Experimental DC-DC Boost Converter using Flying Capacitor Topology 

โครงงานนี้เป็นวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์อีกแบบรูปแบบหนึ่ง ด้วยโครงสร้างการทำงานแบบ Flying Capacitor Topology ที่มีความแตกต่างจากวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ทั่วไปบ้างเล็กน้อย และมีอุปกรณ์ทำงานหลักเพิ่มเติมสำหรับเป็นวิธีการทำให้แรงดันเอาต์พุตสูงขึ้น ในส่วนของการทดลองโครงงานนี้จะเป็นการทดลองด้วยการควบคุมแบบเปิด (Open-loop control system) และใช้บอร์ดควบคุม Arduino UNO สร้างสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่น สำหรับเรียนรู้และศึกษาการทำงานวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์แบบนี้กันครับ

ในรูปที่ 1 ถึงรูปที่ 3 เป็นการประกอบบอร์ดต้นแบบคอนเวอร์เตอร์แบบ Flying Capacitor Topology ในส่วนชุดขับกำลังเอาต์พุต ซึ่งโครงงานนี้จะเป็นบอร์ดขนาดเล็กประมาณ 30 วัตต์ และรับไฟเลี้ยงอินพุตที่ประมาณ 13.8V 

รูปที่ 5 และรูปที่ 6 เป็นวงจรในส่วนของการขับขาเกตให้กับเพาเวอร์มอสเฟต ซึ่งจะใช้ออปโต้คัปเปิ้ลเบอร์ TLP250 รับสัญญาณควบคุมจากบอร์ด Arduino UNO เพื่อขับเพาเวอร์มอสเฟต โดยในส่วนของไฟเลี้ยงให้กับออปโต้คัปเปิ้ลทั้ง 2 ตัวจะแยกอิสระกัน 2 ชุดเช่นกัน

สำหรับในรูปที่ 6 และรูปที่ 7 เป็นลักษณะของบอร์ดต้นแบบที่เชื่อมต่อกับบอร์ดควบคุม Arduino UNO เพื่อทดลอง ซึ่งในรูปทั้ง 2 จะเป็นการทดลองครั้งที่ 1 และครั้งที่ 2 เพื่อปรับการทำงานของวงจรให้ดีขึ้น

/*
   Pseudo Code for Arduino UNO
   Application for DC-DC Boost Converter Flying Capacitor Topology.
    
     Vi : 13.8VDC
     Vo : 25VDC        
     Po : 30W 
     Fsw : 31.37kHz    
    
   Dev by : www.electronicsDNA.com
   Date : 10/8/2023 (V.0)
*/

int Output_PWM = 0;   

void setup()
{
pinMode (3, OUTPUT);   //  PWM Signal Lo Side
pinMode (11, OUTPUT);  //  PWM Signal Hi Side

Serial.begin(9600);

TCCR2A=0b10110001;   // Generate inverted PWM signals 
TCCR2B=0b00000001;   // Set Fsw = 31.37kHz

OCR2A = Output_PWM;        // PIN D11 
OCR2B = 255-Output_PWM;    // PIN D3    
}
void loop()
{  
          Output_PWM= 40;    // PWM @ 15%
      //    Output_PWM= 80;   // PWM @ 30%
      //    Output_PWM= 120;   // PWM @ 45%

          OCR2A = Output_PWM;        // PIN D11 
          OCR2B = 255-Output_PWM;    // PIN D3   
          delay(10);              
       } 
        

โปรแกรม Arduino ที่ใช้ในการทดลองโครงงานข้างบน จะเป็นลักษณะของการสร้างสัญญาณอินเวอร์เตอร์ 2 ช่องที่ขา D3 และขา D11 โดยในการทดลองจะเป็นการควบคุมแบบระบบเปิด และกำหนดการสร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นที่คำสั่ง Output_PWM= 40; // PWM @ 15% ซึ่งในการทดลองจะเลือกใช้งานทีละคำสั่งตามลำดับ

โหมดการทำงานที่ 1 ในสถานะเพาเวอร์มอสเฟต Q2 นำกระแส (Q2=ON) ในช่วงเวลานี้จะทำให้กระแสจากแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตไหลผ่าน L1, D1 และ C2 (ตามลูกศรสีแดง) ซึ่งจะเป็นผลให้ตัวเหนี่ยวนำ L1 ได้รับไบอัส รวมทั้งตัวเก็บประจุ C2 จะเก็บประจุไฟฟ้าไว้ประมาณ 13.8V โดยทางด้านขวามือของตัวเก็บประจุจะมีค่าแรงดันเป็นบวกเมื่อเทียบกับค่าแรงดันทางด้านซ้ายมือ

