Basics Bridgeless-PFC Topologies Boost converter

วงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า (PF : Power Factor) เป็นวงจรหนึ่งในปัจจุบันที่มีในเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ หรือการปรับแก้ไขระบบขนาดกลางและใหญ่ ซึ่งให้ความสำคัญกับการใช้พลังงานไฟฟ้าให้เกิดประสิทธิภาพมากที่สุดและโดยทั่วไปจะเห็นการปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าขนาดกลางและใหญ่ ด้วยการใช้วิธีแบบพาสซีฟ (Passive Power Factor Correction) ซึ่งจะใช้กับระบบที่มีปริมาณกระแสไฟฟ้าค่อนข้างสูง ซึ่งไม่สามารถชดเชยด้วยการใช้อุปกรณ์ขับกำลังแบบเซมิคอนดักเตอร์ธรรมดาเข้ามาใช้ได้

นอกจากการปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบพาสซีฟแล้ว ยังมีวิธีการปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบแอกทีฟที่จะใช้ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำและตัวไดโอดเป็นหลักในการทำงานของตัววงจร โดยจะเหมาะกับการนำไปใช้ในเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้กำลังไม่สูงมากนัก (ประมาณ 100W-5000W) ซึ่งเป็นที่นิยมใช้ปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบแอกทีฟ (APFC : Active Power Factor Correction) ทั้งนี้การปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแอกทีฟจะให้ค่า PF ได้สูงและใกล้เคียง 1 มาก

สำหรับบทความนี้จะขอนำเสนอเนื้อหาเกี่ยวกับวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบแอกทีฟเป็นหลัก ซึ่งโดยปกติเราจะเห็นวงจรในลักษณะดังในรูปข้างล่าง คือ ส่วนของไดโอดบริดจ์ (D1-D4) ทางด้านอินพุต, ตัวเหนี่ยวนำ (L1) สำหรับการเพิ่มแรงดันให้วงจร, สวิตช์ขับกำลัง (Q4), ในส่วนของ D5 จะทำหน้าที่เร็กติไฟร์ และสุดท้ายตัวเก็บประจุ C1 ทำหน้าที่กรองกระแสที่เกิดจากการเร็กติไฟร์ด้วย D5 ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรงนั้นเอง

แต่ในบทความที่นำเสนอนี้จะเป็นการลดการใช้อุปกรณ์ในส่วนของวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้านี้ให้น้อยลง ทั้งนี้เพื่อให้พลังงานสูญเสียในระบบลดลงอีกทางหนึ่ง ซึ่งจะเรียกว่า การปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบแอกทีฟ โดยไม่ใช้ไดโอดบริดจ์ (Bridgeless PFC Boost converter) ซึ่งจากรูปข้างล่างเราจะเห็นว่าได้โอดทั้ง 3 ตัวในกรอบสีน้ำเงินจะทำงานตลอดเวลาใช้ช่วงไซเกิลที่แหล่งจ่ายไฟ L มีศักดิ์เป็นบวก และ N มีศักดิ์เป็นลบ ในทางกลับกับเมื่อแหล่งจ่ายไฟ L มีศักดิ์เป็นลบ และ N มีศักดิ์เป็นบวก ก็จะทำให้ D2, D3 และ D5 ทำงาน ซึ่งเป็นผลให้เกิดพลังงานสูญเสียให้กับอุปกรณ์ทั้ง 3 ตัวนี้ตลอดเวลา

สำหรับวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบแอกทีฟ โดยไม่ใช้ไดโอดบริดจ์นั้น ทั่วไปจะมี 4 แบบคือ

1. Classic bridgeless-boost PFC
2. Dual-boost semi-bridgeless PFC
3. Bridgeless-boost PFC with a bidirectional switch
4. Totem-pole bridgeless-boost PFC

ในรูปที่ 1 จะเป็นแบบดั้งเดิมและนิยมใช้ โดยลักษณะโครงสร้างของวงจรจะค่อนข้างคล้ายกับแบบวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าทั่วไป แต่ตัวเหนี่ยวนำจะมาอยู่ที่ตำแหน่งเดียวกับแหล่งจ่ายไฟ AC ทางด้านอินพุต ซึ่งเราสามารถวิเคราะห์ลักษณะการทำงานออกเป็น 4 ช่วงเวลา เพื่อให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น

ในช่วงการทำงานที่ 1 เราจะสมมติให้ที่แหล่งจ่ายไฟเลี้ยง L มีศักดิ์เป็นบวกและ N มีศักดิ์เป็นลบ โดยในช่วงเวลา N มีศักดิ์เป็นลบนี้จะทำให้ไดโอดภายในตัวมอสเฟต Q2 (Body diode) จะได้รับไบอัสตรง (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) ในส่วนของวงจรควบคุมจะส่งสัญญาณพัลซ์มายังเพาเวอร์มอสเฟต Q1 ให้นำกระแส ซึ่งจะทำให้เกิดการไบอัสกระแสที่ตัวเหนี่ยวนำ L1 ด้วยนั้นเอง

