Switched Capacitor Dual Boost Interleaved Converter

การทดลองโครงงานนี้เป็นลักษณะของวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ แต่จะมีส่วนที่มีความแตกต่างบ้างเล็กน้อย โดยโครงสร้างหลักของวงจรนี้เรียกว่า Switched Capacitor Interleave Dual Boost converter : SCIDB ซึ่งในการทดลองโครงงานนี้ เพื่อเปรียบเทียบการทำงานของวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ทั่วไป กับโครงงานครั้งนี้ถึงจุดเด่นและจุดด้อยต่างๆ สำหรับนำมาประยุกต์ใช้งานต่างๆ ได้อย่างเหมาะสม และในการทดลองจะวงจรต้นแบบขนาดเล็กประมาณ 30 วัตต์ โดยการเปรียบเทียบการทำงานจะใช้วงจรต้นแบบตัวเดียวกันเพื่อให้เห็นความแตกต่างที่ชัดเจน

ในรูปที่ 1 ถึงรูปที่ 5 เป็นการเตรียมอุปกรณ์สำหรับวงจร, การทำแผ่น PCB สำหรับประกอบบอร์ดต้นแบบ, ลักษณะของบอร์ดต้นแบบที่ประกอบเสร็จแล้วและการต่อร่วมกับบอร์ด Arduino UNO เพื่อควบคุมการทำงานทั้งหมด

สำหรับรูปที่ 6 ถึงรูปที่ 9 การเตรียมทดลองโดยใช้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตกระแสตรงที่แรงดัน 13.8V จากนั้นกำหนดค่าแรงดันเอาตพุตที่ 25V วัดกระแสเอาต์พุตด้วยแคล้มมิเตอร์และใช้ออสซิลโลสโคปวัดสัญญาณขับขาเกตให้กับเพาเวอร์มอสเฟตทั้ง 2 ช่อง

/*
   Pseudo Code for Arduino UNO
   Application for DC-DC Switched capacitor dual boost interleave converter.
  
     Vi : 13.8VDC
     Vo : 25VDC    
     Io : 1.2A (Continuous)    
     Po : 30W 
     Fs : 31.372kHZ
     Eff : > 80%
     Protection : Output Short circuit and Current Limit  
     Date : 10/8/2023 (V.0)
*/

int Output_PWM = 0;   
int Voutput = 0;     
int Iinductor = 0;   
int Setpoint = 450;    // 450 = 25V @ Voltage output  
double error;

void setup()
{
pinMode (3, OUTPUT);   //  PWM Signal Lo Side
pinMode (11, OUTPUT);  //  PWM Signal Hi Side
pinMode (13, OUTPUT);  //  LED Signal OK RUN System
Serial.begin(9600);

TCCR2A=0b10110001;   // Generate inverted PWM signals in output 
TCCR2B=0b00000001;   // Set Fsw = 31kHz

OCR2A = Output_PWM;        // PIN D11 
OCR2B = 255-Output_PWM;    // PIN D3  

digitalWrite(13, HIGH); 
delay(1500);
digitalWrite(13, LOW);
  
}
void loop()
{

MainLoop:

  Iinductor = analogRead(A0);    // Read ADC A0 for Iinductor 
  Voutput   = analogRead(A1);    // Read ADC A1 for Voutput 
 
 // Serial.print(" IL = ");
  Serial.println(Iinductor); 

 // Loop Output Short circuit and Current Limit

   if(Iinductor>150) {  // 150 Is Set Current (1.5A)  
       Output_PWM = 0;

       OCR2A = Output_PWM;          // PIN D11 
       OCR2B = 255-Output_PWM;      // PIN D3 
       delay(300); 
       goto  MainLoop;           
   }
       if(Setpoint>Voutput) {Output_PWM = Output_PWM+2; goto  OUT_PUT; } 
       if(Setpoint<Voutput) {Output_PWM = Output_PWM-2; goto  OUT_PUT;  }        
      
