?! i-' i-' 7))5)5 ))"& 4!4!(&&)0-) /$-!%) " ) ?! i-' i-' 7))5)5 !)#))5- ! ) 4!"&& ) 7 /)5&7 ?#)))5 4!")-' -& &7 ?7 - "60-)7 ? ) 7 /)56 -&7 ?))5

!%) %') ))"# !? 4! #) -"& #$%)&7 6' 0) (

1.2.3 An Integrated Flyback Converter for DC Uninterruptible Power Supply

[10] %#4! Kwok-wai Ma "67d6 (!') ) ?!2 "?77))5)5 ' )' 4!) + - #!!! p*(! * 0-)'&1& (& 4! 4!)"2 "?7"6#d6! -& 4! ' 56")5- ! '5"&? !0-)(#"!) '& "!#)")-4!6"' - 56 7& & 6"'#)4!7 - 56 4! "&)) 3 4! 70) 4! 4! 5")- "64!"?)

%6' * ' %# !? "6 7 & 0-) 0-)&)"4!6& )' "6 )5/ 6' (7))5'&77 "67))5'&

1.2.4 A Multiple-Input Multiple KOutput Power Converter With Efficient Power

Management [11] %#4! Yi-Nung Chung "67d6(!')"' ) ')) 5 4!) %' -70) 4/& /5 % "6 ")- /$-) "&6 ))"' & 4!(!4!)'6&) )' & 4! ) - "') 5' & 4!&) )0-(! 6!

4

(&) #d6 - %) & 4!&")-(&(! 0-) ))" & 4!"6 5")- 4! EM78P458

%)" #) 65 &

!

"7))5)5!& < - #) ')) > & ) 5 4!'&#) 5")-# (!0-) -6"')) ) 5 &)(

1.3 # $

1.3.1 0-)+$t "#)7))5)5"')) - 6' 1.3.2 0-)+$t "#)7))5)5" ) 5 - 6' 1.3.3 0-)))""6' 7))5)5"')) ) 5 -

5")-

1.4 &'$()*(+

1.4.1 (!"#)')) ) 5 1.4.2 ("&& (223 )d5)? )'5& < (!

1.5

1.5.1 ))"')) ) 5 # ! 30 5 1.5.2 ))"' ) "!- - 30 4 5"6"!' - 60

4 5 1.5.3 ))"7& "! ) 5 - 12 4 5 5 4 5 "6 3.3 4 5

5

1.6 .

1.7 0( 1.7.1 +$t "#)')) "6 ) 5 -)&

1.7.2 > " #)

6'75 70) 65 ')) ) 5 "6 5")-4! " %!# !

1.7.3 !4! 6'75 70)0-) !4! ')) ) 5 - 5")-

1.7.4 ))"" #) ! ))"" -%'p (4!7 654! ($7 '5#) )5 0-)" !7& )d5 -60)

1.7.5 ) #) 4" ) 'v#))d5"&6&

7 #) '5 0-)!"47 ((!#) -6 ))" 1.7.6 ' " 1.7.7 +$t (477)4 )5

+$t (477)4 )5 0-) 77 #)'5"&64!

1.7.8 !) -(!' #$% ))""6?1 1.7.9 ')'1"6! w'd5

6

#%) ! -& "'!" -')!7)66 - !(!! - 1-1

1-1 2( #%)

!

(3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

1.7.1 +$t "#)')) "6 ) 5 -)&

1.7.2 > " #)

1.7.3 !4!

1.7.4 ))"" #) !

1.7.5 ) #)

1.7.6 ' "

1.7.7 +$t (477)4 )5

1.7.8 !) -(!' #$% ))""6?1

1.7.9 ')'1"6! w'd5

7

2

!"# $% " " '( % )* )!+, $ %)(-(, #,' ( '(',#),(' ))- (.- / ,)

2.1 -!"#" (Double input dc-dc converters)

2.1.1 #()3 3-*+(%(% (Double input buck /buck-boost converter)

HIV

LOV

HIS

LOS

HII

LOI

HID

LOD

LV 'OI

OV

CIOILI

C R

G 2-1 #()3 3-*+(%(% [8]

G - 2-1 ( K 3+(%(%)3-*+(%(%(, #,' !#')" ' V

HI L ' ",!"#( K3+(%(% )

)" ' VLO L ' ",!"#( K3-*+(%(%

HIV

LOV

LV 'OI

OV

CIOILI

C R

LV 'OI

OV

CIOILI

C R

LV 'OI

OV

CIOILI

C R

LV 'OI

OV

CIOILI

C R

HIV

LOV

HIV

LOV

HIV

LOV

GSHIv

GSLOv

t

tSHITd

STSLOTd

ON OFFOFF

OFFON

G 2-2 G G 2-3 $+ ( 3 3-*+(%(% [8] $% [8]

8

$+ ( $% G 2-2 ('G 2-3 $,G 3 G " #!%- (Volt-second balance) #, #

1 0 (2-1) - (2-1) #,+ Q%" )#)( %+.

(2-2)

, " $( -)" ' #, )#- #, # 1 0 (2-3)

+ Q%))-"R ("-' !#' "#",)-"R ("-' )(.-(S,' ('#," #, #

(2-4) (2-5)

#)( % (IO) + $-

IO 1 (2-6)

+ Q%))( %" #, )+ - (2-4) (2-6) ) (2-5) (2-6) ##,

(2-7)

(2-8)

2.1.2 #()3 3+(%(% (Double input buck/buck converter)

1V

2V

1M

2M

1I

2I

1D

2D

LV

OV

CI OILI

C R

1d

2d

1T4T

3T2T

t

t

ON OFF

ON OFFOFF

G 2-4 3 3+(%(% [9] G 2-5 $(

$% [9]

9

$+ ( $% G 2-4 ('G 2-5 $,G 4 G

" #!%- (Volt-second balance) #, #

0 (2-9) + Q%+ ( +.

(2-10) (2-11) (2-12)

# - (2-9) (2-10) (2-11) ) (2-12) #,+ Q%" )( %+.

(2-13) 2.1.3 #()3-* 3-*+(%(% (Double input buck-

boost/buck-boost converter)

1V

2V

1M

2M

1I

2I

1D

2D

LV

OV

CI OILI

'OI

RC

1d

2d

1T 4T3T2T

t

t

ON OFF

OFF ON

G 2-6 3-* 3-* G 2-7 $(

+(%(% [9] $% [9]

$+ ( $% G 2-6 ('G 2-7 $,G 3 G

)#-+$%" #, #

(2-14) (2-15)

10

+ Q%+ ( +. (2-16) (2-17) (2-18)

" #!%- (Volt-second balance) #, # (2-19)

+ Q%" )#)( %#,#

(2-20)

#(+(%(%"#, , ( K ( '(' )L (D) # - 2-1 (.-$, L (.* )#(+(%(%-(" "$,,)

- 2-1 )# ( '('+ (Duty cycle) #(+(%(% -+ )#)( %(

5

!"#"

1

2

"

#6! 1

#6! 2

"' (!%) D D

7 7

60 60 60 50% 50% 60 30 30 35% 30% 30 30 30 50% 50%

7 7-89

60 60 60 50% 25% 60 30 30 25% 25% 30 30 30 50% 25%

7-89 7-89

60 60 60 25% 25% 60 30 30 20% 20% 30 30 30 25% 25%

- 2-1 ("S#, 3-* 3-*+(%(% ,' .- ", *[(' $%,' .-(.-('-#)#(

11

2.2 :#;<"!"#" (Multiple output converter) '%-, )" ' \\] -#)#" '# ",

) + -** $,#^-#^+(%(%(.-)'" #, )#, ( % ) ' ' ( %#, "-( % ^-+(%(%)" '( %-' $, '*" " '

2.2.1 \*#%+(%(%)_ %\#%+(%(% (Full-Bridge and

Half-Bridge Converters)

n:1 5D

6Dn:

)(5

tiDL

C R)(tVS1OV

)(ti

)(6 tiD

2OV

)(1 ti1Q

2Q

3Q

4Q

1D

2D

3D

4D

gV )(tVT

G 2-8 *)\*#%3+(%(%)",) )'!## [12]

G 2-8 #,'##("-' #, 'G*-*)+ +. 1: n : n L%$)-( 0 < t < DT

S

^(% Q1 ) Q4 )))#+",) #, hG*+ ( Vg ( K)#^-("-' *## #, 'G* #,' nV

g #,'",

) D5 ) ) D6 "'# ) )#- VS(t) = nVg ) i(t) ( % "R D5 -$ DTS < t < TS L- ^(%"'# ) # VS = 0 " #!# D5 ) D6 +* )#!#) )#,('+-(#')( % ("-' +. 0.5i $( T

S < t < T

S + DT

S ^(% Q2 ) Q3

))## hG*+ )#( -Vg ( K)#*("-' *##

#, 'G*

12

+ Q%)#)( %+. V = nDV

g (2-21)

)(1 ti n:11

Q

2Q

1D

2D

3D

4D

gV )(tVT

n:

)(3 tiD L

C R)(tVS

)(tiaC

bC

1OV

2OV

G 2-9 *)_ %\#%3+(%(%)",) )'!## [12]

G 2-9 L +, ')\*#%+(%(%)$,$% ('+-"-( !#'(S C

a ) C

b )$%

#)#-#,(".('+-(#'\*#%+(%(% + Q%)#)( %+.

V = 0.5nDVg (2-22)

2.2.2 \%(%#+(%(% (Forward Converter) \%(%#+(%(%)( %)*)#

G 2-10 ) 2-11

321:: nnn 2D

1D

3D

1Q

gV

L

C R

2OV

1OV

G 2-10 \%(%#+(%(% [12]

13

321 :: nnn2

D

1D

3D

1Q

gV

L

C R 1OV1v

MLMi

'1i

1i 2i 3i

3DV

G 2-11 *G '\%(%#+(%(% [12]

\%(%#+(%(%.h 3+(%(%)( %#,* !#') )("S Magnetizing current (i

M) *+ "",( K 0 (.-

^(%"'# ) n1 = n2 + (D) #,) 0 0.5 $ -+ ( 0 < t < DT

S $% Q1 )#!# D2 ) ^-

)# VD3 -+#!# D3 L+ ( # $%$ )) &'

()

* $

+ ( DTS < t < D2TS #!# D1 ) D3 ) )# VD3 -+#!# D3

L+ ( 0 )) &' $

$

()

* )$+ ( D2TS< t < D3TS #!# D3

) ^-)# VD3 -+#!# D3 L+ ( 0 )) iM= 0

+ Q%)#)( %+.

