Simple DC-DC Zero Voltage Switching (ZVS) Buck Converter Topology

ในโครงงานนี้เป็นการทดลองออกแบบวงจรสวิตชิ่งวงจรบัก คอนเวอร์เตอร์อีกรูปแบบหนึ่ง ด้วยการใช้เทคนิคของการเรโซแนนท์ ซึ่งบางครั้งเรียกว่า Soft switching converter หรือ Resonant converter ให้กับคอนเวอร์เตอร์ โดยคอนเวอร์เตอร์ที่ใช้การสวิตชิ่งลักษณะนี้จะให้ประสิทธิภาพของการทำงานได้สูงขึ้น เมื่อเทียบกับการสวิตชิ่งแบบทั่วไปหรือเรียกว่า Hard switching ซึ่งในโครงงานนี้เป็นโครงงานขนาดเล็กโดยใช้การสวิตชิ่งแบบ Zero Voltage Switching : ZVS และจ่ายกำลังทางด้านเอาต์พุตประมาณ 20 วัตต์ (ต่อเนื่อง) โดยใช้ฟังชั่นเจอเนอร์เรเตอร์ในการสร้างสัญญาณพัลซ์ให้กับส่วนของการขับกำลังสวิตชิ่งและใช้การควบคุมแบบเปิด (Open Loop Control) เพื่อเรียนรู้และทำความเข้าใจลักษณะการทำงานในเบื้องต้นครับ.

รูปที่ 1 แสดงการเตรียมการทดลองโครงงานด้วยเครื่องมือและอุปกรณ์พื้นฐาน ซึ่งในโครงงานนี้จะมีส่วนของโพรบการวัดสัญญาณกระแสและฟังก์ชั่นเจนเนอร์เรเตอร์เพิ่มเติมโดยทั้ง 2 ส่วนจะเป็นการสร้างขึ้นมาเอง (DIY) สำหรับการทดลอง

รูปที่ 2 แสดงตัวต้านทานขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ 2 ตัวที่ต่อกันแบบอนุกรม โดยในการทดลองเราจะปรับการต่อตัวต้านทานให้ได้ค่า 5 โอห์ม 10 โอห์ม และ 20 โอห์ม เพื่อสังเกตการทำงานและเปลี่ยนแปลงของการตอบสนองการทำงานที่กระแสโหลดต่างๆ

รูปที่ 3 แสดงอุปกรณ์ในการตรวจจับกระแส (กรอบสีเหลือง) ที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนท์ (Lr) โดยการใช้ Closed Loop Current Sensor เบอร์ CSNT651 ของบริษัท Honeywell ที่ประกอบขึ้นใช้เอง ทั้งนี้ตัวเซนเซอร์กระแสสามารถวัดค่าสัญญาณกระแสที่เกิดขึ้นภายในวงจรได้เป็นอย่างดี

รูปที่ 5 มัลติมิเตอร์แสดงค่าแรงดันอินพุตสำหรับทดลองโครงงาน 21.10V โดยจะปรับค่าแรงดันนี้ในการทดลองการทำงานทั้งหมด

รูปที่ 6 แสดงการทดลองที่ 1 เมื่อให้วงจรจ่ายกระแสกับโหลดที่ 0.55A โดยสัญญาณพัลซ์ของการขับขาเกตจะกำหนดค่าดิวตี้ไซเกิลที่ประมาณ 50% ความถี่สวิตชิ่งที่ 57.5kHz (Set Duty cycle = 50% and Fs = 57.5kHz)

รูปที่ 7 แรงดันเอาต์พุตที่วัดได้เมื่อวงจรจ่ายกระแสให้โหลดที่ 0.55A ต่อเนื่อง สำหรับการทดลองที่ 1

รูปที่ 8 แสดงลักษณะของสัญญาณขับเกต (CH1) และสัญญาณกระแส ILr (CH2) เมื่อกระแสโหลด = 0.55A ในการทดลองครั้งที่ 1

