Boost Interleaved PFC Converter

วงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้า Power Factor Correction : PFC มีเทคนิคและรูปแบบของการออกแบบวงจรต่างๆ ให้สามารถประหยัดพลังงาน ลดพลังงานสูญเสียและขนาดของการใช้อุปกรณ์ เป็นต้น ในส่วนที่จะนำเสนอนี้เป็นอีกรูปแบบหนึ่ง ที่จะช่วยลดปริมาณกระแสสูงชั่วขณะลง ทั้งนี้การทำงานของวงจรที่มีกระแสและความถี่สูงชั่วขณะนั้น จะเป็นผลให้เกิดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าได้ง่าย (EMI : Electro-Magnetic Interference) ทั้งในรูปของสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าทางสายตัวนำ (Conducted EMI) และสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าทางอากาศ (Radiated EMI)

ดังนั้นในบทความนี้จึงขอนำเสนอวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ (Boost Interleaved PFC Converter) ซึ่งเป็นการออกแบบอีกเทคนิคหนึ่งที่เราสามารถเลือกนำไปใช้งานได้อย่างเหมาะสม ทั้งนี้วงจรที่นำเสนอนี้มีจุดเด่นที่น่าสนใจเมื่อเที่ยบกับวงจรปรับค่าตัวประกอบกำลังไฟฟ้าแบบทั่วไปคือ

ลดปริมาณกระแสอินพุตชั่วขณะลงจากการแยกชุดขับกำลังออกเป็นส่วนเล็กๆ
ลดปริมาณการเกิดริปเปิ้ลที่เอาต์พุตลงจากการเพิ่มเฟสของสัญญาณที่เอาต์พุตขึ้น
ลดความเครียดของการใช้กระแสสูงชั่วขณะให้กับอุปกรณ์ขับกำลังเช่น ไอจีบีที หรือมอสเฟตลงและหาซื้อได้ง่ายกว่า

รูปที่ 1 การลดค่ากระแสให้สวิตชิ่งกำลังด้วยการเพิ่มเฟส Picture by : Reference [9]

จากรูปที่ 1 แสดงลักษณะของประมาณกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่อใช้สวิตชิ่งกำลัง สำหรับการใช้ในวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ทั่วไปแบบ 1 เฟส และวงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์แบบเฟส 2 เฟส และแบบ 3 เฟส (ซึ่งแบบ 2 และ 3 เฟสจะเป็นแบบ Interleaved PFC) จะช่วยให้เราเข้าใจลักษณะการลดปริมาณการนำกระแสสูงลงและลักษณะการทำงานที่เกิดขึ้นได้ง่าย

รูปที่ 2 แสดงการใช้อุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กลง Picture by : Reference [9]

ในรูปที่ 2 แสดงการเปรียบเทียบถึงการใช้ตัวเหนี่ยวนำมาใช้งานของวงจร PFC แบบ 1 เฟสและแบบ 3 เฟส (3 interleaved) ที่ต้องการกำลังไฟฟ้าที่เอาต์พุตเท่ากัน (3kW) และผลรวมทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากวงจร PFC ทั้ง 2 แบบนี้

ในรูปที่ 3 เป็นตัวอย่างของวงจรอินเตอร์ลีฟ แบบ 2 เฟส (Two interleaved PFC boost converters) ซึ่งจะใช้ในการอธิบายการทำงานเบื้องต้น เพื่อให้เราเข้าใจการทำงานในหลักสำคัญสำหรับการวิเคราะห์ที่มีความซับซ้อนเพิ่มขึ้น

