Single-phase Z-Source Inverter for Full-bridge Switching

วงจรอินเวอร์เตอร์แบบ Z-source Inverter : ZSI นั้น เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของการทำงานระหว่างแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้า (Power source) และโหลด (Load) ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งจะเหมาะกับการนำไปประยุกต์ใช้งานในด้านต่างๆ ของการแปลงกำลังไฟฟ้า เช่น วงจร ดีซี ทู ดีซี, ดีซี ทู เอซี, เอซี ทู ดีซี และ เอซี ทู เอซี

Single-phase Z-Source Inverter for Full-bridge Switching
รูปที่ 1 ลักษณะของวงจร Z-source Inverter

รูปที่ 1 แสดงลักษณะของวงจรอินเวอร์เตอร์แบบ Z-source Inverter นั้น จะประกอบด้วยอุปกรณ์สำคัญ 3 ส่วนดังในรูปที่ 1 ซึ่งเริ่มจากตัวเหนี่ยวนำ L1, L2 ตัวเก็บประจุ C1, C2 และไดโอด D1 ซึ่งเราสามารถวิเคราะห์การทำงานของ Z-source Inverter ออกเป็น 2 แบบในช่วงเวลาให้เกิดการเหนี่ยวนำของตัววงจรขึ้นดังรูปที่ 2 และ 3

Single-phase Z-Source Inverter for Full-bridge Switching
รูปที่ 2 ไม่มีการนำกระแสชั่วขณะใหักับวงจร Z-source Inverter

การทำงานของโหมด (1) ไม่มีการนำกระแสชั่วขณะใหักับวงจร Z-source Inverter (Non- Shoot through state) จะมีลักษณะการทำงานออกเป็น 2 ส่วนย่อยคือ 1. ในช่วงเวลาปกติไดโอด (D) จะนำกระแสปกติและสามารถจ่ายกำลังไฟ้าให้กับโหลดได้ 2. เป็นช่วงเวลาของการจ่ายกำลังไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำ L1 และ L2 เมื่อมีการนำกระแสชั่วขณะกับวงจร Z-source Inverter ก่อนหน้านี้

Single-phase Z-Source Inverter for Full-bridge Switching
รูปที่ 3 ให้มีการนำกระแสชั่วขณะกับวงจร Z-source Inverter

การทำงานในโหมด (2) การนำกระแสชั่วขณะให้กับวงจร Z-source Inverter (Shoot through state) จะมีลักษณะการทำงานออกเป้น 2 ส่วนย่อยเช่นกัน คือ 1. เป็นช่วงเวลาที่จะทำให้ไดโอด (D) หยุดการนำกระแส ทั้งนี้เนื่องจากค่าแรงดันที่ขา K ของตัวไดโอดจะมีค่าสูงกว่าขา A เนื่องจากการจ่ายกระแสให้โหลดในโหมด (1) ที่ผ่านมา 2. เป็นช่วงเวลาของการไบอัสกระแสให้กับตัวเหนี่ยวนำ L1 และ L2 ด้วยตัวเก็บประจุที่สะสมพลังงานไฟฟ้าเอาไว้

Single-phase Z-Source Inverter for Full-bridge Switching
รูปที่ 4 แสดงช่วงเวลาของสัญญาณขับให้กับสวิตช์กำลัง แบบที่ 1

ลักษณะการทำงานของวงจร Z-source Inverter ร่วมกับวงจรสวิตชิ่งแบบฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์นั้น ให้เราสังเกตตามรูปที่ 4 คือ โดยทั่วไปนั้นวงจรฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ จะไม่ให้เกิดสภาวะการนำกระแสระหว่าง S1 และ S2 ขึ้นเลย ทั้งนี้เป็นการลัดวงจร (Short circuit) ระหว่างแหล่งจ่ายแรงดันสูง (DC Link) ลงกราวด์ ซึ่งจะทำให้อุปกรณ์ขับกำลัง S1 และ S2 เสียหาย

