Basic Quasi-Z-source Inverter for Mini DC-DC Boost Converter

จากบทความครั้งที่แล้วได้นำเสนอเกี่ยวกับวงจร Z-source Inverter ไปแล้วนั้น สำหรับบทความนี้จะเป็นการปรับรูปแบบของวงจร Z-source Inverter เดิมให้เป็นแบบ Quasi-Z-source Inverter หรือเรียก qZSI/ZSI impedance network ซึ่งลักษณะของอินเวอร์เตอร์แบบ Quasi-Z-source Inverter นั้นจะใช้จุดต่อร่วมของกราวด์ที่จุดเดียวกับโหลดคล้ายกับวงจรแบบ ฺฺBuck-Boost Converter และใช้ความถี่สวิตชิ่งในช่วงหลายกิโลเฮิรตซ์ ซึ่ง Quasi-Z-source Inverter สามารถทำงานในช่วงแรงดันอินพุตที่มีการเปลี่ยนแปลงกว้างได้ดี

สำหรับบทความนี้จะขอเน้นนำเสนอเนื้อหาของการทดลองวงจร Quasi-Z-source Inverter เป็นส่วนใหญ่ เพื่อให้เห็นลักษณะการทดลองที่เกิดขึ้นจากการนำแนวความคิดของวงจรแบบนี้มาทดลองออกแบบ ซึ่งอาจจะของอธิบายส่วนสำคัญของวงจรพอสังเขปสำหรับประกอบการนำไปทดลอง ซึ่งเป็นตัวอย่างการทดลองแบบง่ายๆ และคิดว่าจะช่วยให้เห็นการทำงานได้อีกทางหนึ่ง

ในรูปที่ 1 แสดงลักษณะของวงจรอินเวอร์เตอร์แบบ Quasi-Z-source Inverter จะประกอบด้วยอุปกรณ์สำคัญ 5 ตัวหลักดังในรูปที่ 1 คือตัวเหนี่ยวนำ L1, L2 ตัวเก็บประจุ C1, C2 และไดโอด D1 โดยเราการทำงานของ Quasi-Z-source Inverter จะมีช่วงเวลาในการทำงานโดยหลัก 2 แบบ คือ (Non-Shoot through state) และ (Shoot through state) ดังแสดงวงจรเสมือนในรูปที่ 2 และ 3 จากรูปที่ 1 จะเป็นการนำ Quasi-Z-source Inverter มาประยุกต์ใช้งานร่วมกับวงจรแบบ H-bridge สวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์

การทำงานของโหมด (1) ไม่มีการนำกระแสชั่วขณะใหักับวงจร Quasi-Z-source Inverter (Non-Shoot through state) แต่จะมีกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ L1 และ L2 จะมีลักษณะการทำงานออกเป็น 2 ส่วนย่อยคือ 1. เป็นช่วงเวลาซึ่งไม่มีกระแสไหลผ่าน S1,S2,S3 และ S4 จะทำให้ตัวเก็บประจุ C1 มีค่าแรงดันน้อย และตัวเก็บประจุ C2 มีค่าใกล้เคียงกับแหล่งจ่ายอินพุต 2. เป็นช่วงเวลาที่ S1 ทำงานคู่กับ S4 และ S2 ทำงานคู่กับ S3 จะเป็นการนำกระแสให้กับ Li, Ri (โหลด) โดยช่วงเวลานี้พลังงานไฟฟ้าจาก DC link จะจ่ายให้กับโหลดโดยตรง

การทำงานในโหมด (2) การนำกระแสชั่วขณะให้กับวงจร Quasi-Z-source Inverter (Shoot through state) จะมีลักษณะการทำงานออกเป็น 2 ส่วนย่อยเช่นกัน คือ 1. เป็นช่วงเวลาที่จะทำให้เกิดการไบอัสกระแสกับตัวเหนี่ยวนำ (Magnetize) L1 และ L2 จาก DC Link ลงกราวด์โดยตรงในช่วงเวลาสั้นๆ โดยจะพิจารณาช่วงเวลาที่่หมาะสมและขึ้นอยู่กับการนำไปประยุกต์ใช้งานร่วมกับโหลดอย่างไร 2. ผลที่เกิดขึ้นจากการไบอัสกระแสให้กับ L1 และ L2 เกิดเป็นพลังงานไฟฟ้าสะสมเอาไว้และจะถูกคายออก (Demagnetize) หลังจากผ่านช่วงเวลานำกระแสไปแล้ว สำหรับรูปถัดไปจะเป็นการทดลองใช้ Quasi-Z-source Inverter ร่วมกับเพาเวอร์มอสเฟต (สำหหรับกำหนดช่วงเวลาการนำกระแสสำหรับ Quasi-Z-source Inverter) โดยทำงานจะเป็นลักษณะของวงจร Boost converter เพื่อเป็นการทดลองการทำงานเบื้องต้น

*สำหรับการกำหนดช่วงเวลา Non-Shoot through state และ Shoot through state นั้น แนะนำเอกสารตามลิงก์อ้างอิงข้างล่างสุดหรือจะเป็นบทความก่อนหน้านี้สำหรับเป็นแนวทางเบื้องต้นครับ (https://www.electronicsdna.com/single-phase-z-source-inverter/)