รูปที่ 4 อธิบายการทำงานวงจรอินเตอร์ลีฟเบื้องต้น

จากในรูปที่ 4 เราสามารถแยกการทำงานของวงจรอินเตอร์ลีฟออกเป็น 2 ส่วนตามรูปที่แสดงข้างบนคือ ในวงกลม 1 (สีน้ำเงิน) จะเป็นเฟสที่ 1 โดยการทำงานของช่วงนี้เราสมมุติให้เพาเวอร์มอสเฟต Q1 นำกระแส (I1) ในช่วงนี้ตัวเหนี่ยวนำ L1 จะได้รับไบอัสและเกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นจากนั้นเมื่อเพาเวอร์มอสเฟต Q1 หยุดนำกระแส ก็จะทำให้เกิดแรงดันย้อนกลับและจะมารวมกับแหล่งจ่ายไฟที่เกิดขึ้นจากไฟฟ้า L และ N โดยในช่วงนี้พลังงานไฟฟ้าจะไหลผ่านไดโอด D5 จ่ายให้กับโหลดที่ RL เป็นกำลังไฟฟ้าเกิดขึ้นจากเฟสที่ 1 ตามลูกศรที่แสดงสีน้ำเงินในรูปนั้นเอง

ในลักษณะเดียวกันกับเฟสที่ 2 ในช่วงเวลาแรกเราจะสมมุติให้เพาเวอร์มอสเฟต Q2 นำกระแส (I2) ตัวเหนี่ยวนำ L2 จะได้รับไบอัสและเกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้น จากนั้นเมื่อเพาเวอร์มอสเฟต Q2 หยุดนำกระแสแรงดันย้อนกลับจะมารวมกับแหล่งจ่ายไฟที่เกิดขึ้นจากไฟฟ้า L และ N และผ่านไดโอด D6 จ่ายพลังงานไฟฟ้าจ่ายให้กับโหลดที่ RL ตัวเดียวกัน โดยในการไบอัสกระแสให้กับตัวตัวเหนี่ยวนำ L1 และ L2 จะเลื่อนเวลากันออกไป ดังแสดงในรูปข้างล่างที่ Phase 1 และ Phase 2 ซึ่งเป็นรูปแบบของวงจรอินเตอร์ลีฟ

รูปที่ 5 ลักษณะของสัญญาณขับของวงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์แบบ 2 เฟส Picture by : Reference [13]

รูปที่ 5 แสดงสัญญาณเราจะเห็นว่าในกรณีที่วงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ ต้องการกำลังไฟฟ้าไม่มากนัก (ลักษณะของสัญญาณจะเป็นดังในรูปที่ 5 ข้างบน) โดยลักษณะของสัญญาณทั้งสองจะมีค่าหยุดการทำงานชั่วขณะ (Dead time) ที่จะทำให้เฟสทั้ง 2 ไม้ซ้อนกัน ในทางกลับกันกรณีที่วงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ต้องการกำลังไฟฟ้าสูงขึ้น (ในรูปที่ 5 ข้างล่าง) จะทำให้สัญญาณทั้งสองไม่มีค่าหยุดการทำงานชั่วขณะ ซึ่งจะทำให้วงจรจ่ายกำลังไฟฟ้าสูงเพิ่มมากยิ่งขึ้นตามที่ผู้ออกแบบวงจรต้องการ

รูปที่ 6 การควบคุมแบบดิจิตอลและอะนาลอกในวงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ Picture by : Reference [9]

ในรูปที่ 6 จะแสดงการเลือกใช้งานตัวควบคุมให้กับวงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งสามารถเลือกใช้ได้ทั้ง 2 แบบคือ แบบอะนาลอกทั่วไป ซึ่งจะมีรูปแบบการใช้งานต่างๆ ตามฟังก์ชั่นที่มี และเราต้องคำนวณค่าพารามิเตอร์ต่างๆ สำหรับควบคุมการทำงานตามที่ต้องการเช่น ค่ากระแสเกิน (Is), ค่าแรงดันเอาต์พุต (Vo), ค่าการปรับชดเชยการทำงานของระบบ (Compensation) เป็นต้น ซึ่งเราไม่ต้องเรียนรู้ในการเขียนโปรแกรมเพิ่มเติม

