Simple Half-Bridge Topology Switching Mode Power Supply Using IR2153 (LEP)

สำหรับในตอนสุดท้ายนี้ จะเป็นการประกอบส่วนของการขับกำลังฮาร์ฟบริดจ์สวิตชิ่ง, การพันหม้อแปลงความถี่สูง, วงจรทางด้านเอาต์พุตและทดลองการทำงานเมื่อต่อวงจรร่วมกับบอร์ดควบคุมไอซี IR2153 ซึ่งขนาดของวงจรในโครงงานนี้ไม่ใหญ่มากนัก (สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าได้ประมาณ 100 วัตต์) ทั้งนี้วงจรที่ออกแบบเป็นตัวอย่างเบื้องต้น สำหรับการเรียนรู้ของแอดมินเอง ถึงการทำงาน, การควบคุมวงจร, การเลือกใช้อุปกรณ์, การสร้างสัญญาณขับเพาเวอร์มอสเฟต และการตอบสนองต่อการจ่ายกำลังไฟฟ้า สำหรับวงจรฮาร์ฟบริดจ์สวิตชิ่งที่ต่อขดลวดปฐมภูมิลงกราวด์ (GND) หรือต่อที่ไฟเลี้ยงแรงดันสูง (+VBUS) ด้านหนึ่ง หรือเรียกว่า (Asymmetric Half-Bridge Converter) อ่านเพิ่มเติมที่ (Ref.11)

รูปที่ 1 เป็นการเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ บางส่วนสำหรับประกอบวงจรขับกำลัง ซึ่งทั้งหมดจะประกอบบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) แบบอเนกประสงค์ ทั้งนี้วงจรที่ทดลองเป็นวงจรต้นแบบที่ทดลองครั้งแรก ซึ่งอาจจะมีการปรับแต่งการทำงานบางส่วนเพื่อให้สามารถทำงานได้อย่างเหมาะสม

รูปที่ 2 ทดลองวางตำแหน่งอุปกรณ์ต่างๆ บนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อให้ได้ระยะที่เหมาะสม และการวางอุปกรณ์ให้เป็นกลุ่มวงจรในแต่ละภาคการทำงานเพื่อให้เข้าใจได้ง่าย โดยในรูปด้านซ้ายมือจะเป็นส่วนของอินพุตและด้านขวาจะเป็นส่วนของเอาต์พุตตามลำดับ

รูปที่ 3 เริ่มด้วยการประกอบอุปกรณ์บางส่วนและพันตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ทางด้านเอาต์พุต ขนาด 120uH สำหรับวงจรฟิลเตอร์ ในส่วนของการตรวจจับกระแสจะใช้หม้อแปลงตรวจจับกระแส (Current Transformer : CT) ทางด้านขดลวดปฐมภูมินั้นเอง

รูปที่ 4 เป็นลักษณะของการพันหม้อแปลงสวิตชิ่งที่นำมาใช้ โดยพันขดลวดปฐมภูมิจำนวน 50 รอบ (Primary winding = 50T) เสร็จแล้วให้เราใช้เทปพันทับอีกประมาณ 8-10 รอบ จากนั้นพันขดลวดทุติยภูมิแบบคู่จำนวน 6 รอบ (Secondary winding = 6T-CT-6T) และให้เราใช้เทปพันทับประมาณ 4-6 รอบให้แน่น สำหรับลวดทองแดงที่ใช้เป็นเบอร์ 21SWG และแกนหม้อแปลงสวิตชิ่งแบบ PQ-35 และไม่ต้องเพิ่มช่องอากาศ (no air gap) สามารถใช้เทปพันแกนหม้อแปลให้แน่นได้เลย

รูปที่ 5, 6 และรูปที่ 7 แสดงลักษณะของหม้อแปลงสวิตชิ่งที่พันเสร็จแล้ว จากนั้นให้เราเชื่อมต่อลวดทางด้านขดลวดทุติยภูมิตำแหน่งเซนเตอร์ (CT) ซึ่งจะต้องพิจารณาให้ถูกต้อง และทำการขูดน้ำยาเคลือบลวดทองแดงที่ปลายลวดออก เพื่อทำการบัดกรีลวดทองแดงเข้ากับบอร์ดทดลองได้ง่าย

