Basic Knowledge for Partial switching Power Factor Correction 

by Posted on

ในบทความนี้เป็นวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าอีกแบบหนึ่งที่เรียกว่า Partial switching Power Factor Correction หรือ Partial switching PFC ซึ่งเป็นเทคนิคอีกแบบหนึ่งในการปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบผสมผสานกันระหว่างเทคนิคแบบพาสซีฟ (Passive PFC) และแบบแอกทีฟ (Active PFC) เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการทำงาน ต้นทุนการใช้อุปกรณ์ และความซับซ้อนของวงจรที่เหมาะสม

รูปที่ 1 วงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบ Passive PFC [Picture by Ref.1]
รูปที่ 2 ลักษณะกระแสอินพุตของวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบ Passive PFC [Picture by Ref.1]

รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างวงจรปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบพาสซีฟทั่วไปที่มีไดโอดบริดจ์เรียงกระแสและทวีแรงดันไฟฟ้า จากในรูปจะเห็นว่าเมื่อเฟสของสัญญาณไฟฟ้าเป็นเฟสบวก (ลูกศรสีแดง) ทิศทางการแสจะไหลจากไดโอด D1 และ C1 กลับไปยังแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า ต่อมาเมื่อเฟสของสัญญาณไฟฟ้าเป็นเฟสลบ (ลูกศรสีน้ำเงิน) ทิศทางการแสจะไหลจากไดโอด C2 และ D2 กลับไปยังแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าเดิม โดยตัวเก็บประจุ C1, C2 และ C3 จะทำหน้าที่จ่ายกำลังไฟฟ้าไปยังโหลด ส่วนในรูปที่ 2 แสดงตัวอย่างรูปคลื่นกระแสอินพุตสำหรับวงจรนี้โดยตัวเหนี่ยวนำ (L) จะช่วยปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าร่วมกับไดโอดและตัวเก็บประจุ ด้วยการเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ทั้งนี้การปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังแบบพาสซีฟ จะทำงานที่ความถี่ 50 หรือ 60 เฮิรตซ์ (ความถี่ไฟฟ้าใช้งานในบ้านทั่วไป) จึงจำเป็นต้องตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ ดังนั้นการใช้วงจรปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบพาสซีฟ จึงนิยมใช้กับโหลดที่ต้องการกำลังไฟฟ้าไม่สูงมากนัก

รูปที่ 4 วงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบ Partial-switching PFC [Picture by Ref.1]
รูปที่ 4 ลักษณะกระแสอินพุตของวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบ Partial-switching PFC [Picture by Ref.1]

โดยทั่วไปในวงจรแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้ากระแสสลับทั่วไป ที่ไม่มีการแก้ไขค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า (โดยเฉพาะที่มีตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ทางด้านอินพุต) กระแสจะไหลเข้าสู่วงจรเฉพาะในช่วงเวลาสั้นๆ เมื่อแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับอินพุตสูงกว่าแรงดันที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุ ทำให้รูปคลื่นกระแสไม่เป็นรูปไซน์ ซึ่งจะทำให้ค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าต่ำลง สำหรับวงจร Partial switching PFC ดังแสดงในรูปที่ 3 จะใช้ส่งสัญญาณสวิตชิ่ง (Switching) เพียงบางช่วงเวลาของรูปคลื่นไฟฟ้าทางด้านอินพุต ในแต่ละครึ่งรูปคลื่น (Half cycle) เพื่อการทำงานของวงจร โดยจะแบ่งออกเป็น 2 โหมดคือ

  • โหมดการทำงานที่ 1 เมื่อสวิตช์ไม่ทำงาน (Switch OFF) จะเป็นการทำงานคล้ายกับ Passive PFC โดยตัวเหนี่ยวนำ (Inductor) หรือตัวเก็บประจุ (Capacitor) จะช่วยปรับรูปคลื่นกระแสในเบื้องต้น
  • โหมดการทำงานที่ 2 เมื่อสวิตช์ทำงาน (Switch ON) โดยอุปกรณ์ในการสวิตซ์อย่างเช่น MOSFET หรือ IGBT จะถูกควบคุมในช่วงเวลาที่เลือกไว้ (ไม่ทำงานที่ความถี่สูงเหมือน Active PFC) เพื่อปรับให้กระแสทางด้านอินพุตมีรูปคลื่นใกล้เคียงไซน์ควบคู่กับรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้ามากที่สุด (ลักษณะของกระแสอินพุตแสดงในรูปที่ 4) ทั้งนี้วิธีการสวิตชิ่งของ Partial switching PFC จะไม่ทำงานที่ความถี่สูงตลอดเวลา ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากการสวิตช์ได้ดี (Switching losses) เมื่อเทียบกับแอกทีฟ (Active PFC)
รูปที่ 5 เมื่อเฟสของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าไหลตามเข็มนาฬิกา (ลูกศรสีแดง) [Picture by Ref.1]

