Mini Zero Current Switching (ZCS) DC-DC Resonant L-Type Buck Converter 20W

กับโครงงานที่ผ่านมาเป็นการนำเสนอวงจรดีซี ทู ดีซี เรโซแนนท์คอนเวอร์เตอร์แบบ Zero Voltage Switching : ZVS ไปแล้วนั้น สำหรับโครงงานนี้ก็จะเป็นวงจรดีซี ทู ดีซี บักคอนเวอร์เตอร์ ในลักษณะของเรโซแนนท์คอนเวอร์เตอร์เช่นกัน แต่จะเป็นแบบ Zero Current Switching : ZCS ชนิด L-Type กันต่อ โดยตัววงจรจะให้กำลังทางด้านเอาต์พุตที่ 20 วัตต์ต่อเนื่อง ทั้งนี้เพื่อเรียนรู้และศึกษาการทำงานของวงจรแบบนี้กันต่อครับ. (*** รูปโครงงานบางรูปอาจจะไม่ชัดครับ แอดมินต้องขออภัย มา ณ ที่นี้ด้วยนะครับ)

รูปที่ 1 แสดงลักษณะของการเตรียมทดลองโครงงาน ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าตัวบอร์ดต้นแบบของโครงงานนี้จะเป็นบอร์ดเดียวกับโครงงาน Simple DC-DC Zero Voltage Switching (ZVS) Buck Converter Topology แต่ปรับตำแหน่งการต่ออุปกรณ์ใหม่ให้เป็นแบบ ZCS Resonant L-Type เพื่อใช้ในการทดลองโครงงานนี้

รูปที่ 2 แสดงลักษณะตัวต้านทานใช้ในการทดลองขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ 2 ตัว ซึ่งจะต่อกันแบบอนุกรม และในการทดลองจะปรับเปลี่ยนการต่อให้เป็น 10 โอห์มและ 5 โอห์มตามลำดับ เพื่อสังเกตการตอบสนองสำหรับการจ่ายกระแสให้กับโหลดที่ค่าต่างๆ

รูปที่ 3 แสดงอุปกรณ์สำหรับวัดสัญญาณกระแสตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนท์ (Lr) จะใช้ Closed Loop Current Sensor ที่สามารถสร้างขึ้นมาใช้งานเองได้ในราคาไม่แพงมากนักเมื่อเทียบกับการซื้อโพรบวัดกระแส (Current Probe for Oscilloscope) ที่มีจำหน่ายทั่วไป

รูปที่ 7 แสดงการทดลองที่ 2 เมื่อให้วงจรจ่ายกระแสโหลดเพิ่มขึ้นที่ประมาณ 1A เพื่อสังเกตการทำงานและผลเกิดขึ้นต่างๆ จากความถี่เรโซแนนท์ของวงจรเมื่อเทียบกับการทดลองที่ 1

จากการทดลองที่ 3 รูปที่ 8 ถึงรูปที่ 11 เป็นค่าแรงดันเอาต์พุตเมื่อวงจรจ่ายกระแสโหลดต่างๆ ซึ่งจะมีการเปลี่ยนแปลงบ้าง ทั้งนี้เนื่องจากวงจรที่ทดลองจะเป็นการควบคุมแบบระบบเปิดอยู่ (Open Loop Control) และเน้นในเรื่องของการสังเกตพฤติกรรมของสัญญาณเรโซแนนท์ที่เกิดกับตัวสวิตชิ่งกำลัง (เพาเวอร์มอสเฟต) เป็นหลักของการทดลองเบื้องต้นนี้

รูปที่ 6 รูปที่ 9 และรูปที่ 12 จะสังเกตเห็นว่าลักษณะสัญญาณขับขาเกตและสัญญาณกระแสตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนท์ (ILr) จะอยู่ในช่วงเวลาเดียวกันหรือไม่เหลื่อมช่วงเวลามากนัก ซึ่งเป็นลักษณะของวงจรเรโซแนนท์คอนเวอร์เตอร์

รูปที่ 13 การวัดค่าแรงดันตกคร่อมตัวเก็บประจุเรโซแนนท์ (VCr) และสัญญาณรูประฆังคว่ำ โดยสัญญาณสีเหลี่ยม (CH1) จะเป็นสัญญาณขับที่ขาเกตของตัวเพาเวอร์มอสเฟตและสัญญาณรูประฆังคว้ำที่ช่องสัญญาณ 2 (CH2)

รูปที่ 13 ถึงรูปที่ 15 แสดงลักษณะของแรงดันตกคร่อมตัวเก็บประจุเรโซแนนท์ (VCr) เมื่อวงจรจ่ายกระแสโหลดค่าต่างๆ ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าระดับของขนาดแอมปริจูด (Vp-p) จะเปลี่ยนแปลงน้อยมาก แต่จะมีความแตกต่างที่ตำแหน่งสัญญาณด้านขาลงในแต่และการจ่ายกระแสโหลดที่พอจะสังเกตเห็นได้

รูปที่ 16 แสดงการต่อวงจรสำหรับทดลองวงจรด้วยโปรแกรมซิมมูเลชั่นที่เว็บไซต์ www.easyeda.com โดยวงจรในรูปจะเป็นลักษณะเดียวกับวงจรที่ใช้ในการทดลองโครงงาน ทั้งนี้เพื่อสังเกตลักษณะผลที่ได้เมื่อเทียบกับการทดลองที่ผ่านมา

รูปที่ 17 แสดงลักษณะของสัญญาณที่ได้จากการทดลองเบื้องต้น แต่จะยังสังเกตผลได้ยากซึ่งจะต้องปรับการแสดงผลใหม่ (Zoom in) ให้เห็นรายละเอียดเพิ่มโดยการปรับการแสดงผลสัญญาณจะแสดงในรูปที่ 18 ข้างล่าง