$%

$# (2-23)

2.2.3 $-*+(%(% (Push-Pull Converter) $-* 3+(%(%-",) )'!##)#G 2-12

n:11Q

2Q

1D

2D

gV )(tVT

)(tVT

)(1 tiD

)(ti L

C R 1OV)(tvS

2OV

G 2-12 *)$-*3+(%(%)",) )'!## [12]

14

#, 'G*$-*+(%(% L(".\*#%+(%(%)_ %\#%+(%(% #, hG* ",) ))S ^(% Q1 )#!# D1 )$+ ( 0 < t < DTS )#-###, hG*() V

T = Vg ) vS(t) = nVg $+ ( DTS< t < TS #!# D1 ) D2

) 0.5i $( TS< t < T

S+ DT

S ^(% Q2 )#!# D2 ))#-

###, hG*( ) , - ) vS(t) = nVg $+ ( TS+ DTS< t < 2TS #!# D1 ) D2 ) 0.5i +(%(% $#^(+) 0 1 + Q%)#)( %+.

V = nDVg (2-24)

2.2.4 \ ')S++(%(% (Flyback Converter)

gV

1Q

L

1D

C R

1D

ML

1D

V

+

-

+

-

+

-

1Q

1Dn:1

1OV

+

-

1:1

1:1

()

2OV

+

-

()

(+) ()

gV

1Q

L

gV

1Q

MLgV

C R V

C R

C RC R V

G 2-13 , \ ')S++(%(% 3-*+(%(% [12]

\ ')S++(%(%( K-.h 3-*+(%(% , \ ')S++(%(% 3-*+(%(%)##G 2-13 G 2-13 () ( K3-*+(%(% G 2-13 () )#!+, ^-$,("-' )'( K 1:1 G 2-13 (+) )# )' G 2-13 () ( -'( K 1:n ) #, ( %( K\ ')S++(%(%!#'*L% $+ ( - 0 < t < DT

S $% Q1 ) )# VL= Vg ##

15

#, 'G*)#( .# #!# D1 "'# ) $+ ( - DTS< t < DTS $% Q1 "'# ) #!# D1 ) )#( % VO + ( -nVg + Q%)#)( %+.

.#

/ (2-25)

( p( %+(%(%"#, , ( K ( '(' )L (n) # - 2-2 (.-$, L (.* )( p( %+(%(%-(" "$,,)

- 2-2 )# ( '(' (n) ( p( %+(%(% !#' "#+ )# V/V

g = 1 ) D ( 0.5 0.25 ) 0.1 #

5 !"#"

D = 0.5 D = 0.25 D = 0.1 (n)

\*#%!^(3 2 4 10 _ %\#%!^(3 4 8 20

\%(%# 2 4 10 $-*!^(3 2 4 10

\ ')S+ 1 3 9

- 2-2 ("S#, \ ')S++(%(% (n) ,' .- ", #(S(.-('- QG ( q \ ')S++(%(%'$, L%(S%,' .- (# *[(' L%',' .- )'( K #+ $, ' , #,'

2.3 8;?!9@A9 B":5"##

)#(( p( %-$ %)(- #, 2 * )+.(' (Cadecase construction) ))#\(\%(($' (Differential construction) )##G 2-14

16

DCDC

Converter

1OV

2OV

3OV

isolationtranformer

1V

2V

1V

2V

DCDC

1OV

2OV

3OV

() )(' () #\(\%(($'

G 2-14 * )!+, " '( %-$ %)(-

^- )(-* ),#),(') !#' )(-)(' ",!+, -^^, ( ( K )(-(, +(%(%!#'),$,",) + -* ", -( K)'!##)' ' ( % ' S )" )(-(#+ ('" ' ",)" '-(".+. V1 ) V2 '!"##, )#\(\%(($' ^-$ %)(-)' +(%(% !#' -( K #" + R# (#)(-S'+ #, ",('G ' S L+ ^^,

" '#,(. #()3-* 3-*+(%(% ( p( %)\ ')S++(%(% )(.* ) )(-!#' )#\(\%(($'(.-(-('G

17

บทท 3 การออกแบบวงจร

บทนจะกลาวถงวธการออกแบบวงจร โดยเรมจากสมมตฐานของการรวมวงจร

สองอนพท วงจรหลายเอาทพท และวงจรชารจแบตเตอรเขาดวยกนโดยกาหนดโหมดทางานทง 3 โหมดคอโหมดปกต โหมดชารจแบตเตอร และโหมดแบกอพ

ดานอนพทของวงจรตนแบบกาหนดใหม 2 อนพทเพอรบกาลงไฟฟาจากแหลงจาย 2 ชนด คอ แหลงจายกาลงไฟฟากระแสตรง และแหลงจายกาลงไฟฟากระแสสลบ โดยเลอกใชวงจรสองอนพทแบบบก-บท/บก-บท คอนเวอรเตอร ซงสามารถสรางเปนวงจรหลายเอาทพทแบบฟลายแบคคอนเวอรเตอรไดโดยไมตองมการดดแปลงวงจรแตอยางใด สวนของวงจรชารจแบตเตอรจะตอรวมกบวงจรในลกษณะการตอแบบดฟเฟอรเรนเชยล โดยมสวตชควบคมการประจของแบตเตอร แบตเตอรจะทาหนาทเปนแหลงจายกาลงไฟฟาสารองในกรณทแหลงจายหลกทงสองไมสามารถทางานได กาลงไฟฟาจากแบตเตอรจะถกสงไปยงเอาทพทผานทางสวตชและขดลวดปฐมภมอกชดหนง ภาพประกอบ 3-1 แสดงโครงสรางวงจรคอนเวอรเตอรแบบสองอนพทหลายเอาทพททรวมวงจรชารจแบตเตอรตนแบบ

3.1 ออกแบบวงจรสองอนพทหลายเอาทพททรวมวงจรชารจแบตเตอร

BQ

AC2C

IND

1C

1D 2Q

1Q

2D

BD

SWQ

BCBattery

1n

Bn

1PN

2PN

DC

1OD

1OC 1OR 1OV

2OV

3OV

1Sn

2Sn

3Sn

2OD

3OD

2OC

3OC

2OR

3OR

2SN

3SN

1SN2V 1V

BV

ภาพประกอบ 3-1 โครงสรางวงจรคอนเวอรเตอรแบบสองอนพทหลายเอาทพททรวมวงจรชารจ

แบตเตอรตนแบบ

18

จากภาพประกอบ 3-1 เปนวงจรคอนเวอรเตอรแบบสองอนพทหลายเอาทพททรวมวงจรชารจแบตเตอรเขาดวยกนโดยมแหลงจายกาลงไฟฟากระแสตรง DC และแหลงจายกาลงไฟฟากระแสสลบ AC ทาหนาทเปนแหลงจายของวงจรตนแบบ สวตชควบคมการจายกาลงไฟฟาคอ Q1 และ Q2 ตามลาดบ หมอแปลงความถสงทาหนาทเปนวงจรหลายเอาทพท โดยมขดลวดปฐมภม NP1 ตอรวมกบวงจรสองอนพท ขดลวดปฐมภม NP2 ตอรวมกบแบตเตอรซงใชเปนแหลงจายกาลงไฟฟาสารอง ทางดานทตยภมมขดลวด 3 ชด NS1 NS2 และ NS3 ทาหนาทจายกาลงไฟฟาใหกบโหลดทระดบแรงดนตางกน โดยผานไดโอด DO1 DO2 และ DO3 สวตช QSW ทาหนาทควบคมการชารจประจของแบตเตอร ซงมไดโอด DB เปนอปกรณสงผานพลงงานไปยงแบตเตอร สวตช QB ทาหนาทควบคมการจายกาลงไฟฟาจากแบตเตอรในกรณแหลงจายพลงงานทงสองไมสามารถทางานได

โหมดการทางานของวงจรนแบงเปน 3 โหมดหลก คอโหมดปกต โหมดชารจแบตเตอร และโหมดแบกอพ โดยใชไมโครคอนโทรลเลอรควบคมการทางานของสวตชแบบอตโนมต

ในการวเคราะหโหมดการทางานทกโหมด กาหนดให dQ1 dQ2 dQsw และ dQB เปนสญญาณควบคมสวตช Q1 Q2 QSW และ QB ตามลาดบ สาหรบการวเคราะหและการคานวณคาพารามเตอร กาหนดให Z = 1 2 และ 3 แทนลาดบเอาทพท

3.1.1 วเคราะหการทางานในโหมดปกต เงอนไขการทางานในโหมดนคอหากไมโครคอนโทรลเลอรมการตรวจสอบคา

แรงดนทแบตเตอรแลวพบวามคาสงกวาคาแรงดนอางอง นนคอแบตเตอรถกประจจนเตมแลว ดงนนไมโครคอนโทรลเลอรจะสงใหสวตช QSW “ON” ซงหมายถงไมมการชารจประจใหแบตเตอรและควบคมใหสวตช Q1 และ Q2 ใหนากระแสตามรอบทางานทกาหนดไว โดยจะสลบกนทางานสญญาณควบคมสวตชในโหมดปกตแสดงดงภาพประกอบ 3-2 (ก) นอกจากนหากมแหลงจายใดแหลงจายหนงไมสามารถทางานได ไมโครคอนโทรลเลอรจะควบคมใหสวตชของแหลงจายทเหลอเพมรอบการทางานเพอชดเชยสวนทขาดหายไปดงแสดงในภาพประกอบ 3-2 (ข) และ (ค) โดย รปวงจรสมมลวงจรตนแบบในโหมดปกตแสดงดงภาพประกอบ 3-3

