Basic Gate Drive Transformer for Half-bridge Converter based on SG3525A (LEP)

สำหรับโครงงานนี้เป็นตอนสุดท้ายที่เกิดขึ้นจากต้องการเรียนรู้และศึกษาเกี่ยวกับการใช้หม้อแปลงขับสัญญาณ (Gate Drive Transformer หรือเรียก Pulse Transformer) และได้ทำการออกแบบในส่วนของวงจรควบคุมโดยนำหม้อแปลงขับสัญญาณมาเป็นส่วนหนึ่งในตัววงจรที่จะนำมาใช้งานจริง จากนั้นได้ออกแบบส่วนของวงจรคอนเวอร์เตอร์แบบฮาร์ฟบริดจ์ (Half-bridge Converter) สำหรับทดลองการทำงานร่วมกันทั้งหมด และในตอนสุดท้ายเป็นการทดสอบการทำงานร่วมกันระหว่างบอร์ดควบคุม SG3525A และคอนเวอร์เตอร์เพื่อวัดสัญญาณต่างๆ เมื่อวงจรทำงาน รวมทั้งสังเกตการทำงานของการใช้หม้อแปลงขับสัญญาณ.

รูปที่ 1 และรูปที่ 2 เป็นรูปแสดงการต่อวงจรร่วมกันระหว่างบอร์ดควบคุมและบอร์ดฮาร์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ และการเตรียมเครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับทดสอบการทำงานวงจรที่ประกอบขึ้นทั้งหมด

รูปที่ 3 และรูปที่ 4 เป็นการวัดค่าแรงดันอินพตและเอาต์พุตสำหรับการทดลอง เช่น การเปลี่ยนแปลงของแรงดันเอาต์พุตเมื่อวงจรจ่ายกระแสโหลดค่าต่างๆ (Load regulation) และการปรับเปลี่ยนค่าแรงดันอินพุตสำหรับการทำงานของวงจร (Line regulation)

ในรูปที่ 5 ถึงรูปที่ 7 แสดงการใช้เแค้มมิเตอร์สำหรับวัดกระแสทางด้านเอาต์พุตในการทดลอง และตัวต้านทานโหลด 2.2 โอห์ม (ในรูปที่ 6) ใช้ในการทดสอบการจ่ายกระแสของวงจร ส่วนในรูปที่ 7 เป็นแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงให้กับไอซีควบคุมและสร้างสัญญาณขับ (Driver signal) ผ่านหม้อแปลงขับสัญญาณ ซึ่งค่าแรงดันที่ใช้ในการทดลองกำหนดไว้ที่ 15V

รูปที่ 8 แสดงรูปสัญญาณขับเพาเวอร์มอสเฟส (Low Side Mosfet) ขณะวงจรสแตนบายตำแหน่งช่องวัดสัญญาณที่ 1 (CH1) และที่ช่องวัดสัญญาณที่ 2 (CH2) เป็นค่าแรงดันที่เกิดขึ้นจากการวัดกระแสที่ไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิของตัวหม้อแปลงสวิตชิ่ง

รูปที่ 9 ถึงรูปที่ 12 เป็นการทดลองที่ 1 ด้วยการให้วงจรจ่ายกระแสโหลดที่ 5.13A จากนั้นสังเกตการเปลี่ยนแปลงค่าแรงดันเอาต์พุต (ในรูปที่ 11) และลักษณะของสัญญาณขับเพาเวอร์มอสเฟต (CH1) ที่ตอบสนองเพื่อจ่ายกระแสโหลด และสัญญาณค่าแรงดันที่บอกระดับปริมาณกระแส (CH2) แสดงในรูปที่ 12

ในรูปที่ 13 ถึงรูปที่ 16 เป็นการทดลองที่ 2 ด้วยการให้วงจรจ่ายกระแสโหลดเพิ่มขึ้นมาที่ 7.63A จากนั้นสังเกตการทำงานของวงจรอีกครั้ง ซึ่งผลที่ได้คือ แรงดันทางด้านเอาต์พุต (Vo) ลดลงมาที่ 9.50V สัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลชั่นแคบลง ทั้งนี้เนื่องจากในวงจรนี้จะกำหนดค่ากระแสเอาต์พุตไว้ที่ประมาณ 6A เมื่อกระแสเกินจะทำให้วงจรควบคุมการทำงานไว้ไม่ให้เกินตามค่าที่กำหนด

รูปที่ 17 ถึงรูปที่ 20 เป็นการทดลองที่ 3 ด้วยการให้วงจรช๊อตเซอร์กิตที่เอาต์พุต เพื่อทดลองการป้องกันกระแสเกิน (Output short circuit protection) ของวงจรที่ออกแบบ โดยจากการทดลองสามารถให้วงจรช๊อตเซอร์กิตที่เอาต์พุตได้ 3 วินาที โดยวงจรไม่ได้รับความเสียหายและสามารถทำงานได้เป็นปกติ

รูปที่ 21 และรูปที่ 22 แสดงการทดลองโครงงานทั้งหมด รวมทั้งอุปกรณ์และเครื่องมือที่ใช้ในการทดลอง ซึ่งจะใช้เครื่องทั่วไปและไม่เฉพาะมากนักในการทดลอง

สำหรับการทดลองโครงงานนี้ตั้งแต่ตอนที่ 1 ถึงตอนสุดท้ายของการรียนรู้และศึกษาเกี่ยวกับการใช้หม้อแปลงขับสัญญาณ (Gate Drive Transformer หรือที่เรียก Pulse Transformer) โดยสรุปสามารถใช้งานได้เป็นปกติ ซึ่งรูปสัญญาณอาจจะไม่เป็นสัญญาณพัลซ์สี่เหลี่ยมเหมือนอุดมคติ แต่ขนาดของสัญญาณและการตอบสนองต่อความถี่สวิตชิ่งยังคงเป็นที่ยอมรับได้สำหรับนำไปใช้งานจริง ท้ายนี้แอดมินคิดว่าการทดลองโครงงานทั้งหมดคงพอจะเป็นแนวทางให้ผู้อ่านสามารถนำประยุกต์ใช้งานในรูปแบบต่างๆ ต่อไปครับ.

Reference

1. https://electronics.stackexchange.com/questions/92016/mosfet-gate-transformer-noise-issue
2. https://www.st.com/resource/en/datasheet/sg3525.pdf
3. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/sg3525a-d.pdf
4. https://www.schaffner.com/fileadmin/user_upload/pim/products/datasheets/IT-Series-double.pdf
5. https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/3/3465.html
6. https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/implementing-an-isolated-half-bridge-gate-driver.html
7. https://www.analog.com/en/technical-articles/powering-the-isolated-side-of-your-half-bridge-configuration.html
8. https://www.analog.com/en/technical-articles/reducing-the-size-and-complexity-of-an-isolated-synchronous-gate-driver.html
9. https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/posts/gate-drive-transformer-vs-high-low-side-driver-a-close-look-of-detailed-implementation