ในช่วงการทำงานที่ 2 หลังจากตัวเหนี่ยวนำ L1 ได้รับไบอัสแล้วในช่วงของสัญญาณพัลซ์ ON (Logic HIGH) ก็จะเป็นช่วงของสัญญาณพัลซ์ OFF (Logic LOW) ก็จะทำให้ตัวเหนี่ยวนำเกิดค่าแรงดันย้อนกลับ (ตามลูกศรสีแดง) โดยค่าแรงดันนี้จะไปรวมกับค่าแรงดันจากแหล่งจ่่ายไฟเลี้ยงอินพุตไปยังโหลด RL นั้นเอง

ในช่วงการทำงานที่ 3 เราจะพิจารณาให้ที่แหล่งจ่าย N มีศักดิ์เป็นบวกและ L มีศักดิ์เป็นลบ ในช่วงเวลานี้ไดโอดภายในตัวมอสเฟต Q1 จะได้รับไบอัสตรง (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) จากนั้นที่ตัวมอสเฟต Q2 จะได้รับสัญญาณพัลซ์ควบคุมและเป็นผลให้เกิดกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ L1 และมอสเฟต Q2 (ตามลูกศรสีแดง) เช่นเดียวกับการทำงานในช่วงที่ 1

ในช่วงการทำงานที่ 4 จะเป็นลักษณะเดียวกับช่วงการทำงานที่ 2 คือ เมื่อกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ L1 ไปแล้ว แรงดันย้อนกลับนั้น จะไปรวมเข้ากับแหล่งจ่่ายไฟเลี้ยงทางด้านอินพุต จากนั้นก็จะไหลผ่าน D2 ไปยังโหลด RL อีกครั้ง (ตามลูกศรสีแดง)

รูปที่ 2 เป็นวงจรเพิ่มแรงดันแบบ 2 ช่อง โดยวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้านี้จะใช้ตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้นมาอีก 1 ตัว เพื่อกำลังไฟฟ้าแยกอิสระจากตัวเหนี่ยวนำเดิม ซึ่งทำให้วงจรสามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าได้สูงและต่อเนื่อง แต่จะใช้อุปกรณ์ในวงจรเพิ่มขึ้นคือตัวไดโอด จากในรูปที่ 2 เราสามารภวิเคราะห์การทำงานออกเป็น 4 ช่วงคือ

ในช่วงการทำงานที่ 1 เราจะสมมติให้ที่แหล่งจ่ายไฟเลี้ยง L มีศักดิ์เป็นบวกและ N มีศักดิ์เป็นลบ โดยในช่วงเวลา N มีศักดิ์เป็นลบนี้จะทำให้ไดโอด DB ได้รับไบอัสตรง (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) และในส่วนของวงจรควบคุมจะส่งสัญญาณพัลซ์มายังเพาเวอร์มอสเฟต QA ให้เกิดการไบอัสกระแสที่ตัวเหนี่ยวนำ LA ขึ้น (ตามลูกศรสีแดง)

ในช่วงการทำงานที่ 2 เมื่อตัวเหนี่ยวนำ LA ได้รับไบอัสแล้ว (ในช่วงของสัญญาณพัลซ์ ON) จากนั้นก็จะเป็นช่วงของสัญญาณพัลซ์ OFF จะทำให้ตัวเหนี่ยวนำเกิดค่าแรงดันย้อนกลับ (ตามลูกศรสีแดง) โดยค่าแรงดันนี้จะไปรวมกับค่าแรงดันจากแหล่งจ่่ายไฟเลี้ยงอินพุตจ่ายไปยังโหลด RL นั้นเอง

ในช่วงการทำงานที่ 3 ต่อมาเราจะพิจารณาในช่วงแหล่งจ่าย N มีศักดิ์เป็นบวกและ L มีศักดิ์เป็นลบ (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) ในช่วงเวลานี้ไดโอด DA จะได้รับไบอัสตรง และตัวมอสเฟต QB จะได้รับสัญญาณพัลซ์ควบคุม ทำให้เกิดกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ LฺB และมอสเฟต QB (ตามลูกศรสีแดง)

ในช่วงการทำงานที่ 4 เมื่อกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ LB ไปแล้ว ทำให้ค่าแรงดันย้อนกลับไปรวมเข้ากับแหล่งจ่่ายไฟเลี้ยงทางด้านอินพุต และไหลผ่าน DG ไปยังโหลด RL อีกครั้ง (ตามลูกศรสีแดง)