19

ST ST2

1Qd

2Qd

0

SWQd

ST ST20ST ST20BQ

d

1Qd

2Qd

SWQd

BQd

1Qd

2Qd

SWQd

BQd

(ก) ทางานสองแหลงจาย (ข) มเพยงแหลงจายกระแสตรง (ค) มเพยงแหลงจายกระแสสลบ

ภาพประกอบ 3-2 สญญาณควบคมสวตชในโหมดปกต

1CV

1D

1Q 2CV 2Q

2D1n 1n1OD

1OC 1OR 1OV

2OV

3OV

1Sn

2Sn

3Sn

2OD

3OD

2OC

3OC

2OR

3OR

1OD

1OC 1OR 1OV

2OV

3OV

1Sn

2Sn

3Sn

2OD

3OD

2OC

3OC

2OR

3OR

1PN

2SN

3SN

1SN

2SN

3SN

1SN1PN

(ก) ขณะแหลงจายไฟฟากระแสตรงทางาน (ข) ขณะแหลงจายไฟฟากระแสสลบทางาน

ภาพประกอบ 3-3 วงจรสมมลวงจรตนแบบในโหมดปกต

3.1.1.1 วเคราะหคาพารามเตอรในโหมดปกต แรงดนตกครอมอปกรณขณะสวตช Q1 ทางานในโหมดปกต 0 < t < d1TS d1TS < t < d1'TS

(3-1)

(3-2)

(3-3)

0 (3-4)

(3-5)

(3-6)

0 (3-7)

20

กระแสขณะสวตช Q1 ทางานในโหมดปกต

(3-8) ความสมพนธของแรงดนขณะสวตช Q1 ทางานในโหมดปกต

(3-9)

แรงดนตกครอมอปกรณขณะสวตช Q2 ทางานในโหมดปกต

TS < t < d22TS d22TS < t < d2'2TS

(3-10)

(3-11)

(3-12)

0 ; (3-13)

0 (3-14)

(3-15)

0 (3-16)

กระแสขณะสวตช Q2 ทางานในโหมดปกต (3-17) ความสมพนธของแรงดนขณะสวตช Q2 ทางานในโหมดปกต

(3-18)

3.1.2 วเคราะหการทางานในโหมดชารจแบตเตอร หากไมโครคอนโทรลเลอรมการตรวจสอบพบวา คาแรงดนทแบตเตอรมคาตากวา

คาแรงดนอางอง สวตช QSW จะมการ “ON” และ “OFF” เปนรอบโดยชวงทสวตช QSW “OFF” จะตองเปนชวงเวลาทสวตช Q1 หรอ Q2 นากระแส ซงในชวงเวลานกระแสจากแหลงจายจะทาการชารจประจแบตเตอรผานทางไดโอด DB สวนการทางานของสวตชตวอนจะเหมอนในกรณโหมดปกต สญญาณควบคมสวตชในโหมดชารจแบตเตอรแสดงดงภาพประกอบ 3-4 และวงจรสมมลวงจรตนแบบในโหมดชารจแบตเตอรแสดงดงภาพประกอบ 3-5

21

ST ST20 ST ST20ST ST20

1Qd

2Qd

SWQd

BQd

1Qd

2Qd

SWQd

BQd

1Qd

2Qd

SWQd

BQd


ภาพประกอบ 3-4 สญญาณควบคมสวตชในโหมดชารจแบตเตอร

1D

1Q

BDBV

1OD

1OC 1OR 1OV

2OV

3OV

1Sn

2Sn

3Sn

2OD

3OD

2OC

3OC

2OR

3OR

1n 2D

2Q

BDBV

1OD

1OC 1OR 1OV

2OV

3OV

1Sn

2Sn

3Sn

2OD

3OD

2OC

3OC

2OR

3OR

1n

1CV 2CV

2SN

3SN

1SN

2SN

3SN

1SN1PN 1PN

(ก) ขณะแหลงจายไฟฟากระแสตรงทางาน (ข) ขณะแหลงจายไฟฟากระแสสลบทางาน

ภาพประกอบ 3-5 วงจรสมมลวงจรตนแบบในโหมดชารจแบตเตอร

3.1.2.1 วเคราะหคาพารามเตอรในโหมดชารจแบตเตอร แรงดนตกครอมอปกรณขณะสวตช Q1 ทางานในโหมดชารจแบตเตอร 0 < t < d1TS d1TS < t < d1'TS

(3-19)

0 (3-20)

(3-21)

0 (3-22)

(3-23)

0 0 (3-24)

0 (3-25)

(3-26)

22

กระแสขณะสวตช Q1 ทางานในโหมดชารจแบตเตอร (3-27)

ความสมพนธของแรงดนขณะสวตช Q1 ทางานในโหมดชารจแบตเตอร (3-28)

แรงดนตกครอมอปกรณขณะสวตช Q2 ทางานในโหมดชารจแบตเตอร TS < t < d22TS d22TS < t < d2'2TS

(3-29)

0 (3-30)

(3-31)

0 ; (3-32)

0 (3-33)

0 0 (3-34)

0 (3-35)

(3-36)

กระแสขณะสวตช Q2 ทางานในโหมดชารจแบตเตอร (3-37) ความสมพนธของแรงดนขณะสวตช Q2 ทางานในโหมดชารจแบตเตอร

(3-38)

3.1.3 วเคราะหการทางานในโหมดแบกอพ กรณแหลงจายพลงงานทงสองไมสามารถจายกาลงไฟฟาใหกบโหลดได

ไมโครคอนโทรลเลอรจะควบคมสวตช QB ใหนากระแสตามรอบทางานทออกแบบไว สญญาณควบคมสวตชในโหมดแบกอพแสดงดงภาพประกอบ 3-6 และวงจรสมมลวงจรตนแบบในโหมดแบกอพแสดงดงภาพประกอบ 3-7

23

ST ST20

1Qd

2Qd

SWQd

BQd

ภาพประกอบ 3-6 สญญาณควบคมสวตชในโหมดแบกอพ

BV BQ

Bn 1OD

1OC 1OR 1OV

2OV

3OV

1Sn

2Sn

3Sn

2OD

3OD

2OC

3OC

2OR

3OR

2SN

3SN

1SN2PN

ภาพประกอบ 3-7 วงจรสมมลวงจรตนแบบในโหมดแบกอพ

3.1.3.1 วเคราะหคาพารามเตอรในโหมดแบกอพ แรงดนตกครอมอปกรณขณะสวตช QBทางานในโหมดแบกอพ

0 < t < dBTS dBTS < t < TS (3-39) (3-40)

(3-41)

0 ; (3-42)

0 (3-43)

กระแสขณะสวตช QB ทางานในโหมดแบกอพ (3-44)

ความสมพนธของแรงดนขณะสวตช QB ทางานในโหมดแบกอพ (3-45)

24

ในแตละโหมดการทางานของวงจรสามารถเขยนสรปการทางานของสวตชทกตวในวงจรตนแบบไดดงตารางท 3-1

ตารางท 3-1 แสดงความสมพนธของสวตชในแตละโหมดการทางาน

สวตช โหมดปกต โหมดชารจแบตเตอร โหมดแบกอพ Q1 ,Q2 PWM PWM OFF

QB OFF OFF PWM QSW ON PWM ON

จากการวเคราะหวงจรสมมลของวงจรตนแบบในทงสามโหมดการทางาน สามารถเขยนรปคลนแรงดนและกระแสในสวนประกอบหลกของวงจรไดดงภาพประกอบ 3-8 โดย VP1 แทนแรงดนดานปฐมภม 1 VP2 แทนแรงดนดานปฐมภม 2 VSZ แทน แรงดนดานทตยภมใดๆ VDS1 แทนแรงดนทสวตช Q1 VDS2 แทนแรงดนทสวตช Q2 VDB แทนแรงดนทสวตช QB VDOZ แทนแรงดนทไดโอดเอาทพท กระแสทสวตช Q1 กระแสทสวตช Q2 และกระแสทไดโอดเอาทพทตามลาดบ โดยคาแรงดนและกระแสเหลานจะนาไปใชในการออกแบบและเลอกอปกรณสาหรบวงจรตนแบบตอไป

25

SZOZC nnVV 1

1 +

SZOZC nnVV 1

2 +

1DSv

2DSv

SZ

BOZB nnVV +

DSBv

12 CC VV −

11 nnVV B

CB−

SZOZ nnV 1−

1d

1Pv 1CV

11 nnVV SZ

COZ +

SZ

BOZnnV−1

1 nnV B

C

OZV−1

1 nnV SZ

C

12 nnVV B

CB −

2CV

12 nnVV SZ

COZ +

12 nnV B

C

12 nnV SZ

C

BQ

SZ

BOZB nnVV +

SZOZ nnV 1−B

B nnV 1

B

SZBOZ nnVV +

BV

OZV−B

SZB nnV

SWBQB ii ,B

B

LV

B

SZ

B

OZ

nn

dI

'

ST ST22d

BC VV −1 BC VV −2

11 )(

nnVV SZ

BC −1

2 )(nnVV SZ

BC −

SZOZBC nnVVV 1

1 )( +−

SZOZBC nnVVV 1

2 )( +−

SZOZBC nnVVV 1

1 )( +−

OZSZ

BC VnnVV +−

11 )(

SZ

BOZB nnVV +

SWv BV BV

22

11

,

,,

SWQ

SWQ

ii

iiP

C

LV 1

P

C

LV 2

1

1

LVV BC −

1

2

LVV BC −

SZ

OZ

LV−

'1dI OZ

'2dIOZ

'BOZ

dI

SZ

BOZnnV−

Bd ST

SZOZ nnV 1−

SZ

BOZ nnV−

OZV−

12 CC VV −SZ

OZBC nnVVV 1

2 )( +−

12 nnVV SZ

COZ +

22

11

,

,,

BQ

BQ

ii

ii

−

−

11' nn

dI SZOZ

12 ' nn

dI SZOZ

ST ST2

SZ

OZ

LV−

1Q 2Q

1d 2d

'2dIOZ

'1dIOZ

12 ' nn

dI SZOZ

11' nn

dI SZOZ

2Pv

1Pv1Pv

2Pv2Pv

1Q 2Q

SZv

1DSv

2DSv

DSBv

DOZv

SZOZ nnV 1−

SZ

BOZ nnV−

OZV−

SZOZC nnVV 1

1+

SZOZC nnVV 1

2 +

SZ

BOZB nnVV +

SZ

OZ

LV−

OZDi SZ

OZ

LV−

DOZvDOZv

SZvSZv

SZ

BOZ nnV−

OZV−

SZ

BOZB nnVV +

SZ

OZ

LV−

SZOZ nnV 1−

OZDi

OZDi

(ก) โหมดปกต (ข) โหมดชารจแบตเตอร (ค) โหมดแบกอพ

ภาพประกอบ 3-8 รปคลนแรงดนและกระแสในแตละโหมดการทางาน

26

3.2 คานวณหาคาพารามเตอรของวงจรตนแบบ สาหรบการออกแบบและสรางวงจรคอนเวอรเตอรแบบสองอนพทหลายเอาทพทท