แต่ในวงจร Z-source Inverter จะให้เกิดขึ้นได้ ซึ่งเรียกว่า Shoot through state นั้นเอง (จากรูปที่ตำแหน่ง T3 และ T7) แต่จะถูกควบคุมช่วงเวลาที่เกิดขึ้นนี้ให้เหมาะสม เพื่อให้ได้ค่าแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการนั้นเองครับ และในทางกลับกันในช่วงเวลาไม่การนำกระแสชั่วขณะใหักับวงจร Z-source Inverter จะเรียกว่า Non- Shoot through state โดยปกติแล้วการควบคุมค่าแรงดันเอาต์พุตจะมีลูปการควบคุมแบบปิด (Close loop control) เข้ามาช่วยเพิ่มขึ้น เช่น PID Control หรือ Fuzzy Logic Control : FLC เป็นต้น

สำหรับในรูปที่ 5 จะเป็นจะเป็นบล็อกแสดงช่วงเวลาการทำงานของวงจร Z-source Inverter ร่วมกับวงจรสวิตชิ่งแบบฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ เช่นกัน ซึ่งจะเป็นการนำเสนออีกแบบหนึ่ง ที่อาจจะช่วยให้ท่านเข้าใจได้ง่ายขึ้น คือ ที่บล็อกแสดงช่วงเวลาข้างบนจะเป็นลักษณะของการส่งสัญญาณขับให้อุปกรณ์กำลังต่างๆ แบบฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ทั่วไป ซึ่งจะไม่มีช่วงเวลานำกระแสพร้อมกันของ S1 และ S2 ซึ่งแบ่งช่วงเวลาเป็นหยุดนำกระแส (Zero state) และช่วงเวลานำกระแส (Active state)

Single-phase Z-Source Inverter for Full-bridge Switching
รูปที่ 5 แสดงช่วงเวลาของสัญญาณขับให้กับสวิตช์กำลัง แบบที่ 2

แต่บล็อกแสดงช่วงเวลาการทำงานถัดลงมาในรูปที่ 5 เราจะสังเกตเห็นว่ามีช่วงเวลาของ Shoot through state หรือ ST เพิ่มขึ้นให้กับช่วงหยุดนำกระแส Zero state โดยลักษณะการให้นำกระแสให้สังเกตที่ Gate Signal ประกอบกับวงจรแบบฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์

*หมายเหตุ บล็อกแสดงช่วงเวลาการทำงานนี้เป็นเพียงครึ่งเดียว (Half- Switching Period, T) ของการทำงานแบบฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ ในส่วนครึ่งถัดไปจะใช้แนวคิดในลักษณะเดียวกัน

Single-phase Z-Source Inverter for Full-bridge Switching
รูปที่ 6 วงจรที่ใช้ในการทดลองและศึกษาการทำงาน

สำหรับเนื้อหาของวงจร Z-source Inverter ที่นำเสนอนี้ ยังคงเป็นพื้นฐานเบื้องต้น โดยโครงงานนี้นำเสนอในส่วนของการทดลองและผลที่ได้จากการทดลองให้ผู้อ่านอีกแบบหนึ่งครับ สำหรับการนำไปประยุกต์ใช้งานในด้านต่างๆ นั้นยังคงมีรายละเอียดเฉพาะเพิ่มขึ้นเพื่อกำหนดช่วงเวลาการนำกระแส (Shoot through state) และไม่นำกระแส (Non- Shoot through state) ชั่วขณะใหักับวงจร Z-source Inverter สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Z-source Inverter สามารถเข้าไปดูได้ตามลิงก์ข้างล่างเนื้อหานี้ครับ.

Reference

  1. https://www.researchgate.net/figure/General-structure-of-the-Z-source-inverter_fig1_224091522
  2. https://www.semanticscholar.org/paper/Control-of-Z-Source-Inverter-Connected-to-a-AC-Chandrashekar-Veerachary/6b89532b96553e65ce31c4d28f8e10afcedc3dc5/figure/3
  3. https://www.semanticscholar.org/paper/Single-phase-Z-Source-inverter%3A-Analysis-and-Pulse-Yu-Zhang/8388f8240d126731784fbdf66bfe2c388fcfd486/figure/5
  4. http://www.emergingtechs.org/p/z-source-inverter-design.html