รูปที่ 4 เป็นอุปกรณ์บางส่วนที่ใช้ในการประกอบและทดลองวงจร Quasi-Z-source Inverter ซึ่งในส่วนนี้จะเป็นวงจรส่วนขับกำลัง โดยบอร์ดควบคุมสำหรับการทดลองจะใช้ Arduino UNO ในการประมวลผล

รูปที่ 5 แสดงลักษณะของตัวเหนี่ยวนำ L1 และ L2 ค่าความเหนี่ยวนำประมาณ 50uH สำหรับในส่วนของวงจร Quasi-Z-source Inverter โดยในโครงงานนี้จะใช้ L3 อีก 1 ตัว 70uH สำหรับฟิลเตอร์ให้กับแรงดันที่เอาต์พุต

รูปที่ 6 เริ่มต้นทดลองวางตำแหน่งอุปกรณ์ต่างๆ ให้เหมาะสม และประกอบอุปกรณ์ต่างๆ ไว้บนบอร์ดเดียว ทั้งนี้เพื่อให้ง่ายสำหรับการทดลองและการเชื่อมต่อเข้ากับบอร์ดควบคุม Arduino UNO อีกครั้ง

รูปที่ 7 แสดงลักษณะของวงจร Quasi-Z-source Inverter ที่ประกอบเสร็จเรียบร้อยสำหรับการทดลอง โดยจะมีจุดเชื่อมต่อระหว่างไฟเลี้ยงที่อินพุตและเอาต์พุต และมีสายสำหรับเชื่อมต่อสัญญาณควบคุมต่างๆ เช่น ค่าแรงดันเอาต์พุต, ค่ากระแสที่ไหลผ่านตัวตัวเพาเวอร์มอสเฟต และสัญญาณขับกำลังพัลซ์วิดธ์มอดูเลต (PWM Signal) เป็นต้น

รูปที่ 8 เป็นการเชื่อมต่อบอร์ดทดลองและอุปกรณ์ต่างๆ เข้าด้วยกันสำหรับการทดลอง รวมทั้งการวัดสัญญาณต่างๆ เพื่อสังเกตรูปแบบและลักษณะการทำงานของวงจร Quasi-Z-source Inverter

รูปที่ 9 แสดงตัวต้านทานโหลดที่ใช้ในการทดสอบวงจรซึ่งในการทดลองนี้จะใช้ค่า 10 โอห์ม 20 วัตต์จำนวน 2 ตัวต่ออนุกรมกัน ทั้งนี้เพื่อให้ง่ายต่อการคำนวณประสิทธิภาพการทำงานของวงจรที่ออกแบบน้ันเอง

รูปที่ 10 เป็นการทดลองและทดสอบการทำงานสำหรับวงจร Quasi-Z-source Inverter โดยในการทดลองจะใช้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงกระแสตรงขนาด 13.8V/5A จ่ายให้กับวงจร Quasi-Z-source Inverter และแหล่งจ่ายขนาด 15V/1A สำหรับบอร์ดควบคุม Arduino UNO และวงจรขับที่ขาเกตของตัวเพาเวอร์มอสเฟตในส่วนเดียวกัน

ในรูปที่ 11 เป็นวงจรที่ใช้ในการทดลองซึ่งในที่นี้จะคล้ายกับวงจรแบบ Z-source Inverter ที่ผ่านมา โดยค่าแรงดันเอาต์พุตจะกำหนดไว้ที่ 25V เข้ามายังบอร์ดควบคุม Arduino UNO เป็นสัญญาณป้อนกลับ (Feedback Signal) มายังที่ขา A0 และที่ขา A1 จะรับค่าสัญญาณกระแสที่เกิดขึ้นจากการสวิตชิ่งของเพาเวอร์มอสเฟต และสุดท้ายในส่วนของสัญญาณขับที่ขาเกตจะจ่ายออกมาจากขา D9 ไปยังออปโต้คัปเปิล TL250 สำหรับขับที่ขาเกตนั้นเอง

สำหรับการทดลองวงจร Quasi-Z-source Inverter นี้ยังคงเป็นการทดลองเบื้องต้นแบบหนึ่ง ซึ่งการนำวงจร Quasi-Z-source Inverter ไปประยุกต์ใช้งานกับสวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์ หรือวงจรอินเวอร์เตอร์ต่างๆ นั้น เราจะต้องศึกษารูปแบบการส่งสัญญาณขับกำลังให้กับวงจรเหล่านั้นเพิ่มเติม รวมทั้งการกำหนดช่วงเวลา Non-Shoot through state และ Shoot through state สำหรับ Quasi-Z-source Inverter เพื่อให้การสวิตชิ่งเป็นไปอย่างเหมาะสม ซึ่งจะช่วยให้ประสิทธิภาพของระบบสูงขึ้นได้

Reference

1. https://www.slideshare.net/RutujaDaphale/quasi-z-source-inverter
2. https://www.researchgate.net/publication/325857789_Analysis_and_Design_of_the_Quasi-Z-Source_Inverter_for_Wide_Range_of_Operation
3. https://www.oreilly.com/library/view/high-performance-control/9781119942108/c03anchor-8.html
4. https://www.researchgate.net/figure/Asymmetric-Impedance-Network-Quasi-Z-Source-Inverter-Switching-Modes-States_fig2_289707329
5. https://www.researchgate.net/figure/Equivalent-circuit-for-voltage-gain-derivation_fig4_321896012
6. https://cyberleninka.org/article/n/1454154.pdf