Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)

หลังจากที่แอดมินเคยนำเสนอโครงงานบูทคอนเวอร์เตอร์แบบทั่วไปหลายครั้ง สำหรับครั้งนี้จะเป็นบูทคอนเวอร์เตอร์อีกรูปแบบหนึ่งที่มีความแตกต่างบ้างเล็กน้อย โดยจะเป็นแบบเรโซแนนท์คอนเวอร์เตอร์ (Resonant converter) หรือเรียกซอฟต์สวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์ (Soft Switching) และโครงงานต้นแบบที่นำเสนอนี้จะเป็นต้นแบบขนาดเล็กประมาณ 30 วัตต์ สำหรับเป็นการศึกษาและเรียนรู้การทำงานวงจรของแอดมินเองในอีกรูปแบบหนึ่ง และได้นำวงจรและการทดลองมาแชร์ให้ผู้อ่านกันครับ

Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 1 อุปกรณ์ต่างๆ สำหรับเตรียมประกอบการทดลองโครงงาน
Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 2 ลักษณะของบอร์ดต้นแบบเมื่อประกอบใกล้เสร็จ

ในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 แสดงอุปกรณ์ที่นำมาประกอบโครงงานและลักษณะของตัวบอร์ดที่ประกอบขึ้นใกล้เสร็จแล้ว ทั้งนี้ตัวบอร์ดต้นแบบจะประกอบบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อเนกประสงค์ เพื่อให้ง่ายและรวดเร็วขึ้น

Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 3 บอร์ดสร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น

รูปที่ 3 เป็นลักษณะของบอร์ดสร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น ที่ประกอบขึ้นสำหรับใช้ในการทดลองวงจรสวิตชิ่งต่างๆ ที่ใช้ตัวขับกำลัง 1 ตัว โดยจะใช้ไอซีเบอร์ TL494CN ในการสร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นและใช้ไอซี CD4093 ในการปรับรูปสัญญาณให้ดียิ่งขึ้น ที้นี้ตัวบอร์ดจะสามารถปรับความถี่และความกว้างของพัลซ์วิดธ์มอดูเลตได้

Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 4 การเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดสร้างสัญญาณพัลซ์และบอร์ดขับกำลัง

รูปที่ 4 แสดงลักษณะของการเชื่อมต่อระหว่างตัวบอร์ดสร้างสัญญาณพัลซ์และบอร์ดขับกำลัง สำหรับควบคุมการทำงานของวงจรให้เป็นไปตามที่กำหนด

Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 5 ลักษณะของการเตรียมการทดลองโครงงาน
Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 6 การวัดสัญญาณกระแสที่เกิดขึ้นจากตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนท์ (Lr)
Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 7 ตัวต้านทานโหลดสำหรับทดสอบขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ 2 ตัว
Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 8 การวัดค่ากระแสเอาต์พุตด้วยแคล้มมิเตอร์

ในรูปที่ 5 ถึงรูปที่ 8 เป็นการเตรียมอุปกรณ์และเครื่องมือในการทดลองโครงงาน โดยการวัดสัญญาณกระแส (รูปที่ 6) จะใช้ Closed Loop Current Sensor, ตัวต้านทานโหลดในการทดสอบขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ 2 ตัวต่ออนุกรมกันและใช้แคล้มมิเตอร์ในการวัดค่ากระแสทางด้านเอาต์พุต

Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 9 ค่าแรงดันอินพุต (Vi) ในการทดลองโครงงาน (18.27V)
Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 10 แสดงตัวแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงกระแสตรงสำหรับทดลอง
Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 11 ค่าแรงดันเอาต์พุต (Vo) ในการทดลองกำหนดไว้ที่ประมาณ 25V
Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 12 การทดลองให้วงจรจ่ายกระแสโหลด (Io) ที่ 1.23A