ในรูปที่ 5 เมื่อเฟสของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าไหลตามเข็มนาฬิกา(ลูกศรสีแดง) โดยสวิตช์อยู่ในสถานะนำกระแส (ON) จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตัวเหนี่ยวนำ (L) และเมื่อสวิตช์หยุดนำกระแส (OFF) จะทำให้ตัวเหนี่ยวนำเป็นแหล่งจ่ายเสมือนกลับทิศทางรวมกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าทางด้านอินพุต โดยกระแสไฟฟ้าด้านบวกจะไหลผ่าน D1 ไปยัง C1 ที่ตำแหน่งขั้วบวก ส่วนกระแสไฟฟ้าด้านลบจะไหลไปยัง C1 ที่ตำแหน่งขั้วลบและผ่านไดโอด D4

รูปที่ 6 เมื่อเฟสของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าไหลทวนเข็มนาฬิกา (ลูกศรสีน้ำเงิน) [Picture by Ref.1]

ในรูปที่ 6 คล้ายกับรูปที่ 5 เมื่อเฟสของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าไหลทวนเข็มนาฬิกา(ลูกศรสีน้ำเงิน) โดยสวิตช์อยู่ในสถานะนำกระแส (ON) จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตัวเหนี่ยวนำ (L) และเมื่อสวิตช์หยุดนำกระแส (OFF) จะทำให้ตัวเหนี่ยวนำเป็นแหล่งจ่ายเสมือนกลับทิศทางรวมกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าทางด้านอินพุต โดยกระแสไฟฟ้าด้านบวกจะไหลไปยัง D3 และ C2 ที่ตำแหน่งขั้วบวก ส่วนกระแสไฟฟ้าด้านลบจะไหลผ่าน D2 ไปยัง C2 ที่ตำแหน่งขั้วลบ สำหรับตัวเก็บประจุ C3 จะทำหน้าที่เป็นวงจรฟิลเตอร์สำหรับจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับโหลดอีกครั้ง

ข้อดีสำหรับวงจร Partial switching PFC
1. ต้นทุนของวงจรต่ำ เมื่อเทียบกับแบบแอกทีฟ (Active PFC) เนื่องจากใช้อุปกรณ์สำหรับสวิตช์ชิ่งน้อย อันเนื่องมาจากวงจรทำงานที่ความถี่ต่ำ
2. ประสิทธิภาพที่ได้เหมาะสม การทำงานของวงจรนี้จะให้ประสิทธิภาพของค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าที่ดีกว่าแบบพาสซีฟ (Passive PFC) ทั่วไป และมีการสูญเสียพลังงานน้อยกว่าแบบแอกทีฟ (Active PFC)
3. ความซับซ้อนปานกลาง มีความซับซ้อนในการออกแบบวงจรและการควบคุมอยู่ในระดับปานกลาง (ไม่ซับซ้อนเท่ากับแบบแอกทีฟ)

ข้อด้อยสำหรับวงจร Partial switching PFC
1. ประสิทธิภาพของค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าไม่สมบูรณ์ โดยทั่วไปค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าของวงจร Partial switching PFC ที่ได้อาจไม่สูงใกล้เคียง 1 เมื่อเทียบกับวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบแอกทีฟ
2. ขนาดและน้ำหนักอาจมีขนาดใหญ่กว่าแบบแอกทีฟ เนื่องจากยังคงต้องใช้อุปกรณ์แบบพาสซีฟบางอย่าง เช่น ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุขนาดใหญ่
3. ความยืดหยุ่นน้อย ในการใช้งานอาจจะต้องมีการปรับตัวสำหรับการเปลี่ยนแปลงของโหลดและแรงดันไฟฟ้าอินพุตอยู่ด้วย

สำหรับวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าด้วยเทคนิค Partial switching PFC มักพบในการใช้งานที่ต้องการ การปรับปรุงค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าที่ยอมรับได้ในระดับหนึ่ง โดยมีข้อจำกัดในด้านต้นทุนหรือความซับซ้อนในการออกแบบ ซึ่งจะใช้ในแหล่งจ่ายไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางชนิดที่ไม่ต้องการประสิทธิภาพสูงมากนัก ท้ายนี้เนื้อหาการทำงานของวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าด้วยเทคนิค Partial switching PFC คงพอจะเป็นความรู้เบื้องต้นให้ผู้อ่านนำไปประยุกต์ใช้งานต่างๆ ต่อไปครับ.

Reference

  1. https://toshiba.semicon-storage.com/info/application_note_en_20191106_AKX00080.pdf
  2. https://www.powerelectronictips.com/power-factor-correction-topologies-faq/
  3. https://www.semanticscholar.org/paper/An-Active-Partial-Switching-Method-in-Tertiary-Loop-Choi-Kim/e0720c527bd3b63181b97b403651bbaebbb34bf9
  4. https://www.ti.com/lit/ml/zhcp224/zhcp224.pdf
Post Views: 25

Published by nattapon