รวมวงจรชารจแบตเตอรจะพจารณาภายใตเงอนไขทกาหนดดงตารางท 3-2

ตารางท 3-2 คาพารามเตอรเบองตนทใชในการออกแบบวงจรตนแบบ คณสมบตของวงจรตนแบบ

Output Power 30 วตต Input 1: VC1 30 โวลท Input 2: VC2 60 โวลท Battery: VB 24 โวลท

Output 1: VO1 12 โวลท Output 2: VO2 5 โวลท Output 3: VO3 3.3 โวลท

Switching Frequency 100 kHz Duty cycle input 1: d1 0.5 Duty cycle battery: dB 0.5

กาหนดใหกาลงไฟฟารวมดานออกทงสามเอาทพทเทากบ 30 วตต โดยแตละ

เอาทพทมกาลงไฟฟาเอาทพทละ 10 วตต วงจรทางานทความถ 100 kHz ในการออกแบบจะเลอกรอบทางาน d1 และ dB ใหเทากบ 0.5 เพอสามารถคานวณอตราสวนรอบของหมอแปลงได

3.2.1 การคานวณหาอตราสวนจานวนรอบของหมอแปลง

หาคาอตราสวนจานวนรอบ nS1 nS2 และ nS3 ดานทตยภมสามารถหาไดจากสมการ (3-9) อตราสวนรอบของขดลวดทตภม nS1 12 30 .. 0.4

27

อตราสวนรอบของขดลวดทตภม nS2 5 30 .. 0.17

อตราสวนรอบของขดลวดทตภม nS3 3.3 30 ..

0.11

อตราสวนจานวนรอบ nB ดานปฐมภม 2 จากสมการ (3-45) จะได

12 24 .. . 0.8

3.2.2 การคานวณหารอบทางาน d2 ของสวตช Q2จากสมการ (3-18) จะได

12 60 . 0.33

3.2.3 การออกแบบหมอแปลงความถสง [12]

คานวณคากระแส IO1 IO2 และ IO3 ดานเอาทพท จากคากาลงไฟฟาดานออก wOZ ตอคาแรงดนเอาทพท vOZ สามารถคานวณหาคากระแสไดดงน (3-46) 0.83

2

. 3.03

คานวณคากระแสทาแมเหลก (Magnetizing current IM) ของขดลวดปฐมภม NP1

เนองจากในวงจรตนแบบมแรงดนอนพท 2 คาซงแตละอนพทจะสลบกนจายกาลงไฟฟาใหกบโหลดผานทางหมอแปลงความถสง 1 ตว นอกจากนในโหมดแบกอพกาลงไฟฟาจากแบตเตอรจะถกสงไปยงโหลดผานหมอแปลงตวเดยวกน ดงนนในการออกแบบหมอแปลงความถสงนจงตองคานวณคาตางๆ โดยพจารณาจากทงสามกรณเพอหาคาวกฤตมาทาการเลอกขนาดและออกแบบหมอแปลงตอไป

28

• คากระแสทาแมเหลกของขดลวดปฐมภม NP1 เนองจากอนพท 1 (IM1) กระแสทไหลผานขดลวดปฐมภม NP1 หมอแปลงทงหมดเนองจากอนพท 1

สามารถคานวณผลรวมของกระแสจากแตละเอาทพททรอบทางาน d1 จากสมการท (3-8) กระแสผานหมอแปลงเนองมาจากเอาทพทท 1

. . . 0.664

กระแสผานหมอแปลงเนองมาจากเอาทพทท 2

. . 0.68 กระแสผานหมอแปลงเนองมาจากเอาทพทท 3

. . . 0.67

คากระแสทาแมเหลกรวม (IM1) ของขดลวดปฐมภม NP1 0.664A 0.68A 0.67A 2A

• คากระแสทาแมเหลกของขดลวดปฐมภม NP1 เนองมาจากอนพท 2 ( IM2) กระแสทไหลผานขดลวดปฐมภม NP1 หมอแปลงทงหมดเนองจากอนพท 2

สามารถคานวณผลรวมของกระแสจากแตละเอาทพททรอบทางาน d2 จากสมการท (3-17)

กระแสผานหมอแปลงเนองมาจากเอาทพทท 1 . . . 0.5 กระแสผานหมอแปลงเนองมาจากเอาทพทท 2

. . 0.5


. . . 0.5 คากระแสทาแมเหลกรวม (IM2) ของขดลวดปฐมภม NP1

0.5A 0.5A 0.5A 1.5A

• คากระแสทาแมเหลกของขดลวดปฐมภม NPB เนองมาจากแบตเตอร ( IMB) กระแสทไหลผานขดลวดปฐมภม NPB หมอแปลงทงหมดเนองจากแบตเตอร

สามารถคานวณผลรวมของกระแสจากแตละเอาทพททรอบทางาน dB จากสมการท (3-44)

กระแสผานหมอแปลงเนองมาจากเอาทพทท 1 . . .. 0.83 กระแสผานหมอแปลงเนองมาจากเอาทพทท 2 . . . 0.85


. . . . 0.83

29

คากระแสทาแมเหลกรวม (IMB) ของขดลวดปฐมภม NP1 0.83A 0.85A 0.83A 2.5A

กาหนดกระแสกระเพอมของ ( ) กระแสทาแมเหลกเทากบ 20% ของกระแสทาแมเหลก จะได 0.2 0.2 2 0.4 0.2 0.2 1.5 0.3 0.2 0.2 2.5 0.5 คายอดกระแสทาแมเหลก , (3-47) , 2 0.4 2.4 , 1.5 0.3 1.8 , B 2.5 0.5 3 คานวณคาตวเหนยวนาทาแมเหลก (LM) (3-48) . . 0.187

. . 0.334

. . 0.12

คานวณคากระแสอารเอมเอสสงสดดานปฐมภม จาก √ 1 (3-49) คากระแสอารเอมเอสดานทตยภมเนองจากอนพท 1

1 13 2 √0.5 1 13 0.42 1.42A

คากระแสอารเอมเอสดานทตยภมเนองจากอนพท 2

1 13 1.5 √0.33 1 13 0.31.5 0.87A

คากระแสอารเอมเอสดานทตยภมเนองจากแบตเตอร

1 13 2.5 √0.5 1 13 0.52.5 1.78A

30

คานวณคากระแสอารเอมเอสสงสดดานทตยภมจาก

√ 1 (3-50)


1 13 10.4 2 √0.5 1 13 0.42 3.56

1 13 10.17 2 √0.5 1 13 0.42 8.37

1 13 10.11 2 √0.5 1 13 0.42 12.94


1 13 10.4 1.5 √0.666 1 13 0.31.5 3.08

1 13 10.17 1.5 √0.666 1 13 0.31.5 7.25

1 13 10.11 1.5 √0.666 1 13 0.31.5 11.2

คากระแสอารเอมเอสดานทตยภมเนองจากแบตเตอร

1 13 0.80.4 2.5 √0.5 1 13 0.52.5 3.56

1 13 0.80.17 2.5 √0.5 1 13 0.52.5 8.37

1 13 0.80.11 5.5 √0.5 1 13 0.52.5 12.94

31

คานวณคากระแสอารเอมเอสรวมเนองจากอนพททง 3 ตว (3-51)

คากระแสอารเอมเอสรวมดานอนพทเนองจากอนพท 1

1.42 . 3.56 . 8.37 . 12.94 5.69 คากระแสอารเอมเอสรวมดานอนพทเนองจากอนพท 2

0.87 . 3.08 . 7.25 . 11.2 4.57 คากระแสอารเอมเอสรวมดานอนพทเนองจากแบตเตอร

1.78 .. 3.56 .. 8.37 .. 12.94 7.12

คานวณคาคงทของแกนหมอแปลง Kg , 10 (3-52)

เลอกคาตวเหนยวนาทมากทสดคอ LM2 = 0.334mH คาคงทของแกนหมอแปลง Kg1 เนองจากอนพท 1 , 10 . . . .. . . 10 127.5 10 คาคงทของแกนหมอแปลง Kg2 เนองจากอนพท 2

, 10 . . . .. . . 10 46.3 10 คาคงทของแกนหมอแปลง KgB เนองจากแบตเตอร , 10 . . .. . . 10 312 10

32

จากผลการคานวณทง 3 กรณ ใชคา 312 10 อางองในการเลอกแกนดงนน 312 10 เลอกขนาดแกน ซงเลอกเปนแกน ETD44 ทมคา 846 10 จาก Appendix D [12] โดยแกนดงกลาวมคาพารามเตอรตางๆ ดงน

1.74 2.13 7.62 10.3

คานวณคาระยะหางของชองวางอากาศ (lg)ใชพารามเตอรของแบตเตอรจาก , 10 (3-53)

, 10 4 10 / 0.12 10 30.25 1.74 10 0.125 คานวณจานวนรอบขดลวดดานปฐมภม(NPB) , 10 (3-54) .. . 10 8.27 2 16.54 17 รอบ คานวณจานวนรอบขดลวดดานปฐมภม (NP1) จาก