รูปที่ 9 ถึงรูปที่ 12 เป็นการทดลองการทำงานของโครงงาน โดยการจ่ายแรงดันอินพุตที่ประมาณ 18V และกำหนดค่าแรงดันเอาต์พุตที่ 25V จากนั้นนำตัวต้านทานโหลดที่ 20 โอห์มมาต่อให้กับวงจรและสังเกตการทำงานที่เกิดขึ้นด้วยการวัดสัญญาณและความร้อนที่สวิตชิ่งกำลัง (เพาเวอร์มอสเฟต) ไม่ผิดปกติใดๆ

Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 13 ลักษณะของสัญญาณอินเวอร์เตอร์และกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนท์
Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 14 ปรับซูม (Zoom in) เพื่อสังเกตลักษณะของสัญญาณที่เกิดขึ้นได้ง่ายขึ้น

รูปที่ 13 และรูปที่ 14 เป็นลักษณะของสัญญาณอินเวอร์เตอร์และกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนท์ ที่เกิดขึ้นในขณะจ่ายกระแสโหลด เพื่อสังเกตการทำงานในช่วงการสวิตชิ่งที่แรงดันเป็นศูนย์ (Zero Voltage Switching : ZVS)

Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 15 การวัดสัญญาณขับที่ขาเกตในการทดลอง
Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 16 แสดงลักษณะของสัญญาณอินเวอร์เตอร์และสัญญาณขับขาเกต

รูปที่ 15 และรูปที่ 16 เป็นการวัดสัญญาณความกว้างของพัลซ์วิดธ์มอดูลเลตชั่นที่กำหนดให้กับวงจรอินเวอร์เตอร์ (รูปที่ 15) ในรูปที่ 16 จะเป็นการวัดสัญญาณอินเวอร์เตอร์ (CH1) และสัญญาณขับขาเกต (CH2) เพื่อสังเกตช่วงเวลาการนำกระแสของเพาเวอร์มอสเฟตและสัญญาณอินเวอร์เตอร์ในช่วงเรโซแนนท์ที่เกิดขึ้น

Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 17 วงจรที่ออกแบบและใช้ในการทดลองโครงงาน
Soft Switching DC/DC Boost Converter Topology With Zero Voltage Switching (ZVS)
รูปที่ 18 แสดงการทดลดลองโครงงานทั้งหมด

สำหรับโครงงานนี้หลังจากทดลองการทำงานของวงจรเป็นที่น่าพอใจและได้ประสบการณ์เพิ่มขึ้น โดยสิ่งที่จะสังเกตได้ชัดเจนคือ ความร้อนที่เกิดกับสวิตชิ่งกำลัง (เพาเวอร์มอสเฟต Q1) น้อยลง เมื่อเทียบกับการสวิตชิ่งแบบทั่วไป (Hard switching) แต่จะต้องใช้เวลาในการเลือกค่าตัวเก็บประจุ (Cr2, Cr) และตัวเหนี่ยวนำ (Lr) เพิ่มขึ้น รวมถึงการปรับแต่งวงจรเพื่อให้วงจรทำงานในช่วงความถี่เรโซแนนท์ร่วมกับอุปกรณ์ได้ดีที่สุด และท้ายการทดลองนี้จะเป็นเว็บไซต์อ้างอิงสำหรับอ่านเพิ่มเติมครับ.

Reference

  1. https://www.researchgate.net/figure/Schematic-diagram-of-the-soft-switching-boost-converter_fig2_330369830
  2. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2021.550115/full
  3. https://www.semanticscholar.org/paper/Zero-Current-Switch-Quasi-Resonant-Boost-Converter-Firmansyah-Tomioka/4846ea3258611064088b4dc278bf6d3d96c43486
  4. https://www.researchgate.net/publication/332663468_Analysis_and_Design_of_a_ZVT_Resonant_Boost_Converter_Using_an_Auxiliary_Resonant_Circuit
  5. https://www.mdpi.com/2079-9292/8/4/466/htm
  6. https://www.researchgate.net/publication/313804950_Comparative_analysis_of_DC-DC_converter_topologies_for_fuel_cell_based_application