OUT_PUT:    

       if (Output_PWM<1){Output_PWM=0;}      // Limit Min PWM Signal  
       if (Output_PWM>128){Output_PWM=128;}  // Limit Max PWM Signal 

          OCR2A = Output_PWM;        // PIN D11 
          OCR2B = 255-Output_PWM;    // PIN D3      
       }         

โปรแกรมการทำงานสำหรับควบคุม Arduino UNO ที่แสดงข้างบน จะแบ่งออกเป็น 4 กลุ่มหลักคือ กลุ่มแรกบรรทัดบนจะทำหน้าที่กำหนดค่าตัวแปรต่างๆ และค่ารีจิสเตอร์สร้างสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่น (TCCR2A, TCCR2B) กลุ่มที่สองจะทำหน้าที่ตรวจจับกระแสเกินให้กับวงจรที่ตำแหน่ง ( if(Iinductor>150) { // 150 Is Set Current (1.5A) ) กลุ่มที่สามจะเป็นคำสั่งเปรียบเทียบค่าแรงดันเอาต์พุตที่อ่านได้กับค่าคงที่ที่กำหนดไว้ในการควบคุมแรงดันเอาต์พุตที่ตำแหน่ง ( if(Setpoint>Voutput)) ที่กลุ่มที่สี่จะทำหน้าที่กำหนดปริมความกว้างของสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นให้กับรีจิสเตอร์ (OCR2A = Output_PWM;) โดยขนาดของสัญญาณที่ได้จะอยู่ในช่วงที่กำหนด

การทดลองที่ 1 รูปที่ 11 ถึงรูปที่ 14 จะทดลองในลักษณะของวงจรบูทอินเตอร์ลีฟคอนเวอร์เตอร์ทั่วไป (Interleave Dual Boost converter) โดยสังเกตในรูปที่ 10 จะไม่ใช้ตัวเก็บประจุ C3 และ C4 ด้วยการลอยขาออก ซึ่งผลการทดลองที่ได้ค่าแรงดันเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงน้อยมาก (0.1V) สัญญาณขับที่ขาเกตประมาณ (พัลซ์บวกประมาณ 14uS) ตอบสนองได้ถูกต้อง

สำหรับการทดลองที่ 2 รูปที่ 15 ถึงรูปที่ 18 จะเป็นการทดลองแบบสวิตช์คาปาซิสเตอร์บูทอินเตอร์ลีฟคอนเวอร์เตอร์ (Switched Capacitor Interleave Dual Boost converter) ซึ่งผลที่ได้จะเห็นว่าสัญญาณขับที่ขาเกตจะแคบลง (พัลซ์บวกประมาณ 11uS) เมื่อเทียบกับการทดลองที่ 1 แต่แรงดันที่เอาต์พุตยังคงที่

กับโครงงานวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์อีกแบบหนึ่ง ที่มีการปรับรูปแบบของจากวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์เดิมในลักษณะของอินเตอร์ลีฟคอนเวอร์เตอร์ เป็นแบบสวิตช์คาปาซิสเตอร์บูทอินเตอร์ลีฟคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งจากการทดลองจะเห็นว่าส่วนของ Switched Capacitor จะช่วยเพิ่มแรงดันในวงจรได้ดีและการตอบสนองของสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นที่ขับขาเกตลดลง ช่วยลดความเครียดการทำงานของเพาเวอร์มอสเฟตบูทคอนเวอร์เตอร์ได้ และในการทดลองโครงงานนี้จะเรียนรู้เพื่อพิจารณานำไปใช้งานต่างๆ ในอีกรูปแบบหนึ่ง

Reference

1. https://www.researchgate.net/publication/235347944_Asymmetrical_Interleaved_DCDC_Switching_Converters_for_Photovoltaic_and_Fuel_Cell_Applications-Part_1_Circuit_Generation_Analysis_and_Design
2. https://www.researchgate.net/figure/Various-switched-capacitor-SC-circuits-and-dc-dc-converters-a-doubler-SC-b-ladder_fig4_302075616
3. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378779615004149