NPB = 0.8NP1 (3-55) . .. 20.68 21 รอบ คานวณจานวนรอบขดลวดดานทตยภม (NS) จากสมการ (3-45)

จะได 12 .. 8.5 9 รอบ

5 .. 3.54 4 รอบ

3.3 .. 2.34 3 รอบ

33

ตารางท 3-3 แสดงสรปจานวนรอบขดลวดและอตราสวนตอพนทการพน (α) สาหรบสรางหมอแปลงความถสงในวงจรตนแบบ ตารางท 3-3 สรปจานวนรอบขดลวดและอตราสวนขดลวดตอพนทการพนในแกนหมอแปลง

NPB NP1 NS1 NS2 NS3 17 รอบ 21 รอบ 9 รอบ 4 รอบ 3 รอบ

P2 P1 S1 S2 S3 0.315 0.389 0.167 0.074 0.056

คานวณขนาดลวด

, . . . 11.84 10 , . . . 11.84 10 , . . . 11.86 10 , . . . 11.82 10 , . . . 11.93 10

จาก Appendix D [12] สามารถเลอกลวดเบอร #23AWG ซงทนกระแสสงสดได 4.7A [13] ในทกชดขดลวด อยางไรกตามเพอลดผลของ skin effect เนองจากการทางานทความถสง จงเลอกใชขดลวดเบอร#31 ซงเหมาะสมสาหรบการทางานทความถ 100 kHz ดงแสดงในภาพประกอบ (3-9) โดยการคานวณจานวนเสนในการตเกลยวเปนไปตามสมการ (3-56)

ใชเบอร #23AWG ทนกระแสสงสดได 4.7A [13]

C°100

C°25

1.0

01.0

001.0

cmdepthnPenetratio

,_δ

diameterWire

kHz10 kHz100 MHz1

AWG20#

AWG30#

AWG40#

Frequency ภาพประกอบ 3-9 ความสมพนธของความถกบขนาดตวนาเทยบกบอณหภม

34

ทความถ 100 kHz คาการนากระแสของวสดทองแดงทอณหภม 100˚C คอเบอร #31AWG [12] #23AWG ม Bare area 2.508 10

#31AWG ม Bare area 0.4013 10

จะได B AWGB AWG .. 6.24 7 เสน (พนตเกลยว) (3-56) การวางชนขดลวดในหมอแปลงความถสง

ทศทางการพนทางดานปฐมภมและดานทตยภมมทศทางตรงขามกนเพอชวยในการลดคาความเหนยวนารวไหลทเกดขนขณะสงผานพลงงาน ในทางอดมคตการทางานใน โหมดปกตขณะ NP1 เหนยวนาสนามแมเหลกทางดานบวก ขดลวดทางดานปฐมภม NPB จะมสนามแมเหลกเปน 0 เพราะถกหกลางโดยสนามแมเหลกทางดานลบของขดลวดทางดานทตยภม NS1 NS2 และ NS3 เชนเดยวกนกบโหมดแบกอพขณะ NPB เหนยวนาสนามแมเหลกทางดานบวก ขดลวดทางดานปฐมภม NP1 จะมสนามแมเหลกเปน 0 เพราะถกหกลางโดยสนามแมเหลกทางดานลบของขดลวดทางดานทตยภม NS1 NS2 และ NS3 ลาดบการเรยงขดลวดคอ NS1- NS3 - NS2 เพอกาหนดการรบพลงงานทางดานทตยภมเนองจาก NS3 มการรบกระแสมากกวา NS1 และ NS2 จงจดตาแหนงใหอยหางจากทางปฐมภมเพอปองกนการนากระแสแบบไมตอเนองซงในวงจรตนแบบนชนของขดลวดจะถกวางตามภาพประกอบ (3-10)

core PBN3SN 2SN1SN1PN

×××

ภาพประกอบ 3-10 ทศทางการพนและลาดบการวางชนขดลวด [10]

35

คาพกดของสวตชและอปกรณตางๆ ในวงจรตนแบบสามารถสรปไดดงตารางท 3-4 ตารางท 3-4 คาอปกรณทใชสรางวงจรคอนเวอรเตอรแบบสองอนพทหลายเอาทพททรวมวงจรชารจแบตเตอร

พารามเตอร อปกรณ/คาทเลอก พารามเตอร อปกรณ/คาทเลอก Q1, Q2, QB, QSW IRFP250N NS2 4 รอบ

D1, D2, DB, DO1, DO2, DO3 MUR1520G NS3 3 รอบ DIN FR605 LP1 1.27mH

C1, C2, CB 470 F LP2 0.838mH CO1, CO2, CO3 1,000 F RO1 14.5Ω

N1 21 รอบ RO2 2.5Ω NB 17 รอบ RO3 1.1Ω NS1 9 รอบ แกนเฟอรไรท ETD44

3.3 การจาลองการทางานของวงจรตนแบบ จากการนาคาตางๆ ของอปกรณในการสรางวงจรคอนเวอรเตอรแบบสองอนพท

หลายเอาทพททรวมวงจรชารจแบตเตอรมาสรางแบบจาลองในโปรแกรม PSIM และจาลองการทางานซงแสดงเปนสองโหมดคอโหมดปกตและโหมดแบกอพเทานนในสวนของโหมดชารจแบตเตอรไมสามารถทาการจาลองผลไดเนองจากขดจากดของโปรแกรมจาลอง โดยกาหนดใหรปคลนแรงดนเปนสญญาณบนและรปคลนกระแสเปนสญญาณลาง กรณมรปคลนสญญาณแรงดนและกระแสอยในรปเดยวกนทกกรณ

3.3.1 ผลการจาลองการทางานของวงจรตนแบบในโหมดทางานปกต การจาลองการทางานของวงจรตนแบบไดกาหนดแรงดนอนพทใหมขนาดตางกน

โดยกาหนดให VC1 = 30 โวลท และ VC2 = 60 โวลท แรงดนเอาทพทมขนาดแรงดน 12 โวลท 5 โวลท และ 3.3 โวลท ตามลาดบ ความถสวตชง 100 kHz โดยแหลงจายทงสองทางานพรอมกนรปวงจรทใชจาลองแสดงดงภาพประกอบ 3-11 รปคลนของแรงดนทอปกรณดานอนพท แสดงดงภาพประกอบท 3-12 รปคลนแรงดนและกระแสทไดโอดของเอาทพททงสามแสดงดงภาพประกอบท 3-13

(ก) แร

(ก

โวลท 5 โวภาพประกอบแรงดนและก

ภ

รงดนทสวตชภาพป

) เอาทพท 1 ภาพประก

3.3.2 ผลกาหนดใ

วลท และ 3.3บ 3-14 รปคกระแสทไดโอ

ภาพประกอบ

ช Q1 ประกอบ 3-12

กอบ 3-13 แร

การจาลองกาใหแรงดนแบ โวลท ตามลคลนแรงดนทอดเอาทพททง

3-11 วงจรท

(ข) แรงดนท2 แรงดนทอป

(ข) เอาทรงดนและกระ

ารทางานของตเตอร VB =ลาดบความถสอปกรณดานงสามแสดงดง

ใชจาลองผลใ

สวตช Q2 ปกรณดานอน

พท 2 ะแสทไดโอดเ

วงจรตนแบบ= 24 โวลทสวตชง 100 kอนพทแสดงงภาพประกอ

ในโหมดปกต

(ค) แรงดนพทในโหมด

(คเอาทพทในโห

บในโหมดแบ แรงดนเอาท

kHz วงจรทดงภาพประกบ 3-16

ต

ดนทตวเหนยวดปกต

ค) เอาทพท 3 หมดปกต

กอพ ทพทมขนาดแทใชจาลองผลกอบ 3-15 รป

36

วนา LP1

แรงดน 12ลแสดงดงคลนของ

(ก) เอ

ภา

(ก) แรงภาพประ

อาทพท 1 ภาพประกอ

าพประกอบ 3

งดนทสวตช Qะกอบ 3-15 แร

อบ 3-16 แรง

3-14 วงจรทใช

QB รงดนทอปกร

(ข) เอาทดนและกระแ

ชจาลองผลใน

(ข) แรงรณดานอนพท

พท 2 แสทไดโอดเอ

นโหมดแบกอ

งดนทตวเหนยทในโหมดแบ

าทพทในโหม

อพ

ยวนา LP2 บกอพ

(ค) เอาทพท มดแบกอพ

37

3

38

3.4 โฟรชารทสาหรบการควบคมการทางานของวงจรตนแบบ เพอใหการควบคมการทางานของวงจรคอนเวอรเตอรแบบสองอนพทหลาย

เอาทพททรวมวงจรชารจแบตเตอรทออกแบบเปนไปอยางอตโนมต ในงานวจยนจงใชไมโครคอนโทรลเลอร PIC18F458 เปนตวควบคมการทางานของสวตชและในการเปลยนโหมดการทางาน โดยมตวตรวจจบแรงดนอนพททงสองและแรงดนทแบตเตอร เงอนไขในการควบคมแสดงเปน Flow chart ดงภาพประกอบ 3-17 ซงอธบายไดดงน

ภาพประกอบ 3-17 แผนภาพแสดงโครงสรางการทางานของไมโครคอนโทรลเลอร

39

ถาแรงดนแบตเตอรมมากกวาคาแรงดนอางอง (Vbatt >12V) สวตชททาหนาทชารจแบตเตอร GSW จะ “ON” ซงจะไมมการชารจประจใหแบตเตอรซงเปนโหมดการทางานปกต ถาหากแรงดนแบตเตอรมคาตากวาหรอเทากบแรงดนอางอง (Vbatt ≤ 12V) สวตช GSW จะถกควบคมดวยสญญาณ PWM ซงจะเขาสโหมดชารจแบตเตอร สวตช GSW จะทางานพรอมกบสวตช G1 และสวตช G2ในชวงนากระแส ตอมาเปนการเชคแหลงจายพลงงานหลกของวงจร โดยกาหนดใหแหลงจายไฟฟากระแสตรงทางานเปนอนดบแรกและแหลงจายไฟฟากระแสสลบทางานเปนอนดบทสองตามลาดบ