รูปที่ 3 เป็นวงจรนำกระแส 2 ทิศทางด้วยเพาเวอร์มอสเฟตแบบอนุกรม โดยวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้านี้ จะใช้ตัวเหนี่ยวนำเพิ่ม 1 ตัว เพื่อกำลังสำหรับการเพิ่มแรงดัน (Boost) ซึ่งลักษณะเด่นของวงจรนี้ จะทำการไบอัสกระแสให้กับตัวเหนี่ยวนำโดยตรงก่อน จากนั้นค่าแรงดันย้อนกลับจะถูกจ่ายผ่านวงจรบริดจ์อีกครั้ง (Diode bridge) เพื่อจ่ายพลังงานรวมให้กับโหลดและในที่นี้เราจะทำการวิเคราะห์การทำงานออกเป็น 4 ส่วนดังนี้คือ

ในช่วงการทำงานที่ 1 เราจะสมมติให้ที่แหล่งจ่ายไฟเลี้ยง LA มีศักดิ์เป็นบวกและ N มีศักดิ์เป็นลบ โดยในช่วงเวลา N มีศักดิ์เป็นลบไดโอดภายในตัวมอสเฟต QฺB1 (Body diode) จะได้รับไบอัสตรง (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) และในส่วนของเพาเวอร์มอสเฟต QA1 จะได้รับสัญญาณควบคุมพัลซ์เข้ามา เพื่อให้เกิดการไบอัสกระแสที่ตัวเหนี่ยวนำ LA ขึ้น (ตามลูกศรสีแดง)

ในช่วงการทำงานที่ 2 เมื่อตัวเหนี่ยวนำ LA ได้รับไบอัสแล้ว (ในช่วงของสัญญาณพัลซ์ ON) จากนั้นในช่วงของสัญญาณพัลซ์ OFF จะทำให้ตัวเหนี่ยวนำเกิดค่าแรงดันย้อนกลับ (ตามลูกศรสีแดง) โดยค่าแรงดันนี้จะไปรวมกับค่าแรงดันจากแหล่งจ่่ายไฟเลี้ยงอินพุตเป็นในเฟสบวก ไหลผ่านไดโอด DC1 อีกส่วนหนึ่งก็จะไหลผ่านไดโอด DB1 (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) ซึ่งเป็นในเฟสลบ จ่ายไปยังโหลด RL

ในช่วงการทำงานที่ 3 ถัดมาเราจะพิจารณาในช่วงแหล่งจ่าย N มีศักดิ์เป็นบวกและ L มีศักดิ์เป็นลบ (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) ในช่วงเวลานี้ไดโอดภายในตัวมอสเฟต QฺA1 (Body diode) จะได้รับไบอัสตรง (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) ตัวมอสเฟต QB1 จะได้รับสัญญาณพัลซ์ควบคุม ทำให้เกิดกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ LฺA และมอสเฟต QB1 (ตามลูกศรสีแดง)

ในช่วงการทำงานที่ 4 เมื่อตัวเหนี่ยวนำ LA ได้รับไบอัสแล้ว (ในช่วงของสัญญาณพัลซ์ ON) จากนั้นในช่วงของสัญญาณพัลซ์ OFF จะทำให้ตัวเหนี่ยวนำเกิดค่าแรงดันย้อนกลับ (ตามลูกศรสีแดง) โดยค่าแรงดันนี้จะไปรวมกับค่าแรงดันจากแหล่งจ่่ายไฟเลี้ยงอินพุตเป็นในเฟสบวก ไหลผ่านไดโอด DE1 อีกส่วนหนึ่งก็จะไหลผ่านไดโอด DA1 (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) ซึ่งเป็นในเฟสลบจ่ายไปยังโหลด RL ต่อไป

รูปที่ 4 เป็นการใช้วงจรแบบโทเทมโพล (Totem-pole) เพื่อการนำกระแส 2 ทิศทางด้วยเพาเวอร์มอสเฟตแบบอนุกรม โดยตัวเหนี่ยวนำ L จะต่อร่วมเข้าที่จุดกึ่งกลางของเพาเวอร์มอสเฟตทั้ง 2 ตัว และอนุกรมกับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุต โดยวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบนี้ จะใช้ตัวเหนี่ยวนำ 1 ตัว โดยลักษณะเด่นของวงจรจะดูเข้าใจได้ง่ายและใช้อุปกรณ์น้อยคล้ายกับวงจร Classic bridgeless-boost PFC วงจรในรูปที่ 1 ส่วนการทำงานเราจะแบ่งออกเป็น 4 ส่วนเช่นกันดังนี้คือ

ในช่วงการทำงานที่ 1 เราจะสมมติให้ที่แหล่งจ่ายไฟเลี้ยง L มีศักดิ์เป็นบวกและ N มีศักดิ์เป็นลบ โดยในช่วงเวลา N มีศักดิ์เป็นลบจะทำให้ D2 ได้รับไบอัสตรง (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) และในส่วนของเพาเวอร์มอสเฟต Q2 จะได้รับสัญญาณควบคุมพัลซ์ เพื่อให้เกิดการไบอัสกระแสที่ตัวเหนี่ยวนำ L ขึ้น (ตามลูกศรสีแดง)

