Simple Full-Bridge Converter Switching Mode Power Supply with TL494CN

สำหรับโครงงานนี้เป็นการทดลองสร้างวงจรสวิตชิ่งแบบฟูลบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ (Full-Bridge Converter) อีกวงจรหนึ่ง ซึ่งก่อนหน้าก่อนหน้านี้ได้นำเสนอในแบบวงจรเฟสชิฟฟูลบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ (Phase-Shifted Full-Bridge Converter : PSFB) ไปแล้ว และควบคุมการทำงานด้วยบอร์ด Arduino UNO (Digital Control) แต่ในวงจรนี้จะเป็นการใช้ไอซีควบคุมแบบอะนาลอก (Analog Control) เบอร์ TL494CN ในอีกรูปแบบหนึ่ง ที่สามารถจ่ายกำลังทางด้านเอาต์พุตได้ประมาณ 160 วัตต์ ต่อเนื่อง ทั้งนี้เพื่อเป็นศึกษาและเรียนรู้การทำงานของแอดมินเพิ่มเติม และนำมาแชร์ให้ผู้อ่านได้เป็นแนวทางสำหรับนำไปพัฒนาได้ตามต้องการครับ

ในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 เป็นลักษณะของบอร์ดทดลองที่ประกอบส่วนต่างๆ ของวงจรสวิตชิ่งแบบฟูลบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ เสร็จเรียบร้อยแล้ว โดยวงจรทั้งหมดจะประกอบบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อเนกประสงค์ สำหรับเป็นวงจรต้นแบบซึ่งใช้เวลาประกอบไม่มากนัก

รูปที่ 3 และรูปที่ 4 แสดงตำแหน่งองค์ประกอบของวงจรต่างๆ บนแผ่นวงจรพิมพ์ สำหรับสวิตชิ่งแบบฟูลบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ ซึ่งประกอบด้วยวงจรควบคุม, วงจรสัญญาณขับ และวงจรขับกำลังแบบฟูลบริดจ์

รูปที่ 5 เป็นส่วนของหม้อแปลงสวิตชิ่ง ซึ่งในโครงงานจะใช้แกนแบบ EE-42 และพันขดลวดปฐมภูมิ (Primary winding) ให้ได้ค่าเหนี่ยวนำที่ 1mH ด้วยลวดขนาด 19AWG และขดลวดทุติยภูมิ (Secondary winding) ให้ได้ค่าเหนี่ยวนำที่ 250uH โดยพันแบบคู่ด้วยลวดขนาด 29AWG จำนวน 15 เส้นขนานกัน

รูปที่ 6 ถึงรูปที่ 9 เป็นการเตรียมเครื่องมิอและอุปกรณ์ สำหรับวัดค่าแรงดันอินพุต, แรงดันเอาต์พุต, การวัดกระแสเอาต์พุตและโหลดตัวต้านทานในการทดสอบโครงงาน

รูปที่ 10 แสดงลักษณะของสัญญาณขับขาเกตให้กับเพาเวอร์มอสเฟต (ส่งไปยังภาควงจรอินเวอร์เตอร์) ในขณะวงจรสแตนบาย ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นจะแคบซึ่งเป็นการทำงานที่ปกติ และค่าความถี่สัญญาณสวิตชิ่งจะกำหนดไว้ที่ประมาณ 24kHz

รูปที่ 11 ถึงรูปที่ 14 เป็นการทดลองการทำงานที่ 1 ด้วยการให้วงจ่ายกระแสโหลดที่ 2.15A โดยใช้ค่าแรงดันอินพุตที่ 200VDC จากนั้นวัดค่าแรงดันเอาต์พุตที่ได้อีกครั้ง และสังเกตการตอบสนองของสัญญาณพัลซ์มอดูเลชั่นที่จ่ายให้กับเพาเวอร์มอสเฟตขับกำลังเพื่อรักษาระดับแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ตามที่กำหนด

สำหรับวงจรการทำงานของตัวโครงงานจะแบ่งออกเป็น 2 ส่วนตามในรูปที่ 15 และรูปที่ 16 โดยในรูปที่ 15 จะเป็นส่วนของวงจรฟูลบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์และการป้อนกลับสัญญาณด้วยออปโต้ไอโซเลเตอร์ (PC817) ในรูปที่ 16 จะเป็นส่วนของวงจรควบคุมโดยจะใช้ไอซี TL494CN เป็นหลัก จากนั้นจะใช้ไอซีขับขาเกตเบอร์ IR2110PBF ทั้ง 2 ตัว ทำหน้าที่แยกสัญญาณจากไอซี TL494CN เดิมมี 2 ช่อง ให้เป็น 4 ช่อง สำหรับการขับคอนเวอร์เตอร์แบบฟูลบริดจ์นั้นเอง

สำหรับในรูปที่ 17 ถึงรูปที่ 20 จะเป็นการทดลองการทำงานที่ 2 โดยจะให้วงจ่ายกระแสโหลดเพิ่มขึ้นมาที่ 4.22A ยังคงใช้ค่าแรงดันอินพุตที่ 200VDC และค่าแรงดันเอาต์พุตที่ได้ยังคงที่ 42VDC หรือจ่ายกำลังให้โหลดที่ 42.2VX4.22A = 178.08W การตอบสนองของสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลชั่นจะสังเกตเห็นว่าสัญญาณพัลซ์วิดธ์จะกว้างเพิ่มขึ้นเพื่อรักษาระดับแรงดันเอาต์พุตให้คงที่

กับโครงงานวงจรสวิตชิ่งแบบฟูลบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์นี้ แอดมินได้ทดลองไว้ในระยะหนึ่งแล้ว แต่ยังไม่ได้นำมาเขียนอธิบายเป็นเนื้อหา จึงค่อยๆ เขียนเนื้อหาทีละนิด แล้วนำบอร์ดที่ทดลองนี้นำมาทดลองการทำงานและวัดสัญญาณอีกครั้ง เพื่อนำเสนอให้กับผู้อ่านซึ่งอาจจะเป็นแนวทางในการทดลองและพัฒนาวงจรสวิตชิ่งแบบฟูลบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ได้ดียิ่งขึ้นต่อไปครับ.

Reference

1. https://www.ti.com/lit/an/sprabw0d/sprabw0d.pdf?ts=1661972661420&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
2. https://www.ti.com/lit/ug/tidu248/tidu248.pdf?ts=1661947509207&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
3. http://webfiles.portal.chalmers.se/et/MSc/Christian%20Andersson.pdf
4. https://www.infineon.com/dgdl/Application_Note_Resonant+LLC+Converter+Operation+and+Design_Infineon.pdf?fileId=db3a30433a047ba0013a4a60e3be64a1
5. http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/zero-voltage%20switching%20full-bridge%20(zvs%20fb)%20dc-dc%20converter%20app%20note.pdf
6. https://paginas.fe.up.pt/~ee00018/docs/Design%20Considerations….pdf
7. https://www.researchgate.net/publication/315118339_Design_of_Full-bridge_DC-DC_Converter_311100_V_1kW_with_PSPWM_Method_to_Get_ZVS_Condition
8. https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/80/db/fer/e_42_21_20.pdf
9. https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/80/db/fer/e_42_21_15.pdf