Basic Synchronous Boost Converter

สำหรับโครงงานนี้เป็นอีกโครงงานหนึ่งเกี่ยวกับวงจร ดีซี ทู ดีซี (DC to DC) แบบพื้นฐานและเข้าใจการทำงานได้ง่าย ซึ่งจะกล่าวถึงเบื้องต้นสำหรับท่านที่ศึกษาเกี่ยวกับวงจรคอนเวอร์เตอร์ในลักษณะนี้ โดยโครงสร้างหลักๆ แล้ว จะเป็นวงจร Boost Converter แต่จะใช้เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานให้สูงขึ้น โดยการลดพลังงานสูญเสียที่เกิดขึ้นกับคอนเวอร์เตอร์ให้น้อยลงด้วยการใช้วงจรซิงโครนัสเร็กติไฟเออร์ (Synchronous Rectifier : SR) และใช้ตัวประมวลผล Arduino UNO

รูปที่ 1 เตรียมอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับประกอบให้เป็นวงจรซิงโครนัสเร็กติไฟเออร์ แบบบูทคอนเวอร์เตอร์ โดยใช้ลวดทองแดงขนาดเบอร์ 21 SWG (ขนาดลวดเป็นค่าโดยประมาณ) ใช้แกนเฟอไรท์ (Ferrite Core Toroide) ขนาด 35mm 1 ตัว และขนาด 30mm 1 ตัว ทั้งสองตัวเป็นแกนสีดำ ใช้ฮีตซิ้งขนาดเล็กสำหรับตัวมอสเฟตตัวถัง (TO-220) 2 ตัว ใช้เพาเวอร์มอสเฟตเบอร์ IRF3205 จำนวน 2 ตัว และไอซี IR2111 อีก 1 ตัวสำหรับวงจรขับขาเกตให้เพาเวอร์มอสเฟต (ยังไม่ได้แสดงในรูป)

ในรูปที่ 2 เป็นลักษณะของการทดลองวางอุปกรณ์ต่างๆ บนแผ่นวงจรอเนกประสงค์ เพื่อให้เราสามารถกำหนดทิศทางการใหลของกระแสไฟฟ้าที่มีปริมาณสูง และการวางอุปกรณ์ใสส่วนสัญญาณควบคุมต่างๆ ให้เป็นสัดส่วนกันเพื่อลดการเกิดสัญาณรบกวนที่อาจจะเกิดขึ้น

รูปที่ 3 เริ่มต้นด้วยการพันตัวเหนี่ยวนำขึ้นมาก่อนทั้ง 2 ตัว คือ ตัวแรก (ด้านซ้ายมือ) จะเป็นตัวเหนี่ยวนำสำหรับฟิลเตอร์แรงดันที่เอาต์พุตให้เรียบมากที่สุด (เป็นลักษณะของไฟฟ้ากระแสตรง) โดยในวงจรนี้จะใช้ลักษณะของวงจรพายฟิลเตอร์ (pi-filter) จะใช้ค่าความเหนี่ยวนำประมาณ 120uH และตัวเหนี่ยวนำที่สอง จะเป็นตัวเหนี่ยวนำสำหรับทำหน้าที่เพิ่มแรงดันให้กับวงจร (L boost) โดยในวงจรนี้จะใช้ค่าความเหนี่ยวนำประมาณ 100uH และใช้งานที่กระแส 5A ต่อเนื่องได้

ในรูปที่ 4 จะเป็นลักษณะของการวางอุปกรณ์ทั้งหมด และประกอบส่วนต่างๆ ในบอร์ดเป็นที่เรียบร้อยสามารถนำไปทดลองการทำงานได้แล้ว

ในรูปที่ 5 อธิบายส่วนต่างๆ ที่สำคัญของวงจรคร่าวๆ ดังนี้คือ จากในรูปจะเห็นกรอบสี่เหลี่ยมต่างๆ โดยเริ่มจากกรอบสีแดง (ด้านซ้ายมือ) จะเป็นส่วนของวงจรขับขาเกต (IR2111) และยังเป็นส่วนของการแยกเฟสสัญญาณให้เกิดขึ้นเป็นสัญาณด้านบน (High Side) และด้านล่าง (Low Side) ในกรอบสีน้ำเงินจะเป็นส่วนของเพาเวอร์มอสเฟตด้านบนและด้านล่าง โดยตัวข้างบนจะทำหน้าที่เป็นซิงโครนัสเร็กติไฟออร์ และในส่วนของกรอบสีเหลืองจะเป็นส่วนของวงจรส่งค่าแรงดันเอาต์พุตสำหรับเป็นสัญญาณป้อนกลับ (Feedback signal) ให้กับตัวประมวลผล Arduino UNO