โหมดการทำงานที่ 2 ในสถานะเพาเวอร์มอสเฟต Q1 และ Q2 หยุดนำกระแส (Q1, Q2=OFF) ในช่วงเวลานี้จะทำให้ตัวเหนี่ยวนำ L1 เกิดกำลังไฟฟ้าในรูปแรงดันย้อนกลับและจะไปรวมกับแหล่งจ่ายทางด้านอินพุต ไหลผ่าน D1 และ D2 เพื่อจ่ายกระแสไปยังโหลดทางด้านเอาต์พุต (ตามลูกศรสีน้ำเงิน)

โหมดการทำงานที่ 3 เมื่อผ่านช่วงจ่ายกำลังไฟฟ้าแรงดันย้อนกลับจากตัวเหนี่ยวนำ L1 แล้ว ก็จะกำหนดให้เพาเวอร์มอสเฟต Q1 นำกระแส (Q1=ON) โดยในช่วงเวลานี้ตัวเก็บประจุ C2 จะทำหน้าที่จ่ายกระแสอีกครั้ง โดยกระแสจะไปรวมกับแหล่งจ่ายทางด้านอินพุต (ตามลูกศรสีส้ม) สำหรับจ่ายกำลังไฟฟ้าไปยังโหลดทางด้านเอาต์พุตอีกส่วนหนึ่ง

ในรูปที่ 12 และรูปที่ 13 เป็นแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงกระแสตรงสำหรับอินพุตที่ 13.8V และตัวต้านทานโหลดขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ สำหรับทดสอบค่า Load regulation: LR ของบูทคอนเวอร์เตอร์ 

ในรูปที่ 14 ถึงรูปที่ 17 เป็นการทดลองที่ 1 ด้วยการกำหนดสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลชั่นที่ 15% จากนั้นวัดค่าแรงดันที่เอาต์พุตขณะยังไม่ต่อโหลดซึ่งค่าแรงดันที่ได้เท่ากับ 26.9V จากนั้นนำโหลดขนาด 10 โอห์มมาต่อและวัดค่ากระแสและแรงดันเอาต์พุตอีกครั้ง

สำหรับในรูปที่ 18 ถึงรูปที่ 20 การทดลองที่ 2 ด้วยการปรับสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลชั่นที่ 30% และต่อโหลดขนาด 10 โอห์ม จากนั้นยังคงวัดค่ากระแสและแรงดันเอาต์พุต จะสังเกตเห็นว่าวงจรสามารถจ่ายกระแสและแรงดันเอาต์พุตเพิ่มขึ้น

รูปที่ 21 ถึงรูปที่ 23 การทดลองที่ 3 การปรับสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลชั่นเพิ่มขึ้นที่ 45% และต่อโหลดขนาด 10 โอห์ม วัดค่ากระแสและแรงดันเอาต์พุต จะสังเกตเห็นว่าการจ่ายกระแสและแรงดันเอาต์พุตเพิ่มขึ้นตามลำดับ

สำหรับในการทดลองโครงงานนี้ เป็นลักษณะของวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ที่น่าสนใจอีกแบบหนึ่ง ซึ่งช่วยให้การทำงานของวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเทียบกับวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์พื้นฐานทั่วไป แต่การนำไปประยุกต์ใช้งานต่างๆ นั้น อาจจะต้องพิจารณาในเรื่องของต้นทุนการออกแบบ ผลที่ได้รับจากการใช้วงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ในรูปแบบนี้ รวมทั้งการใช้อุปกรณ์บางส่วนเพิ่มขึ้น.

Reference

1. http://www.power-mag.com/pdf/feature_pdf/1605888594_Vincotech_feature.pdf
2. https://www.semanticscholar.org/paper/Size-reduction-of-DC-DC-converter-using-flying-with-Ponniran-Matsuura/ca194b46d54dbbdb78e312c78becdd9239f8ead5
3. https://www.vincotech.com/fileadmin/user_upload/content_media/documents/pdf/support-documents/technical-papers/Vincotech_TP_Solar_The_Advantages_and_Operation_of_Flying_Capacitor_Inverter_2020.pdf
4. https://www.semanticscholar.org/paper/Analysis-of-Flying-Capacitor-Boost-Converter-Nishanta-Lavanya/2737c6e11be49982131dce753a74a7b93764e69f
5. https://passive-components.eu/flying-capacitors-explained/
6. https://www.semanticscholar.org/paper/Minimization-of-passive-components-in-multi-level-Ponniran-Orikawa/8dede8bbbde3b9374f72f112507becc2b8b354c7
7. [https://www.youtube.com/watch?v=pwzKAAhyTtU