ในช่วงการทำงานที่ 2 เมื่อตัวเหนี่ยวนำ L ได้รับไบอัสแล้ว ในช่วงของสัญญาณพัลซ์ ON จากนั้นในช่วงของสัญญาณพัลซ์ OFF จะทำให้ตัวเหนี่ยวนำเกิดค่าแรงดันย้อนกลับ (ตามลูกศรสีแดง) ผ่านไดโอดภายในตัวมอสเฟต Q1 (Body diode) โดยค่าแรงดันนี้จะไปรวมกับค่าแรงดันจากแหล่งจ่่ายไฟเลี้ยงอินพุตเป็นในเฟสบวก อีกส่วนหนึ่งจะไหลผ่านไดโอด D2 (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) ซึ่งเป็นในเฟสลบ จ่ายไปยังโหลด RL

ในช่วงการทำงานที่ 3 พิจารณาในช่วงแหล่งจ่าย N มีศักดิ์เป็นบวกและ L มีศักดิ์เป็นลบ (ตามลูกศรสีน้ำเงิน) ในช่วงเวลานี้ไดโอด D1 จะได้รับไบอัสตรง (ตามลูกศรสีแดง) ตัวมอสเฟต Q1 จะได้รับสัญญาณพัลซ์ควบคุมสำหรับไบอัส L1 ทำให้เกิดกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ Lฺ อีกครั้ง

ในช่วงการทำงานที่ 4 เมื่อตัวเหนี่ยวนำ L ได้รับไบอัสแล้ว ในช่วงของสัญญาณพัลซ์ ON จากนั้นในช่วงของสัญญาณพัลซ์ OFF จะทำให้ตัวเหนี่ยวนำเกิดค่าแรงดันย้อนกลับ (ตามลูกศรสีแดง) ผ่านไดโอด D1 ซึ่งเป็นในเฟสบวก อีกส่วนหนึ่งจะไหลผ่านไดโอดภายในตัวมอสเฟต Q2 (Body diode) และค่าแรงดันนี้จะไปรวมกับค่าแรงดันจากแหล่งจ่่ายไฟเลี้ยงอินพุตเป็นในเฟสลบ จ่ายไปยังโหลด RL

สำหรับบทความ Basic Bridgeless-PFC Topologies Boost converter ยังคงเป็นแนวความคิดเบื้องต้น ของการทำงานในวงจรแต่ละแบบซึ่งเป็นวงจรที่นิยมใช้งานกัน สำหรับท่านที่ต้องการรายละเอียดเพิ่มขึ้น เช่น การคำนวณเพื่อหาค่าตัวอุปกรณ์ที่จะนำมาใช้ การเลือกปริมาณกำลังไฟฟ้าที่จะให้วงจรทำงานได้อย่างเหมาะสม และค่าพารามิเตอร์ต่างๆ สำหรับออกแบบ สามารถค้นหาข้อมูลเพิ่มเติมได้ตามลิ้งค์เว็บไซต์ที่อ้างอิงข้างล่างนี้ครับ.

Reference

1. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8392-D.PDF
2. https://www.powerelectronics.com/technologies/power-management/article/21861327/true-bridgeless-pfc-converter-achieves-over-98-efficiency-0999-power-factor
3. https://www.mouser.com/pdfDocs/gs665btp-refrev170411.pdf
4. https://toshiba.semicon-storage.com/info/docget.jsp?did=68570
5. http://www.scielo.org.co/pdf/rfiua/n82/0120-6230-rfiua-82-00009.pdf
6. https://delta-q.com/wp-content/uploads/2015/02/AHigh-PerformanceSingle-PhaseBridgelessInterleavedPFCConverterforPlug-inHybrid.pdf
7. https://www.ti.com/lit/an/slyt750/slyt750.pdf?
8. https://www.nxp.com/docs/en/reference-manual/DRM174.pdf
9. https://www.ti.com.cn/cn/lit/an/slua517/slua517.pdf?ts=1606610841284&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
10. https://www.semanticscholar.org/paper/An-efficient-bridgeless-power-factor-correction-Rajappan-John/007c10f241b64e52daca42ee31bd50a4041b3c9e
11. https://www.ijert.org/research/analysis-of-bridgeless-pfc-boost-converter-IJERTV1IS5373.pdf
12. http://www.powerfactor.us/bridgeless-pfc.html
13. https://www.youtube.com/watch?v=DKDUBfKuuOQ
14. https://training.ti.com/sites/default/files/docs/digcontrolledhigheffpfc_v2.pdf