รูปที่ 9 เป็นการทดลองให้วงจรจ่ายกระแสโหลดเพิ่มขึ้นที่ 1.04A ในการทดลองครั้งที่ 2

รูปที่ 10 แสดงค่าแรงดันเอาต์พุตที่ได้จากการทดลองที่ 2 เท่ากับ 10.80V ลดลงเล็กน้อย เมื่อเปรียบเทียบจากการทดลองครั้งที่ 1

รูปที่ 11 จะสังเกตเห็นว่าสัญญาณของการวัดค่ากระแส ILr (CH2) เมื่อกระแสโหลด = 1.04A จะมีขนาดเพิ่มขึ้นและค่อนข้างคล้ายกับทฤษฏีของการทำงานคอนคอนเวอร์เตอร์แบบนี้

รูปที่ 12 ทดลองให้วงจรจ่ายกระแสกับโหลดเพิ่มขึ้นที่ 1.93A สำหรับการทดลองครั้งที่ 3

รูปที่ 13 แสดงค่าแรงดันเอาต์พุตที่ได้จากการทดลองที่ 3 เท่ากับ 9.90V หรือลดลง 1.34V เมื่อเปรียบเทียบจากการทดลองครั้งที่ 1

รูปที่ 14 แสดงสัญญาณการวัดค่ากระแส ILr (CH2) เมื่อกระแสโหลด = 1.93A จะมีขนาดเพิ่มขึ้น และคล้ายกับทฤษฏีของการทำงานคอนคอนเวอร์เตอร์ลักษณะนี้และเห็นได้ชัดเจนขึ้น

รูปที่ 15 แสดงการทดลองวัดสัญญาณที่ตำแหน่ง VCr ซึ่งลักษณะสัญญาณขับเกต (CH1) และสัญญาณแรงดันที่ VCr (CH2X10) เมื่อกระแสโหลดที่ IL = 0.55A

รูปที่ 16 แสดงการทดลองวัดสัญญาณที่ตำแหน่ง VCr (CH2X10) เมื่อกระแสโหลดที่ IL = 1.04A ซึงขนาดของแอมปริจูดกระแสเพิ่มขึ้น

รูปที่ 17 แสดงการทดลองวัดสัญญาณที่ตำแหน่ง VCr (CH2X10) เมื่อกระแสโหลดที่ IL = 1.93A ขนาดของแอมปริจูดกระแสเพิ่มขึ้น โดยในการทดลองตามรูปที่ 15, 16 และ 17 นี้จะแสดให้เห็นแรงดันตกตร่อมตัวเก็บประจุ Cr จะไม่ซ้อนทับกับช่วงเวลาของการนำกระแสสำหรับตัวสวิตชิ่งกำลัง ซึ่งจะสังเกตจากสัญญาณขับขาเกตที่ช่องวัดสัญญาณที่ 1 (CH1)

รูปที่ 18 รูปสัญญาณของการทดลองปรับความถี่สวิตชิ่งประมาณ Fs = 74.5kHz แล้ววัดค่าแรงดันตกคร่อม Cr ซึ่งจะสังเกตเห็นว่ารูปสัญญาณของการวัดค่าแรงดันจะเริ่มคล้ายทฤษฏีการทำงานของการสวิตชิ่งแบบ Zero Voltage Switching : ZVS มากขึ้น

รูปที่ 19 ถึงรูปที่ 24 เป็นการทดลองเพิ่มเติมเพื่อให้เห็นลักษณะของสัญญาณขับเกต (CH1) และแรงดันตกคร่อม VCr (CH2) รวมทั้งค่าแรงดันและกระแสที่เอาต์พุต เมื่อปรับความถี่สวิตชิ่ง (Fs) ให้มากว่าและน้อยกว่าปกติของความถี่เรโซแนนท์ (Fr) เพื่อสังเกตการตอบสนองการทำงานภายในวงจรจะเป็นอย่างไร โดยในรูปที่ 19 จะทดลองปรับความถี่สวิตชิ่งไปที่ 89.7kHz

