Simple Quasi-Resonant Zero Current Switch with Boost Converter Topology

โครงงานนี้เป็นการศึกษาวงจรเรโซแนนท์ บูทคอนเวอร์เตอร์ (Zero Current Switching : ZCS) ในลักษณะ Conventional full-wave ZCS-QR boost topology ซึ่งเดิมเคยนำเสนอเนื้อหาเกี่ยวกับวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ ขนาด 30 วัตต์ แบบกึ่งเรโซแนนท์ (Zero Voltage Switching : ZVS) บ้างไปแล้ว ดังนั้นโครงงานนี้เป็นศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับบูทคอนเวอร์เตอร์อีกแบบหนึ่ง แต่จะเป็นลักษณะของการสวิตชิ่งในขณะที่กระแสเป็นศูนย์ (ZCS) โดยการประกอบวงจรต้นแบบอย่างง่าย ทำการทดลองและวัดสัญญาณการทำงานของวงจรที่เกิดขึ้น

รูปที่ 1 และรูปที่ 2 เป็นการเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับประกอบโครงงาน จากนั้นนำอุปกรณ์มาวางตำแหน่งบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อให้วงจรเป็นระเบียบและเป็นภาคการทำงานที่เข้าใจง่าย และทำการบัดกรีอุปกรณ์เข้ากับบอร์ดทั้งหมด

ในรูปที่ 4 ถึงรูปที่ 5 จะเป็นวงจรต้นแบบครั้งที่ 1 ที่ประกอบขึ้นและทำการทดลองเบื้องต้น แต่วงจรยังไม่สามารถทำงานได้ดีเท่าที่ควรและได้ทำการทดลองปรับเปลี่ยนตัวตัวเหนี่ยวนำ Lr (ดูในรูปที่ 17) ใหม่อีกครั้ง ซึ่งลักษณะของตัวเหนี่ยวนำ Lr ใหม่ที่ประกอบบนบอร์ดจะแสดงในรูปที่ 6

สำหรับรูปที่ 6 และรูปที่ 7 เป็นการทดลองการทำงานวงจรและการใช้เครื่องมือต่างๆ โดยในการทดลองจะต้องใช้ออสซิลโลสโคปเพื่อวัดสัญญาณที่เกิดขึ้นขณะวงจรทำงาน โดยจะมีในส่วนของแรงดันตกคร่อมที่ขา D และขา S ของเพาเวอร์มอสเฟตและกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวเรโซแนนท์ (Lr) ซึ่งจะใช้โพรบวัดกระแส (Current Probe)

ในรูปที่ 8 ถึงรูปที่ 10 เป็นการกำหนดค่าแรงดันอินพุต (Vi) สำหรับที่ลองที่ 13.8V และค่าแรงดันเอาต์พุต (Vo) ประมาณ 20V โดยใช้โหลดตัวต้านทานคงที่ขนาด 10 โอห์ม 20 วัตต์ 2 ตัว สำหรับการทดสอบการทำงาน

ในรูปที่ 11 และรูปที่ 12 ทดลองให้วงจรจ่ายกระแสโหลดที่ 1A ต่อเนื่อง สำหรับสังเกตการทำงานและวัดสัญญาณต่างๆ ที่เกิดขึ้นในขณะวงจรกำลังทำงาน

รูปที่ 13 เป็นการวัดสัญญาณที่ตำแหน่งขาเกตของตัวเพาเวอร์มอสเฟต (CH1) และสัญญาณกระแส (ILr) ตัวเหนี่ยวนำ Lr (CH2) ในขณะที่วงจรจ่ายกระแสโหลดที่ 1A โดยในการทดลองจะกำหนดสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่น (PWM) ที่ความถี่สวิตชิ่งประมาณ 100kHz ดิวตี้ไซเกิลที่ 40% และแอมปริจูดของสัญญาณประมาณ 13Vp-p

ในรูปที่ 14 ถึงรูปที่ 16 แสดงสัญญาณแรงดันที่ตกคร่อมระหว่างขา D และขา S (CH1) และสัญญาณกระแสตัวเหนี่ยวนำ Lr (CH2) ที่ตำแหน่งสัญญาณต่างๆ ที่เกิดขึ้น เพื่อให้เห็นช่วงเวลาของแรงดันและกระแสที่เกิดขึ้นได้ชัดเจนและเข้าใจได้ง่าย และจากการทดลองครั้งนนี้โดยสรุปคือ พลังงานสูณเสียที่ตัวเพาเวอร์มอสเฟตน้อย (Q2 ในรูปที่ 17) แต่ที่ไดโอด D3 มีความร้อนบ้างเล็กน้อยและสามารถทำงานได้ต่อเนื่อง

สำหรับโครงงานนี้เป็นการทดลองเบื้องต้นกับวงจรขนาดเล็ก เพื่อเป็นการเรียนรู้ของแอดมินเอง ในเรื่องดีซี ทู ดีซี บูทคอนเวอร์เตอร์ ด้วยการสวิตชิ่งขณะที่กระแสเป็นศูนย์ (Zero Current Switching : ZCS) และนำลักษณะของการทดลองต่างๆ มาแชร์ให้กับผู้อ่าน ซึ่งในช่วงแรกของการเริ่มต้นทดลองก็ใช้เวลามาช่วงหนึ่งแต่ยังไม่เข้าใจการทำงานของวงจรเท่าที่ควรและหยุดการทดลองไป และในช่วงสัปดาห์ที่ผ่านมาจึงกลับมาทดลองวงจรใหม่และบันทึการทดลองต่างๆ อีกครั้งตามเนื้อหาที่นำเสนอนี้ครับ.

Reference

1. http://fpec.ucf.edu/wp-content/uploads/2020/11/Lecture-3-Ch-6-Boost-ZCS.pdf
2. https://www.semanticscholar.org/paper/Zero-Current-Switch-Quasi-Resonant-Boost-Converter-Firmansyah-Tomioka/4846ea3258611064088b4dc278bf6d3d96c43486#citing-papers
3. https://www.researchgate.net/publication/29798996_Zero-Current-Switch_Quasi-Resonant_Boost_Converter_in_Power_Factor_Correction_Applications/link/0f3175397d2528ffe6000000/download
4. https://www.semanticscholar.org/paper/A-quasi-resonant-ZCS-Boost-DC-DC-Converter-for-Bellini-Bifaretti/4b83393fb64dd288bee857e8940977b4a41d7583
5. https://www.slideserve.com/maura/chapter-6-soft-switching-dc-dc-converters-outlines
6. https://www.semanticscholar.org/paper/Analysis-of-ZVS%2FZCS-soft-switching-dual-resonant-Chen-Lin/e945380424780b14562607d817c69af937422a27/figure/5
7. https://slidetodoc.com/zerocurrent-switching-quasiresonant-converters-problems-of-classical-dcdc/