Prototype MC33067P Switching Mode Resonant Controller by Half-Bridge Converter Topology [LEP]

สำหรับโครงงานต้นแบบวงจรสวิตชิ่งโหมด ฮาร์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์นี้ (Half-Bridge Converter Resonant Mode) เป็นโครงงานต่อเนื่องจากตอนที่ 1 โดยการนำบอร์ดไอซี MC33067P มาควบคุมการทำงานในส่วนขับกำลัง ด้วยการทำงานในลักษณะเรโซแนนท์คอนเวอร์เตอร์ เพื่อเป็นการศึกษาและเรียนรู้การทำงานของไอซี ซึ่งมีจุดเด่นในเรื่องของการปรับความถี่สวิตชิ่งได้ และตัวโครงงานจะเป็นบอร์ดขนาดเล็กที่ประกอบบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อเนกประสงค์ครับ

ในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 จะเป็นการเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับประกอบส่วนของบอร์ดคอนเวอร์เตอร์และก่อนประกอบจริงจะทดลองวางตำแหน่งอุปกรณ์ต่างๆ บนแผ่นวงจรพิมพ์คร่าวๆ เพื่อให้เป็นระเบียบและตรวจสอบวงจรได้ง่าย

รูปที่ 3 เริ่มต้นประกอบอุปกรณ์ต่างๆ บนบอร์ด เช่น เพาเวอร์มอสเฟตสำหรับวงจรอินเวอร์เตอร์ ตัวตรวจจับกระแสด้วยหม้อแปลงขนาดเล็ก (Current Transformer : CT) สุดท้ายในส่วนของไดโอดและวงจรฟิลเตอร์ทางด้านเอาต์พุต

รูปที่ 4 และรูป 5 เป็นลักษณะของแกนหม้อแปลงสวิตชิ่งที่นำมาใช้งานแบบ EI-35 และใช้ลวดทองแดงเบอร์ 21SWG และพันขดลวดปฐมภูม (Primary winding) ที่ 15 รอบและขดลวดทุติยภูมิ (Secondary winding) 5 รอบแบบคู่ โดยระหว่างขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิจะพันเทปคั่นประมาณ 3-4 รอบ จากนั้นพันเทปรอบแกนหม้อแปลงโดยไม่ต้องเว้นช่องอากาศ (Air gap) อีกประมาณ 4-5 รอบก็ใช้ได้

ในรูปที่ 7 แสดงการเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดควบคุมและบอร์ดขับกำลังเข้าด้วยกัน โดยตัวบอร์ดควบคุมจะส่งสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่น (PWM Signal) มายังบอร์ดขับกำลัง และรับสัญญาณป้อนกลับ (Feedback signal) แรงดันเอาต์พุตและกระแสที่ไหลในวงจรเรโซแนนท์จากบอร์ดขับกำลังมาประมวลผล เพื่อตอบสนองการทำงานให้เป็นไปตามที่กำหนด

ในรูปที่ 8 เป็นการทดลองการทำงานของวงจรเบื้องต้น ด้วยการวัดสัญญาณขับเพาเวอร์มอสเฟตทั้ง 2 ดัว (High and Low Side Drive) ให้กับวงจรอินเวอร์เตอร์ที่ถูกต้อง และในรูปที่ 9 การใช้โพรบวัดสัญญาณกระแสที่เกิดขึ้นของตำแหน่ง Tank resonant circuit เพื่อสังเกตลักษณะของสัญญาณที่เกิดขึ้น ซึ่งจะสัมพันธ์กับสัญญาณขับเพาเวอร์มอสเฟตของส่วนอินเวอร์เตอร์

รูปที่ 10 ถึงรูปที่ 12 แสดงค่าแรงดันอินพุตและเอาต์พุตที่ใช้ในการทดลอง สำหรับกระแสที่วัดได้ (รูปที่ 12) จะเกิดขึ้นจากต่อโหลดทางด้านเอาต์พุตด้วยค่าความต้านทานขนาด 10 โอห์ม 2 ตัวแบบขนานกัน

ในรูปที่ 13 และรูปที่ 14 แสดงลักษณะของสัญญาณที่วัดได้ของวงจรคอนเวอร์เตอร์ โดยในรูปสัญญาณที่ช่อง 1(CH1) จะวัดสัญญาณที่ตำแหน่งเอาต์พุต GND (A) ของอินเวอร์เตอร์เทียบกราวด์ GND(Hot) ใกล้กับ Q3 และ Q4 ในรูปที่ 18 ส่วนช่องวัดสัญญาณที่ 2 (CH2) จะเป็นการวัดสัญญาณกระแสที่ขดลวดปฐมภูมิใกล้กับ CT (ZT031-10A)

รูปที่ 15 แสดงตัวต้านทานค่าคงที่ขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ 2 ตัว นำมาต่อขนานกัน สำหรับสังเกตการตอบสนองการทำงานของวงจรควบคุมและการทำงนโดยรวมทั้งหมด

สำหรับรูปที่ 16 และรูปที่ 17 แสดงลักษณะของบอร์ดต้นแบบและการทดลองโครงงาน ซึ่งจะแสดงให้เห็นตำแหน่งของการวัดสัญญาณต่างๆ ของบนบอร์ดการทดลอง

สำหรับการทดลองโครงงานวงจรสวิตชิ่งโหมด ฮาร์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ โดยใช้ไอซี MC33067P ควบคุมการทำงานแบบเรโซแนนท์ เป็นการทดลองอีกแบบหนึ่งของแอดมินเอง ทั้งนี้เพื่อต้องการศึกษาการทำงานและทดลองนำไอซีมาใช้งานในวงจรคอนเวอร์เตอร์ โดยสรุปแล้วการทำงานของคอนเวอร์เตอร์เมื่อใช้ตัวไอซีตัวนี้ในการควบคุม ให้ประสิทธิภาพการทำงานที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับไอซีควบคุมทั่วไป โดยสังเกตได้จากการตอบสนองความถี่สวิตชิ่งที่ค่าต่างๆ เมื่อต่อโหลดให้กับวงจรทางด้านเอาต์พุตที่ไม่เท่ากันครับ.

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
6. https://toshiba.semicon-storage.com/info/docget.jsp?did=68571