สำหรับในส่วนของตัวควบคุมแบบดิจิตอลนั้น เราต้องศึกษาเรื่องการทำงานของวงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ ฟังก์ชั่นการทำงานของตัวประมวลผล การควบคุมค่ากระแสเกิน (Is), ค่าแรงดันเอาต์พุต (Vo), ค่าการปรับชดเชยการทำงานของระบบ (Compensation) ในลักษณะเดียวกับแบบอะนาลอก แต่จะต้องเปลี่ยนวิธีการควบคุมเหล่านั้นเป็นการเขียนคำสั่งแทน ซึ่งการใช้ตัวควบคุมแบบดิจิตอล จะง่ายต่อการปรับเปลี่ยนรูปแบบการทำงานของระบบ การเลือกวิธีการควบคุม เป็นต้น แต่ต้นทุนสำหรับการเลือกใช้ควบคุมแบบดิจิตอลก็จะสูงด้วยเช่นกัน

รูปที่ 7 ตัวอย่างวงจรวงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ 2 เฟส (แบบที่1) Picture by : Reference [5]

ในรูปที่ 7 ข้างบนจะเป็นตัวอย่างวงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ แบบอะนาลอกที่ใช้ไอซีเบอร์ NCP1631 ของบริษัท Semiconductor Components Industries และสามารถต้อใช้งานจริงได้ ทั้งนี้สำหรับแนวทางในการศึกษาลักษณะการต่อวงจรในลักษณะนี้แบบที่ 1

รูปที่ 8 ตัวอย่างวงจรวงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ 2 เฟส (แบบที่ 2) Picture by : Reference [15]

รูปถัดมาที่ 8 เป็นอีก 1 วงจรสำหรับวงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ ด้วยไอซีเบอร์ UCC28220 ของบริษัท Texas Instruments Incorporated จะเห็นว่าลักษณะของตัววงจรอาจจะแตกต่างกันบ้างเล็กน้อย โดยในส่วนของ Texas Instruments จะมีไอซี UCC27324D เพิ่มขึ้นมาอีก 1 ตัวสำหรับขับเพาเวอร์มอสเฟสโดยตรง

รูปที่ 9 ลักษณะบอร์ดเรียนรู้วงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ (แบบที่ 1) Picture by : Reference [4]

ในรูปข้างบนที่ 9 เป็นลักษณะของบอร์ดสาธิต (Demonstration board) วงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ขนาด 300 วัตต์ โดยใช้ไอซี NCP1631 ของบริษัท Semiconductor Components Industries

รูปที่ 10 ลักษณะบอร์ดเรียนรู้วงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ (แบบที่ 2) Picture by : Reference [9]

ในรูปสุดท้ายที่ 10 เป็นลักษณะของบอร์ดสาธิต (Demonstration board) วงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์ขนาด 3000 วัตต์ โดยใช้การควบคุมแบบดิจิตอล ของบริษัท ST และมีขนาดของตัวบอร์ดไม่ใหญ่มากนัก เมื่อเทียบกับวงจร PFC แบบทั่วไป 1 เฟส

สำหรับบทความนี้เป็นการนำเสนอเกี่ยวกับวงจรอินเตอร์ลีฟบูทคอนเวอร์เตอร์เบื้องต้น เพื่อเป็นแนวทางในการปรับใช้งานอีกแบบหนึ่งสำหรับการใช้วจร PFC ที่ต้องการจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับโหลดที่ค่อนข้างสูง โดยใช้เทคนิคของการอินเตอร์ลีฟคอนเวอร์เตอร์แทน เพื่อลดขนาดของวงจร ความเครียดของสวิตชิ่งกำลังในการขับกระแสสูงตัวเดียว และการใช้กระแสสูงชั่วขณะลงได้เป็นอย่างดีครับ. (Update 9-10-65)

Reference

Post Views: 3,166

Published by nattapon