รูปที่ 8 เป็นลักษณะของการประกอบตัวหม้อแปลงสวิตชิ่งเข้ากับบอร์ดและตัวหนี่ยวนำเอาต์พุต รวมทั้งบัดกรีลวดทองแดงเข้ากับบอร์ด

รูปที่ 9 เมื่อประกอบอุปกรณ์ต่างๆ ในส่วนของบอร์ดขับกำลังเสร็จแล้ว จากนั้นจะเป็นการเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดควบคุมและบอร์ดขับกำลังเข้าด้วยกัน โดยใช้สายไฟขนาดเล็ก ซึ่งในการเชื่อมต่อสายไฟนี้จะแบ่งออกเป็นสัญญาณขับที่ขาเกต (Driver Hi, Driver Lo) และสัญญาณป้อนกลับแรงดันเอาต์พุต (+VFB) และสัญญาณกระแส (Ics) ที่เกิดขึ้น

ในรูปที่ 10 และรูปที่ 11 จะเป็นการทดสอบการจ่ายกระแสให้โหลดประมาณ 5A (ต่อเนื่อง) โดยใช้ไฟเลี้ยงทางด้านอินพุตที่ประมาณ 320VDC ค่าแรงดันเอาต์พุตกำหนดไว้ที่ 13V และตัวต้านทานโหลดขนาด 2.2 โอห์ม 60 วัตต์ ซึ่งจากการทดลองวงจรจะมีเสียงจี่ๆ ในขณะจ่ายกระแสที่ 5A บ้าง แต่เพาเวอร์มอสเฟตขับหม้อแปลงสวิตชิ่งไม่เกิดความร้อนใดๆ ที่ผิดปกติ

รูปที่ 12 แสดงส่วนของวงจรในส่วนของตัวควบคุมด้วยไอซี IR2153 ซึ่งจะนำมาจากการทดลองในโครงงานตอนที่ 1 เพื่อให้เราดูวงจรไปพร้อมกับวงจรในส่วนของการขับกำลังและเข้าใจได้ง่ายขึ้น

รูปที่ 13 สำหรับในส่วนของวงจรขับกำลังนี้ จะมีส่วนที่จะต้องพิจารณาที่วงจรขับที่ขาเกตให้กับเพาเวอร์มอสเฟต โดยจะใช้ออปโต้คัปเปิ้ลเบอร์ TLP250 และจะใช้ไฟเลี้ยงแยกอิสระกัน คือ VCC(A) และ VCC(B) ในส่วนอื่นจะคล้ายกับวงจรฮาร์ฟบริด์จสวิตชิ่ง คอนเวอร์เตอร์ทั่วไป

รูปที่ 14 แสดงลักษณะของการเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดทั้งสองส่วนและการทดลอง ซึ่งจากการทดลองโครงงานนี้เป็นที่น่าพอใจสำหรับการทำงาน แต่ยังมีส่วนที่จะต้องปรับปรุงเล็กน้อยคือ ในส่วนของการปรับชดเชยการทำงานของวงจร (Compensation circuit) เพื่อให้วงจรทำงานได้อย่างมีสเถียรภาพที่สุด (Stability) ทั้งนี้การทดลองโครงงานทั้งหมดคงพอจะเป็นแนวทางเบื้องต้นให้ผู้อ่านสามารถนำไปพัฒนาต่อยอดในรูปแบบต่างๆ ได้ตามต้องการ

Reference

1. http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01114A.pdf
2. https://www.ti.com/seclit/ug/slyu036/slyu036.pdf
3. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/Smpsrm-D.PDF
4. https://www.st.com/resource/en/application_note/cd00003910-topologies-for-switch-mode-power-supplies-stmicroelectronics.pdf
5. https://www.st.com/resource/en/application_note/cd00157315-solution-for-150-w-half-bridge-resonant-dcdc-converter-stmicroelectronics.pdf
6. https://www.iitk.ac.in/npsc/Papers/NPSC2014/1569978049.pdf
7. https://www.nxp.com/files-static/dsp/doc/ref_manual/DRM074.pdf
8. https://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply
9. https://th.rs-online.com/web/p/transformer-ferrite-cores/1678311
10. https://docs.rs-online.com/4800/0900766b813c0db8.pdf
11. https://www.psma.com/sites/default/files/uploads/files/10%20PSMA%20PTR%202014_10_02%20Power%20Converter%20Topology%20Trends%20Mappus%20Fairchild.pdf
12. https://www.youtube.com/watch?v=6aaPwwkEVeQ