เซนเซอรตรวจจบแรงดนอนพทของวงจรจะตรวจสอบวามแหลงจายไฟฟากระแสตรงหรอไม (Yes1/No1) ถาม (Yes1) ไมโครคอนโทรลเลอรจะสงสญญาณ PWM ไปควบคมสวตช G1 ใหทางานชวงเวลา (0-TS) ตอจากนน เซนเซอรตรวจจบแรงดนอนพท 2 ของวงจรจ ะ ต ร ว จ ส อ บ ว า ม แ ห ล ง จ า ย ไ ฟ ฟ า ก ร ะ แ ส ส ล บ ห ร อ ไ ม (Yes2/No2) ถ า ม (Yes2) ไมโครคอนโทรลเลอรจะสงสญญาณ PWM ไปควบคมสวตช G2 ใหทางานในชวงคาบเวลา (TS-2TS) แลววนกลบไปจดเรมตนใหม ถาเซนเซอรตรวจจบแรงดนอนพท 2 เปน “No2” สวตช G2 จะ OFF จากนน เซนเซอรตรวจจบแรงดนอนพท 1 จะตรวจสอบวามแหลงจายไฟฟากระแสตรงหรอไม (Yes4/No4) ถาม (Yes4) ไมโครคอนโทรลเลอรจะสงสญญาณ PWM ไปควบคมสวตช G1 ใหทางานชวงคาบเวลา (TS-2TS) ตอ แลววนกลบไปจดเรมตน ถาไมม (No4) สวตช G1 จะ OFF และวงจรจะเขาสโหมดแบกอพตอไป โดยจะมสญญาณ PWM ไปควบคม สวตช GB ใหทางานชวงคาบเวลา (0-TS) และ (TS-2TS)

ถาหากไมมแหลงจายไฟฟากระแสตรงชวงแรก (No1) สวตช G1 จะ OFF จากนน เซนเซอรตรวจจบแรงดนอนพท 2 จะตรวจสอบวามแหลงจายไฟฟากระแสสลบหรอไม (Yes3/No3) ถาม (Yes3) ไมโครคอนโทรลเลอรจะสงสญญาณ PWM ไปควบคมสวตช G2 ใหทางานชวงคาบเวลา (TS-2TS) ตอถาไมม (No5) สวตช G2 จะ OFF และวงจรจะเขาสโหมดแบกอพตอไป โดยจะมสญญาณ PWM ไปควบคม สวตช GB ใหทางานชวงคาบเวลา (0-TS) และ (TS-2TS)

3.5 วงจรเปรยบเทยบระดบแรงดน สวตช QSW ในวงจรทออกแบบทาหนาทชารจประจใหกบแบตเตอร ควบคมโดยไมโครคอนโทรลเลอรทรบอนพทเขามาประมวลผลการทางาน จากเอาทพทของวงจรเปรยบเทยบระดบแรงดนโดยใช IC LM339N ดงภาพประกอบ 3-18 วงจรเปรยบเทยบระดบแรงดนนจะรบอนพทมาจากแบตเตอรดวยระดบแรงดนทถกลดทอนลง = 12 โวลท เปรยบเทยบกบระดบแรงดนทใชเปนไฟเลยงวงจรนคอ 15โวลท

40

ภาพประกอบ 3-18 วงจรเปรยบเทยบระดบแรงดน

ชพทใชคอ IC LM339N สญญาณเอาทพททออกจากวงจรนจะตองผานอปกรณ เชอมตอทางแสง และลดทอนระดบแรงดนลงกอนจะตอกบอนพทของไมโครคอนโทรลเลอร เนองจากระดบแรงดนทใชไมไดเทยบกบกราวดเดยวกนลอจก 0 แสดงถงระดบพลงงานเตมของแบตเตอรสวตช QSW (ON) ลอจก 1 แสดงถงการชารจแบตเตอรสวตช QSW (PWM)

3.6 วงจรยกระดบแรงดนสญญาณขบสวตช

ภาพประกอบ 3-19 อปกรณเชอมตอทางแสง

เพอยกระดบแรงดนควบคมจากไมโครคอนโทรลเลอรใหสงขนในการขบสวตช และเพอแยกระบบกราวดแรงดนตากบแรงดนสงออกจากกน ชพ IC PC923L จงถกนามาใชกบวงจรตนแบบ เนองจากระดบแรงดนเอาทพทของไมโครคอนโทรเลอรมคาระดบแรงดนตาซงไมเพยงพอในการขบสวตชใหทางานไดอยางเตมท การเชอมตอทางแสงทาใหระบบกราวดถกแยกจากกนโดยสนเชง เปนอปกรณทใชปองกนความเสยหายทอาจจะเกดขนกบวงจรควบคมไดในขณะสงสญญาณขบสวตชใหกบวงจรเพาเวอร

ภาพประกอบ 3-20 แสดงแผนภาพวงจรคอนเวอรเตอรแบบสองอนพทหลายเอาทพททรวมวงจรชารจแบตเตอรทออกแบบทงหมด ทงในสวนวงจรภาคกาลง วงจรขบ และวงจรควบคม ภาพประกอบ 3-21 ถง 3-23 แสดงภาพวงจรจรงทสรางขน

41

BQ

AC

IND

1C

1D

2Q

1Q

2D

BDSWQ

1OD

1OV

2OV

3OVBCBV

1n

Bn

1Sn

2Sn

3Sn

2OD

3OD

1PL

2PL

2SL

3SL

1SL

DC

:

2C 1OC

2OC

3OC

1OR

2OR

3OR

ภาพประกอบ 3-20 แผนภาพวงจรคอนเวอรเตอรแบบสองอนพทหลายเอาทพททรวมวงจรชารจ

แบตเตอรทออกแบบ

42

ภาพประกอบ 3-21 ภาพวงจรสองอนพททออกแบบ

ภาพประกอบ 3-22 ภาพวงจรหลายเอาทพททออกแบบ

ภาพประกอบ 3-23 ภาพไมโครคอนโทรลเลอร วงจรชารจแบตเตอร

และวงจรยกระดบแรงดนทออกแบบ

43

บทท 4 ผลการทดลองและวเคราะหผลการทดลอง

4.1 ทดสอบหมอแปลงความถสง

4.1.1 ทดสอบคาความเหนยวนา หมอแปลงความถสงดงแสดงในภาพประกอบ 4-1 ทนามาใชกบวงจรสองอนพท

หลายเอาทพททรวมวงจรชารจแบตเตอร จะตองมคาความเหนยวนามากพอสาหรบเกบพลงงานสะสมไว จงตองทาการทดสอบวดคาความเหนยวนา ซงผลทไดจากการทดสอบจะตองมคาไมนอยกวาผลทไดจากการออกแบบไว ภาพประกอบ 4-2 แสดงการวดคาความเหนยวนาทาแมเหลกกบเครอง R-L-C มเตอร ซงสามารถสรปคาความเหนยวนาทวดไดเปรยบเทยบกบคาทออกแบบไวได ดงตารางท 4-1

ภาพประกอบ 4-1 หมอแปลงความถสงทใชในการทดสอบคาความเหนยวนา

ภาพประกอบ 4-2 แสดงการวดคาความเหนยวนาทาแมเหลกกบเครอง R-L-C มเตอร

44 ตารางท 4-1 เปรยบเทยบคาความเหนยวนา (Lm) ของหมอแปลงความถสง

คาความเหนยวนา (Lm) ผลจากการออกแบบ (mH) ผลจากการทดสอบ (mH) ดานปฐมภมท1 LP1 0.334 1.23 ดานปฐมภมท2 LP2 0.12 0.814

ผลจากการทดสอบจากตารางท 4-1 คาความเหนยวนาทวดไดทคามากกวาผลจาก

การออกแบบ หมอแปลงความถสงทออกแบบมคาความเหนยวนาเพยงพอทจะสะสมพลงงานสาหรบจายไปยงโหลด

4.1.2 การทดสอบการสงผานกาลงไฟฟาของหมอแปลงความถสง การทดสอบการสงผานกาลงไฟฟาจากดานปฐมภมไปยงดานทตยภมของหมอ

แปลงความถสงโดยใช ฟงกชนเจนเนอรเรเตอรจายแรงดนกระแสสลบคายอดถงยอดขนาด 10 โวลท ใหกบหมอแปลงความถสงทความถ 100 kHz เพอทดสอบผลการแปลงระดบแรงดนวาเปนไปตามจานวนรอบทไดทาการออกแบบหรอไม ซงผลการทดสอบเปรยบเทยบกบการคานวณแสดงดงตารางท 4-2

ตารางท 4-2 ผลการทดสอบแรงดนดานทตยภมของหมอแปลงความถสงเปรยบเทยบกบการคานวณ

Primary voltage VP1 = 10 V Primary voltage VP2 = 10 V ผลจากการคานวณ ผลจากการทดสอบ ผลจากการคานวณ ผลจากการทดสอบ

VS1 4 V VS1 4 V VS1 5 V VS1 5 V VS2 1.7 V VS2 1.7 V VS2 2.125 V VS2 2.125 V VS3 1.1 V VS3 1.1 V VS3 1.375 V VS3 1.375 V

จากตารางท 4-1 และตารางท 4-2 สรปไดวาผลจากการทดสอบคาความเหนยวนา

ทาแมเหลกและผลจากการทดสอบเปรยบเทยบแรงดนเปนไปตามคาตามตองการ ดงนนหมอแปลงความถสงนสามารถนามาใชกบวงจรทออกแบบได

45 4.2 ผลการทดลองของวงจรตนแบบ

การทดสอบการทางานของวงจรตนแบบไดกาหนดแรงดนอนพทใหมขนาดตางกน โดยใหแรงดนกระแสตรงทอนพท 1 VC1 = 30 โวลท และแรงดนกระแสตรงทอนพท 2 VC2 = 60 โวลท แรงดนเอาทพทกระแสตรงมขนาด 12 โวลท 5 โวลท และ 3.3 โวลท ตามลาดบ โดยวงจรทางานทความถสวตช 100 kHz โดยการทดสอบจะทาในทง 3 โหมดการทางาน

