Mini Half-Bridge Converter Topology by using L6599D Resonant Mode Controller

โครงงานนี้เป็นการพัฒนาต่อจากการแนะนำไอซีควบคุมการทำงานสวิตชิ่งแบบเรโซแนนท์โหมด (Resonant Mode Controller) ด้วยการนำไอซีมาประยุกต์ใช้กับวงจรสวิตชิ่งฮาฟบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ (Half-Bridge Converter : HB) และสังเกตการทำงานของวงจร โดยโครงงานนี้จะใช้ไอซีควบคุมเบอร์ L6599D ซึ่งเป็นไอซีอีกหนึ่งเบอร์ที่นิยมใช้งานในแหล่งจ่ายสวิตชิ่งโหมดเรโซแนนท์คอนเวอร์เตอร์ และลักษณะการทำงานจะคล้ายกับเบอร์ MC33067P ที่เคยนำเสนอบ้างแล้วครับ

รูปที่ 1 และรูปที่ 2 แสดงการเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับประกอบโครงงาน การวางเลเอาต์ให้กับอุปกรณ์ที่นำมาใช้ร่วมกันบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) และการวาดแนวสำหรับเซาะร่องให้เป็นวงจรตามที่ออกแบบ

รูปที่ 3 แสดงการประกอบอุปกรณ์บางส่วนบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งในส่วนของเพาเวอร์มอสเฟตทั้ง 2 ตัวไม่ต้องใช้ฮีตซิ้งและสามารถบัดกรีแผ่นวงจรพิมพ์ได้เลย จากนั้นต่อสายไฟเพื่อรับไฟเลี้ยงอินพุตและสายไฟเอาต์พุตสำหรับจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับโหลด

สำหรับรูปที่ 4 และรูปที่ 5 แสดงตัวหม้อแปลงสวิตชิ่งที่นำมาใช้ในโครงงานแบบ EE-35 และใช้ลวดทองแดงเบอร์ 21SWG พันขดลวดปฐมภูม (Primary winding) จำนวน 16 รอบและขดลวดทุติยภูมิ (Secondary winding) จำนวน 6 รอบแบบคู่ โดยระหว่างขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิจะพันเทปคั่นประมาณ 3-4 รอบ จากนั้นพันเทปรอบแกนหม้อแปลงโดยไม่ต้องเว้นช่องอากาศ (Air gap) ประมาณ 4-5 รอบก็ใช้ได้

ในรูปที่ 6 เป็นการเชื่อมกันระหว่างบอร์ดควบคุมและบอร์ดขับกำลังโดยใช้สายไฟขนาดเล็ก ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นสายสัญญาณต่างๆ เช่น สัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นสำหรับเพาเวอร์มอสเฟตและสัญญาณป้อนกลับสำหรับควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ เป็นต้น

รูปที่ 7 ถึงรูปที่ 11 เป็นการเตรียมเครื่องมือและอุปกรณ์ต่างในการทดลอง รวมทั้งการกำหนดค่าแรงดันอินพุตและเอาต์พุตของการทดลอง การวัดค่ากระแสเอาต์พุต รวมถึงโหลดตัวต้านทานสำหรับการทดสอบการทำงาน

รูปที่ 12 เป็นการวัดสัญญาณในขณะวงจรสแตนบาย โดยสัญญาณวัดที่ขาขับเกต (CH1) ซึ่งจะวัดที่ตำแหน่ง Low side ของเพาเวอร์มอสเฟต จากการสังเกตจะเห็นว่าสัญญาณพัลซ์จะไม่ต่อเนื่อง ทั้งนี้เกิดขึ้นจากแรงดันที่เอาต์พุตอยู่ในระดับค่าที่กำหนด

ในรูปที่ 13 ถึงรูปที่ 15 เป็นการทดลองที่ 1 โดยจะให้วงจรจ่ายกระแสโหลดที่ 1.88A แรงดันเอาต์พุต 19.12V หรือประมาณ 35 วัตต์ (ต่อเนื่อง) โดยค่าแรงดันเอาต์พุตลดลง 0.18V และความถี่สวิตชิ่งจะคงที่ที่ 69.60kHz

รูปที่ 16 ถึงรูปที่ 18 เป็นการทดลองที่ 2 จะมีลักษณะเดียวกับการทดลองที่ 1 โดยจะเพิ่มกระแสโหลดที่ 3.84A แรงดันเอาต์พุต 19.0V หรือประมาณ 72 วัตต์ (ต่อเนื่อง) โดยค่าแรงดันเอาต์พุตลดลง 0.3V และสังเกตความถี่สวิตชิ่งลดลงมาที่ 54.13kHz

รูปที่ 19 และรูปที่ 20 แสดงตัวบอร์ดต้นแบบของโครงงานที่สร้างขึ้นแบบง่าย โดยจะแสดงให้เห็นในมุมภาพต่างๆ ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าในบอร์ดจะใช้ฮีตซิ้ง 1 ชิ้น สำหรับไดโอดเร็กติไฟเออร์เอาต์พุต

สำหรับการทดลองโครงงานนี้สังเกตได้ว่า การทำงานของไอซีตัวนี้ให้ประสิทธิการภาพการทำงานของวงจรสวิตชิ่งแบบฮาฟบริดจ์ คอนเวอร์เตอร์ที่ดีอีกหนึ่งตัว และสามารถหาข้อมูลเกี่ยวกับการนำไอซีเบอร์นี้ไปใช้งานในรูปแบบต่างๆ ได้ในเว็บไซต์ต่างๆ ซึ่งจะช่วยให้เราพัฒนาวงจรใหม่ๆ ให้สามารถทำงานเป็นไปตามที่ต้องการ ในส่วนท้ายนี้จะเป็นลิ้งก์เว็บไซต์ของตัวไอซี ซึ่งจะช่วยเป็นข้อมูลเบื้องต้นสำหรับศึกษาครับ.

Reference

1. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/mc34067-d.pdf
2. https://www.mouser.com/ProductDetail/onsemi/MC33067P?qs=g2rIOKKlpoawYiuJBawG1w%3D%3D
3. https://www.ti.com/lit/an/slua159/slua159.pdf
4. https://www.researchgate.net/publication/4002272_New_zero-voltage-switching_half-bridge_DC-DC_converter_and_PWM_control_method
5. https://www.researchgate.net/publication/2977147_Design_considerations_of_IGBT’s_in_resonant_converter_applications