รูปที่ 18 แสดงลักษณะของสัญญาณที่ได้จากการซิมูเลชั่นของวงจรที่ใช้ในการทดลองโครงงาน โดยจะเห็นรูปสัญญาณ 3 สัญญาณคือ สัญญาณสีเหลืองจะเป็นสัญญาณพัลซ์ที่ได้จากขาซอร์ส (S) ประมาณ 20Vp-p เท่ากับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงวงจรต่อมาสัญญาณสีชมพู เป็นสัญญาณกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ Lr (L1) และสัญญาณสีเขียวเป็นสัญญาณแรงดันที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุ VCr (C1)

รูปที่ 19 และรูปที่ 20 เป็นลักษณะของบอร์ดต้นแบบ ZCS Resonant L-Type ซึ่งใช้ร่วมกับบอร์ดต้นแบบโครงงาน Simple DC-DC Zero Voltage Switching (ZVS) Buck Converter Topology แต่ทำการเชื่อมต่อตำแหน่งตัวอุปกรณ์ใหม่ให้สามารถทำงานแบบ ZCS Resonant L-Type สำหรับทดลองโครงงานได้

รูปที่ 21 แสดงลักษณะของการทดลองโครงงานทั้งหมด โดยในการทดลองนี้จะเป็นการประมาณค่าให้ใกล้เคียงกับทฤษฏีและการคำนวณของวงจรทั้งหมด ซึ่งโดยปกติเราจะต้องคำนวณค่าเวลา t1-t5 โดยพิจารณาเป็น 5 โหมดการทำงานของวงจร และจะทำให้เราทราบถึงความถี่ในการสวิตชิ่ง (Fs) และการกำหนดค่าดิวดี้ไซเกิล (Duty cycle) ของการสร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่นสำหรับเลือกตัวเหนี่วยนำ (Lr) และตัวเก็บประจุ (Cr) ของวงจรเรโซแนนท์ที่เราออกแบบ

สำหรับโครงงานนี้เป็นโครงงานขนาดเล็กอีก 1 ตัวที่เน้นทำความเข้าใจลักษณะการทำงานของวงจรแบบเรโซแนนท์คอนเวอร์เตอร์ โดยจะใช้ค่าประมาณค่าบางส่วนแล้วทำการปรับแต่งความถี่สวิตชิ่ง (Tuning frequency) เพื่อให้กำลังไฟฟ้าทางด้านเอาต์พุตที่ดีที่สุดและรูปสัญญาณใกล้เคียงกับหลักการทำงานของวงจรนี้ สำหรับในส่วนท้ายขอแนะนำลิ้งก์อ้างอิงข้างล่างเพื่อใช้ในการคำนวณค่าต่างๆ สำหรับการออกแบบวงจรใหม่ ซึ่งจะมีในส่วนของทฤษฏีและหลักการทำงานของแต่และโหมด, ตัวอย่างการออกแบบวงจรจริงและการคำนวณหาค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ให้เราเรียนรู้เพิ่มเติมกันต่อครับ.

Reference

1. https://mycourses.aalto.fi/pluginfile.php/910699/mod_folder/content/0/Chapter%209%20resonant.pdf?forcedownload=1
2. https://www.ti.com/lit/an/slua074/slua074.pdf?ts=1632829173315&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
3. https://www.sharmags.in/2017/03/m-type-zcs-resonant-converter-power.html
4. https://www.st.com/resource/en/application_note/dm00207043-half-bridge-resonant-llc-converters-and-primary-side-mosfet-selection-stmicroelectronics.pdf
5. https://favreadblogs.blogspot.com/2016/11/zcs-resonant-converters-l-and-m-type.html
6. https://www.netio-products.com/en/glossary/zcs-zero-current-switching#
7. https://scialert.net/fulltextmobile/?doi=itj.2014.2318.2325
8. https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Ftoshiba.semicon-storage.com%2Finfo%2Fdocget.jsp%3Fdid%3D68571&psig=AOvVaw1rH0_9YXLH-dvVcPdlKFVZ&ust=1633100341004000&source=images&cd=vfe&ved=0CAsQjRxqFwoTCLimlo37pvMCFQAAAAAdAAAAABAR
9. https://1library.net/document/zggj717z-design-zero-current-switching-dc-dc-buck-converter.html
10. https://www.hindawi.com/journals/mpe/2011/481208/
11. https://d-nb.info/1081104619/34
12. https://www.mdpi.com/2079-9292/6/2/35/htm
13. https://slideplayer.com/slide/12676497/
14. http://www.seekic.com/circuit_diagram/Power_Supply_Circuit/Switching-Regulator_Circuit/ZCS_switching_power_supply_circuit_of_NE555.html
15. https://www.researchgate.net/publication/271199598_Design_and_Analysis_of_Zero_Current_Switching_Based_DC_to_DC_Buck_Converter
16. https://www.researchgate.net/figure/ZCS-Buck-Converter_tbl1_235913084
17. https://www.youtube.com/watch?v=eE10I3A3r1M
18. http://ethesis.nitrkl.ac.in/1656/1/Design_and_Implementation_of_ZCS_BUCK_CONVERTER.pdf
19. https://www.youtube.com/watch?v=eE10I3A3r1M&t=686s
20. https://www.ijert.org/research/design-and-hardware-implementation-of-l-type-resonant-step-down-dc-dc-converter-using-zero-current-switching-technique-IJERTV5IS050623.pdf