โดยภาพประกอบแสดงรปคลนแรงดนเปนสญญาณดานบนและรปคลนกระแสเปนสญญาณดานลาง กรณทภาพประกอบมรปคลนสญญาณแรงดนและกระแสอยในรปเดยวกนทกกรณ

4.2.1 ผลการทางานของวงจรในโหมดปกต การทางานของสวตชทง 4 ตวในวงจรคอนเวอรเตอรตนแบบขนอยกบสถานะของ

แหลงจายซงสามารถเปลยนแปลงไดแบบอตโนมตโดยการควบคมจากไมโครคอนโทรลเลอร สถานะของสวตชใน 3 กรณคอ สองแหลงจายทางาน มเพยงแหลงจายกระแสตรงทางาน และมเพยงแหลงจายกระแสสลบทางาน แสดงดงตารางท 4-3

ตารางท 4-3 สถานะของสวตชในโหมดปกต ใน 3 กรณ

สถานะ Q1 Q2 QB QSW ทางานสองแหลงจาย PWM PWM OFF ON

มเพยงแหลงจายกระแสตรง PWM OFF OFF ON มเพยงแหลงจายกระแสสลบ OFF PWM OFF ON

รปคลนของแรงดนทสวตชในโหมดปกตแสดงในภาพประกอบ 4-3 ภาพประกอบ

4-4 และ 4-5 แสดงแรงดนดานปฐมภมและทตยภมในโหมดปกต ตามลาดบ ในขณะทภาพประกอบ 4-6 แสดงรปคลนแรงดนและกระแสทไดโอดดานเอาทพททง 3 ในโหมดปกต

46

แรงดนทสวตช Q1 แรงดนทสวตช Q1 แรงดนทสวตช Q1


แรงดนทสวตช QB แรงดนทสวตช QB แรงดนทสวตช QB

(ก) ทางานสองแหลงจาย (ข) มเพยงแหลงจายกระแสตรง (ค) มเพยงแหลงจายกระแสสลบ ภาพประกอบ 4-3 แรงดนทสวตชในโหมดปกต

แรงดนทขดลวด NP1 แรงดนทขดลวด NP1 แรงดนทขดลวด NP1


(ก) ทางานสองแหลงจาย (ข) มเพยงแหลงจายกระแสตรง (ค) มเพยงแหลงจายกระแสสลบ ภาพประกอบ 4-4 แรงดนดานปฐมภมในโหมดปกต

47

แรงดนทขดลวด NS1 แรงดนทขดลวด NS1 แรงดนทขดลวด NS1



(ก) ทางานสองแหลงจาย (ข) มเพยงแหลงจายกระแสตรง (ค) มเพยงแหลงจายกระแสสลบ ภาพประกอบ 4-5 แรงดนดานทตยภมในโหมดปกต

48

แรงดนและกระแสทไดโอด DO1 แรงดนและกระแสทไดโอด DO1 แรงดนและกระแสทไดโอด DO1



(ก) ทางานสองแหลงจาย (ข) มเพยงแหลงจายกระแสตรง (ค) มเพยงแหลงจายกระแสสลบ ภาพประกอบ 4-6 แรงดนและกระแสทไดโอดเอาทพทในโหมดปกต

4.2.2 ผลการทางานของวงจรในโหมดชารจแบตเตอร การทางานในโหมดนเกดขนเนองจากแรงดนของแบตเตอรตากวาระดบแรงดน

อางอง ไมโครคอนโทรลเลอรจะสงใหวงจรเขาสการทางานโหมดการชารจประจโดยอตโนมต อยางไรกตามหากแรงดนแบตเตอรสงกวาระดบแรงดนอางองเมอไหรโหมดนสามารถทจะเปลยนไปยงโหมดปกตไดโดยอตโนมตเชนกน

การทางานของสวตชทง 4 ตวในวงจรคอนเวอรเตอรตนแบบใน 3 กรณ แสดงดงตารางท 4-4 ตารางท 4-4 สถานะของสวตชในโหมดชารจแบตเตอรใน 3 กรณ

สถานะ Q1 Q2 QB QSW ทางานสองแหลงจาย PWM PWM OFF PWM

มเพยงแหลงจายกระแสตรง PWM OFF OFF PWM มเพยงแหลงจายกระแสสลบ OFF PWM OFF PWM

49

รปคลนของแรงดนทสวตชในโหมดชารจแบตเตอรแสดงในภาพประกอบ 4-7 ภาพประกอบ 4-8 และ 4-9 แสดงแรงดนดานปฐมภมและทตยภมในโหมดปกต ตามลาดบ ภาพประกอบ 4-10 แรงดนและกระแสทไดโอดขณะชารจประจในโหมดชารจแบตเตอร ในขณะทภาพประกอบ 4-11 แสดงรปคลนแรงดนและกระแสทไดโอดดานเอาทพททง 3 ในโหมดชารจแบตเตอร



แรงดนทสวตช QB แรงดนทสวตช QB แรงดนทสวตช QB

แรงดนทสวตช QSW แรงดนทสวตช QSW แรงดนทสวตช QSW

(ก) ทางานสองแหลงจาย (ข) มเพยงแหลงจายกระแสตรง (ค) มเพยงแหลงจายกระแสสลบ ภาพประกอบ 4-7 แรงดนทสวตชในโหมดชารจแบตเตอร

50



(ก) ทางานสองแหลงจาย (ข) มเพยงแหลงจายกระแสตรง (ค) มเพยงแหลงจายกระแสสลบ ภาพประกอบ 4-8 แรงดนดานปฐมภมในโหมดชารจแบตเตอร




(ก) ทางานสองแหลงจาย (ข) มเพยงแหลงจายกระแสตรง (ค) มเพยงแหลงจายกระแสสลบ ภาพประกอบ 4-9 แรงดนดานทตยภมในโหมดชารจแบตเตอร

51

แรงดนและกระแสทไดโอด DB แรงดนและกระแสทไดโอด DB แรงดนและกระแสทไดโอด DB (ก) ทางานสองแหลงจาย (ข) มเพยงแหลงจายกระแสตรง (ค) มเพยงแหลงจายกระแสสลบ

ภาพประกอบ 4-10 แรงดนและกระแสทไดโอดขณะชารจประจในโหมดชารจแบตเตอร



แรงดนและกระแสทไดโอด DO3 แรงดนและกระแสทไดโอด DO3 แรงดนและกระแสทไดโอด DO3 (ก) ทางานสองแหลงจาย (ข) มเพยงแหลงจายกระแสตรง (ค) มเพยงแหลงจายกระแสสลบ

ภาพประกอบ 4-11 แรงดนและกระแสทไดโอดเอาทพทในโหมดชารจแบตเตอร

52

4.2.3 ผลการทางานของวงจรในโหมดแบกอพ โหมดนแบตเตอรขนาด 24 โวลท จายกาลงงานใหกบโหลดแทนแหลงจาย

กาลงไฟฟาหลกทงสอง ตารางท 4-5 แสดงสถานะของสวตชในโหมดแบกอพ ภาพประกอบ 4-12 แรงดนทตกครอมสวตชในโหมดแบกอพ ภาพประกอบ 4-13 และ 4-14 แสดงรปคลนแรงดนดานปฐมภมและทตยภมในโหมดแบกอพตามลาดบ ในขณะทภาพประกอบ 4-15 แรงดนและกระแสทไดโอดเอาทพทในโหมดแบกอพ

ตารางท 4-5 สถานะของสวตชในโหมดแบกอพ สถานะ Q1 Q2 QB QSW

แบตเตอรจายกาลงงาน OFF OFF PWM ON

แรงดนทสวตช QB

ภาพประกอบ 4-12 แรงดนทสวตชในโหมดแบกอพ

แรงดนทขดลวด NP1 แรงดนทขดลวด NP2

ภาพประกอบ 4-13 แรงดนดานปฐมภมในโหมดแบกอพ


ภาพประกอบ 4-14 แรงดนดานทตยภมในโหมดแบกอพ

53


ภาพประกอบ 4-15 แรงดนและกระแสทไดโอดเอาทพทในโหมดแบกอพ

4.3 การทดสอบประสทธภาพ ในการทดสอบคาประสทธภาพของวงจรตนแบบจะทาการทดสอบโดยใหวงจร

ทางานทกระแสพกดของโหลด วดคาแรงดนและกระแสทางดานอนพทและเอาทพทเพอใชในการคานวณหาประสทธภาพ โดยจะทาการทดสอบทง 3 โหมดทางานคอ โหมดปกต โหมดชารจแบตเตอรและโหมดแบกอพ กาหนดใหรปคลนกระแสมคาเทากบ 1A/DIV ทกคาการทดสอบ

4.3.1 การทดสอบประสทธภาพในโหมดปกต ภาพประกอบ 4-16 และ 4-17 แสดงรปคลนกระแสทางดานอนพทในกรณท

แหลงจายทงสองแยกกนทางานและในกรณทางานรวมกนตามลาดบ รปคลนกระแสเอาทพททง 3 ขณะทางานทคาพกดแสดงดงภาพประกอบ 4-18

(ก) กระแสทสวตช Q1 (ข) กระแสทสวตช Q2

ภาพประกอบ 4-16 กระแสอนพทในขณะแหลงจายแยกกนทางานอยางอสระในโหมดปกต


ภาพประกอบ 4-17 กระแสอนพทในขณะแหลงจายทางานรวมกนในโหมดปกต

54

กระแสทเอาทพท 1 กระแสทเอาทพท 1 กระแสทเอาทพท 1



(ก) ทางานสองแหลงจาย (ข) มเพยงแหลงจายกระแสตรง (ค) มเพยงแหลงจายกระแสสลบ ภาพประกอบ 4-18 กระแสเอาทพททงสามในโหมดปกต

คาเฉลยของแรงดนและกระแสทางดานอนพทและเอาทพทในโหมดปกตแสดงดงตารางท 4-6 ซงคาทงหมดสามารถนาไปคานวณคาประสทธภาพของวงจรตนแบบในโหมดปกตไดดงตารางท 4-7 ตารางท 4-6 ผลการทดสอบคาแรงดนและกระแสในโหมดปกต