รูปที่ 20 แสดงค่าแรงดันเอาต์พุตเมื่อปรับความถี่สวิตชิ่งประมาณ Fs = 89.7kHz จะมีค่าลดลงเมื่อเทียบกับการทดลองครั้งที่ 3 ในรูปที่ 13

รูปที่ 22 รูปแสดงการทดลองปรับความถี่สวิตชิ่งลดลงที่ประมาณ Fs = 50.4kHz และสังเกตการทำงานอีกครั้ง

รูปที่ 23 แสดงค่าแรงดันเอาต์พุตเมื่อปรับความถี่สวิตชิ่งประมาณ Fs = 50.4kHz เช่นเดียวกับรูปที่ 20 ค่าแรงดันจะมีค่าลดลงเมื่อเทียบกับการทดลองครั้งที่ 3 ในรูปที่ 13

รูปที่ 24 แสดงกระแสเอาต์พุตเมื่อปรับความถี่สวิตชิ่งประมาณ Fs = 50.4kHz เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่อเทียบกับการทดลองรูปที่ 21 และจากการทดลองในรูปที่ 19 ถึงรูปที่ 24 พอจะสรุปได้ว่าความถี่สวิตชิ่งใกล้กับความถี่เรโซแนนท์ จะมี 1 ค่าที่จะให้กำลังไฟฟ้าทางด้านเอาต์พุตได้ดีและให้ประสิทธิภาพของการทำงานในตัวคอนเวอร์เตอร์ที่เหมาะสม

รูปที่ 25 แสดงลักษณะการทดลองโครงงานและการต่ออุปกรณ์ต่างๆ ในการทดลองโครงงานครั้งนี้ ซึ่งการวัดสัญญาณการทดลองอาจจะมีค่อนข้างมากสักหน่อยเพื่อเปรียบเทียบสัญญาณต่างๆ ให้เข้าใจได้ง่ายตามทฤษฏีการทำงานของเรโซแนนท์ คอนเวอร์เตอร์แบบนี้ (ทั้งนี้ส่วนหนึ่งออสซิลโลสโคปที่ใช้เป็นแบบ 2 ช่องครับ)

สำหรับโครงงานนี้เป็นวงจรขนาดเล็กแบบบัก คอนเวอร์เตอร์ โดยใช้การสวิตชิ่งแบบ Zero Voltage Switching : ZVS ซึ่งแอดมินทดลองออกแบบและคำนวณค่าพารามิเตอร์ต่างๆ แบบคร่าวๆ โดยจากการทดลองค่าความถี่เรโซแนนท์จะใกล้เคียงกับที่ได้คำนวณไว้ ซึ่งเราสามารถปรับจูนให้ได้ค่าที่เหมาะสมที่สุดอีกครั้ง ท้ายนี้ส่วนของเนื้อหาที่เกี่ยวข้องเพิ่มเติมในการออกแบบวงจรให้สมบูรณ์นั้น ทดลองเข้าไปอ่านเนื้อตามลิ้งก์ที่อ้างอิงข้างล่างโครงงานนี้นะครับ.

Reference

1. https://www.semanticscholar.org/paper/Implementation-of-Zero-Voltage-Switching-Buck-*-Kumar-Reddy/54e75e3bcfe5d7e642e0e9e79200bfe8090b8990
2. https://www.slideshare.net/pilurout/hgu
3. https://ejournal3.undip.ac.id/index.php/transient/article/download/19861/18778
4. https://slideplayer.com/slide/6833154/
5. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/zero-voltage-switching
6. https://www.researchgate.net/figure/Conversion-ratio-for-buck-ZVS_fig10_3270712
7. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/switching-frequency
8. https://slidetodoc.com/2010-12-28-quasiresonant-converters-design-example-power/