ในรูปที่ 6 จะเป็นลักษณะการต่อร่วมกันระหว่างบอร์ด Arduino UNO และวงจรซิงโครนัสบูทคอนเวอร์เตอร์ที่ประกอบขึ้น โดยแสดงการเชื่อมต่อเพื่อรับและส่งสัญญาณต่างๆ กับบอร์ด Arduino คือ

1. ขากราวด์ (GND) จะต่อร่วมกัน
2. ขาสัญญาณ PWM จะเป็นขา 9 มายังไอซี IR2111
3. ขารับสัญญาณแรงดันที่เอาต์พุตเข้าที่ขา A0
4. ขารับสัญญาณการตรวจจับกระแสสำหรับสวิตชิ่ง เข้าที่ขา D2

จากรูปที่ 7 แสดงลักษณะของสัญญาณขับเพาเวอร์มอสเฟต ทางด้านบนที่ CH1 (High Side) และด้านล่างที่ CH2 (Low Side) และใช้ความถี่ในการสวิตชิ่ง (fs) ที่ 50kHz ซึ่งสัญญาณทั้งสองจะต่างเฟสกัน 180 องศา และเว้นช่วงเวลาหยุดการทำงานระหว่างกัน (Dead Time : DT) น้อยมาก เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพของการซิงโครนัสเร็กติไฟเออร์ได้ดีที่สุด

สำหรับในรูปที่ 8 จะเป็นลักษณะการทดลองวงจรซิงโครนัสเร็กติไฟเออร์ แบบบูทคอนเวอร์เตอร์ (Synchronous Boost Converter) โดยรับค่าแรงดันอินพุตที่ 12V และกำหนดค่าแรงดันเอาต์พุตที่ 20V/2A โดยสามารถจ่ายกระแสได้ต่อเนื่อง (Continuous current) และใช้โหลดตัวต้านทานขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ 2 ตัวในการทดลองและสังเกตการตอบสนองของระบบป้อนกลับที่ออกแบบไว้

ในส่วนของตัวประมวลผลสำหรับการทดลองนี้จะใช้บอร์ด Arduino UNO เป็นตัวควบคุมการทำงานทั้งหมด ด้วยการรับค่ากระแสในการสวิตชิ่ง (Is) ที่ตัวมอสเฟตตัวล่าง (Low side) ในการควบคุมกระแสเกิน, การรับค่าแรงดันที่เอาต์พุต (Vo = 20V) เพื่อเป็นสัญญาณป้อนกลับ (Feedback signal) ในการประมวลผล สำหรับโปรแกรมการทำงาน (Algorithm) เพื่อควบคุมให้แรงดันที่เอาต์พุตคงที่ และป้องกันกระแสเกิน จะใช้ตัวควบคุมแบบฟัซซี่ลอจิก (Fuzzy Logic Control : FLC) เพื่อให้โปรแกรมทำงานได้รวดเร็ว, ลดขั้นตอนการคำนวณค่าพารามิเตอร์ในระบบควบคุม, และใช้เวลาในการออกแบบโครงงานน้อยลง

Reference

1. http://web.eecs.utk.edu/~dcostine/ECE482/Spring2018/materials/Ti-SynchBoostAnalysis.pdf
2. http://digibuo.uniovi.es/dspace/bitstream/10651/48610/1/Synchronous%20Boost%20Converter%20with%20High.pdf
3. https://www.researchgate.net/figure/Schematic-of-the-synchronous-boost-converter-under-study-a-power-circuit-b-equivalent_fig1_276396589
4. https://www.powerelectronics.com/technologies/dc-dc-converters/article/21862686/wide-vin-and-highpower-challenges-with-buckboost-converters