สถานะ การทางาน

อนพท เอาทพท 1 เอาทพท 2 เอาทพท 3 V A V A V A V A

ทางานสองแหลงจาย

30 60

0.5 0.25 8 0.8 2.5 2.2 1.1 3.4

แหลงจายกระแสตรง 30 1 8 0.8 2.5 2.2 1.1 3.4

แหลงจายกระแสสลบ 60 0.5 8 0.8 2.5 2.2 1.1 3.4

55 ตารางท 4-7 คากาลงไฟฟาและคาประสทธภาพในโหมดปกต


กาลงไฟฟารวม (วตต) ประสทธภาพ

อนพท เอาทพท 1 เอาทพท 2 เอาทพท 3 ทางานสองแหลงจาย 30 6.4 5.5 3.74 52%

แหลงจายกระแสตรง 30 6.4 5.5 3.74 52%

แหลงจายกระแสสลบ 30 6.4 5.5 3.74 52%

4.3.2 การทดสอบประสทธภาพในโหมดชารจแบตเตอร ภาพประกอบ (4-19) และ (4-20) แสดงรปคลนกระแสทางดานอนพทในกรณท

แหลงจายทงสองแยกกนทางานและในกรณทางานรวมกนตามลาดบ รปคลนกระแสเอาทพททง 3 ขณะทางานทคาพกดแสดงดงภาพประกอบ (4-21)


ภาพประกอบ 4-19 กระแสอนพทในขณะแหลงจายแยกกนทางานอยางอสระในโหมดชารจแบตเตอร


ภาพประกอบ 4-20 กระแสอนพทในขณะแหลงจายทางานรวมกนในโหมดชารจแบตเตอร

56


ภาพประกอบ 4-21 กระแสทไดโอด DB ในโหมดชารจแบตเตอร




ภาพประกอบ 4-22 กระแสเอาทพททงสามในโหมดชารจแบตเตอร

คาเฉลยของแรงดนและกระแสทางดานอนพทและเอาทพทในโหมดชารจแบตเตอร แสดงดงตารางท 4-8 ซงคาทงหมดสามารถนาไปคานวณคาประสทธภาพของวงจรตนแบบในโหมดชารจแบตเตอรไดดงตารางท 4-9

57 ตารางท 4-8 ผลการทดสอบคาแรงดนและกระแสในโหมดชารจแบตเตอร สถานะ

การทางาน อนพท เอาทพท 1 เอาทพท 2 เอาทพท 3 แบตเตอร

V A V A V A V A V A สอง

แหลงจาย 30 60

0.4 0.2 5 0.5 1.7 1.5 0.7 2.5 60 0.09

แหลงจายกระแสตรง 30 0.8 5 0.5 1.7 1.5 0.7 2.5 30 0.18

แหลงจายกระแสสลบ 60 0.4 5 0.5 1.7 1.5 0.7 2.5 60 0.09

ตารางท 4-9 คากาลงไฟฟาและคาประสทธภาพในโหมดชารจแบตเตอร สถานะ

การทางาน กาลงไฟฟารวม (วตต)

ประสทธภาพ อนพท เอาทพท 1 เอาทพท 2 เอาทพท 3 แบตเตอร

สองแหลงจาย 24 2.5 2.55 1.75 5.4 51%

แหลงจายกระแสตรง 24 2.5 2.55 1.75 5.4 51%

แหลงจายกระแสสลบ 24 2.5 2.55 1.75 5.4 51%

4.3.3 การทดสอบประสทธภาพในโหมดแบกอพ ภาพประกอบ (4-23) แสดงรปคลนกระแสทางดานอนพทในกรณแบตเตอรจาย

กาลงงาน รปคลนกระแสเอาทพททง 3 ขณะทางานทคาพกดแสดงดงภาพประกอบ (4-24)

ภาพประกอบ 4-23 กระแสทสวตช QB ในโหมดแบกอพ

58


ภาพประกอบ 4-24 กระแสเอาทพททงสามในโหมดแบกอพ

คาเฉลยของแรงดนและกระแสทางดานอนพทและเอาทพทในโหมดแบกอพแสดงดงตารางท 4-10 ซงคาทงหมดสามารถนาไปคานวณคาประสทธภาพของวงจรตนแบบในโหมดแบกอพไดดงตารางท 4-11

ตารางท 4-10 ผลการทดสอบคาแรงดนและกระแสในโหมดแบกอพ


แบตเตอร เอาทพท 1 เอาทพท 2 เอาทพท 3 V A V A V A V A

แบกอพ 24V 1.25A 8V 0.8A 2.5V 2.2A 1.1V 3.4A

ตารางท 4-11 คากาลงไฟฟาและคาประสทธภาพในโหมดแบกอพ สถานะ

การทางาน กาลงไฟฟารวม (วตต)

ประสทธภาพ แบตเตอร เอาทพท 1 เอาทพท 2 เอาทพท 3

แบกอพ 30 6.4 5.5 3.74 52%

จากการทดสอบการทางานของวงจรคอนเวอรเตอรแบบสองอนพทหลายเอาทพททรวมวงจรชารจแบตเตอรในกรณตางๆ พบวาวงจรสามารถทางานไดทกโหมดการทางานอยางเปนอตโนมต

ในสวนของการทางานในโหมดปกตและโหมดแบกอพประสทธภาพของวงจรอยท 52% ในขณะทการทางานในโหมดชารจแบตเตอรประสทธภาพของวงจรอยท 51% วงจรตนแบบนมคาประสทธภาพการทางานตา ทงนอาจเนองมาจากกาลงสญเสยในหมอแปลงและในวงจรสนบเบอรมากเกนไป

59

5

5.1

!" #$%# '"$()*+ ",-" %#,..$/0.!$"$1# 2!$2%3 $/"4",!

/1.5 3 '!$('!$ '!$%# ",'!$4 '2% $'% 18F458 $ 2'!$.; .5'$(##$1</ $, ",,# !2%5(# /2"#'!$ !'!$!$$0/=!"..2!=#1#'$2!=" -->!".. #!"($ '!$%#$1""# .$'!$ .'$/=./#, ",23 #!".." -->< $.$1." -->2!'!" '!$ /,1"# 5'!$4?=#,2%#5!".." -->2!'!" . 4$ $.$1"#" '!$",'!$%# !"# " '!$ !('!$%# 5 ? $'' ""2!$.

0" "2!!41=$1, / !" #$%# ",$'$' $'' ""

60

5.2

5.2.1 , D</ $.$ /'//2!"4" "/EE32!$,, " ",2!/=

5.2.2 $2./"/.'!$ '!$4 $.$1 .5'$ /'$$

5.3 !

5.3.1 '$2! 2'!$4$1"# '!$ !('!$%# '$' $. ?

5.3.2 2!$$>" (Feedback control) ", (#S, ", #!$,$

5.3.3 !$"$1#2!, D</=

61

"# [1] A.U.Chuku, B.Oni, F.Kuate, E.Overton. bTeaching solar Energy Applications Using In-House Developed

Testbench,l Proceedings of the Thirty-Seventh Southeastern Symposium on System Theory, vol. 05, pp. 346-351, Mar 2005.

[2] R. Ramakumar, N. G. Butler, A. P. Rodriguez and S. S. Venkata, bEconomic aspects of advanced energy techno-logies,l Proceedings of the IEEE, vol. 81, no. 3, pp. 318w332, Mar 1993.

[3] E. Muljadi and H. E. McKenna, bPower quality issues in a hybrid power system,l IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 38, no. 3, pp. 803w809, May/Jun 2002.

[4] S. M. Alghuwainem, bPerformance analysis of a PV powered dc motor driving a 3-phase selfwexcited induction generator,l IEEE Transaction on Energy Conversion, vol. 11, no. 1, pp. 155w161, Mar 1996.

[5] E. Muljadi and R. Taylor, bPV water pumping with a peak-power tracker using a simple six-step square-wave inverter,l Conference Record of Industry Applications, vol. 1, pp. 133-142, Oct 1996.

[6] Z. Chen and E. Spooner, bGrid power quality with variable speed wind turbines,l IEEE Transaction on Energy Conversion, vol. 16, no. 2, pp. 148-154, June 2001.

[7] F. Giraud and Z. M. Salameh, bSteady-state performance of a gridconnected rooftop hybrid wind-Photo-voltaic power system with battery storage,l IEEE Transaction on Energy Conversion, vol. 16, no. 1, pp. 1-7, Mar 2001.

[8] Y. M. Chen, Y. C. Liu and S. H. Lin, bDouble-Input PWM DC/DC Converter for High-/Low-Voltage Sources,l IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, no 5, pp. 1538-1545, Oct 2006.

[9] K. P. Yalamanchili, M. Ferdowsi and K. Corzine, bNew Double Input DC-DC Converters for Automotive,l IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, vol.06, pp.1-6, Sept 2006.

[10] W. M. Kwok and S. L. Yim. bAn Integrated Flyback Converter for DC Uninterruptible Power Supply,l IEEE Transactions on Power Electronics, vol.11, no 2, pp. 318-327, Mar 1996.

[11] N. C. Yi, C. L. Deng, C. T. Kuo and W. W. Cheng bA Multiple-Input Multiple-Output Power Converter with efficient Power Management,l Journal of the Chinese Institute of Engineers, vol. 30, no. 7, pp.1277-1286, 2007.

[12] R. W. Erickson and D. Maksimovic, bFundamentals of Power Electronics,l Second Edition, Kluwer Academic Publisher, 2001.

[13] Powerstream. bWire Gauge and Current Limitsl, Online [avalible]: http://www.powerstream.com/Wire_Size.htm. # 27 $$ 2553.

62

5110120081

!" #$ %

!!" 2548

(%&&')

&'&()&*+

)*+ ,"- 28 ."- 1 )/0" 2554

Documents

ที่รวมวงจรชาร์จแบตเตอรี่kb.psu.ac.th/psukb/bitstream/2010/7529/1/344536.pdfที่รวมวงจรชาร์จแบตเตอรี่