บทท 1 บทน า

คอนเวอรเตอรนบเปนสวนส าคญทสดในสวตชงเพาเวอรซพพลาย มหนาทลดทอนแรงดนไฟตรงคาสงลงมาเปนไฟตรงคาต าและสามารถคงคาแรงดนได คอนเวอรเตอรมหลายแบบขนอยกบลกษณะการจดวงจรภายในส าหรบคอนเวอรเตอรทไดจดท านนมการประยกตมาจาก ฮาลฟบรดจคอนเวอรเตอรโดยการน าวงจรสามระดบมาประยกตใชจะท าใหแรงดนทอปกรณสวตชมคาเพยงครงหนงของแรงดนอนพทและจะท างานไดเทยบเทาวงจรปกต

1.1 ความส าคญของปญหา

คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบมาประยกตใชในคอนเวอรเตอรจะท าใหแรงดนท อปกรณสวตชมคาเพยงครงหนงของแรงดนอนพท การทแรงดนอปกรณสวตชมคาต าลง ท าใหสามารถเลอกใชอปกรณทวไปไดงายและมราคาถก จงท าใหเกดแนวคดทจะท าชดคอนเวอรเตอรนขนและยงสามารถลดตนทนของอปกรณได

1.2 วตถประสงคของโครงงาน

1. เพอศกษาการออกแบบและสรางชดคอนเวอรเตอร 2. เพอลดแรงดนทอปกรณสวตช 3. เพอลดตนทนของอปกรณ 4. เพอใหเกดทกษะในดานตางๆจากโครงงานวศวกรรม

1.3 ขอบเขตของโครงงาน

1. ออกแบบและ สรางชดคอนเวอรเตอรทมขนาด 1000 วตต 2. คอนเวอรเตอรมความถทสวตช 50 kHz 3. มแรงดนอนพท 540 โวลท

2

1.4 ประโยชนของโครงงาน

1. สามารถน าวงจรไปประยกตใชกบแรงดนอนพททมคาแรงดนสงๆได 2. สามารถหาอปกรณสวตชไดงาย เนองจากมคาแรงดนสวตชต ากวาปกต 3. มทศนคตในการท างานรวมกนเปนกลม

1.5 โครงสรางของโครงงาน

380 Vac

3 540 Vdc

ภาพท 1.1 ขนตอนการท างานของชดคอนเวอรเตอร

3

1.6 แผนการด าเนนงานโครงงาน

ตารางท 1.1 รายละเอยดและขนตอนการวางแผนด าเนนงานโครงงานวศวกรรม

ล าดบ รายละเอยด EEG491 EEG492

ธ.ค.

ม.ค.

ก.พ

. ม.ค.

เม

.ย.

ก.ค.

ส.ค.

ก.ย

. ต.ค.

พ.ย.

1 ศกษาทฤษฎทเกยวของกบโครงงาน

2 ค านวณหาขนาดของอปกรณ 3 จดสรางชดควบคม 4 จดสรางชด คอนเวอรเตอร 5 ทดสอบชดทดลอง 6 ทดลองและแกไข 7 ปรบแตงและน าเสนอ

1.7 งบประมาณของโครงงาน งบประมาณโดยประมาณ 10,000 บาท

4

บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ

2.1 ชนดของวงจรคอนเวอรเตอร [1]

วงจรคอนเวอรเตอรทใชในการออกแบบแหลงจายไฟตรงสวตชงนน จะมชอเรยกตางๆกนตามนกคนควาวจยหรอตามต าราตางๆ แตหลกการพนฐานของวงจรคอนเวอรเตอร เหลานแบงออกได เปน 5 ชนดดวยกนคอ

1.ฟลายแบคคอนเวอรเตอร Flyback Converter 2.ฟอรเวรคคอนเวอรเตอร Forward Converter 3.พช-พลคอนเวอรเตอร Push-Pull Converter 4.ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอร Half-Bridge Converter 5.ฟล-บรดจคอนเวอรเตอร Full Bridge Converter

2.1.1 ฟลายแบคคอนเวอรเตอร (Flyback Converter) ฟลายแบคคอนเวอรเตอรเปนคอนเวอรเตอรทสามารถใหก าลงงานไดไมสงนกโดยอยในชวงไมเกน150วตตและใหคาสญญารบกวน RFI/EMI คอนขางสงแตใชอปกรณจ านวนนอยและมราคาคอนขางถก

ภาพท 2.1 ฟลายแบคคอนเวอรเตอร

(a) เมอสวตชปดวงจร

(b) เมอสวตชเปดวงจร

5

จากภาพท 2.1 แสดงวงจร ฟลายแบคคอนเวอรเตอรซงมหลกการท างานดงนคอ เมอสวตช S ปดวงจร (ภาพท 2.1 a) กระแสจะไหลผานขดลวด L เพอสะสมพลงงาน ในขณะทไดโอด D ไดรบการไบแอสกลบ จงท าใหไมมแรงดนตกครอมท RL จนกระทงเมอสวตช S เปดวงจร (ภาพท 2.1 b) ทขดลวด L เกดการยบตวของสนามแมเหลกรอบขดลวด จายพลงงานทถกสะสมไวใหกบไดโอด D ซงขณะนไดโอด D ไดรบไบแอสตรงเกดกระแสไหลมทศทางดงรปและเปนผลท าใหเกดแรงดนตกครอมท RL ในลกษณะทมขวตรงกนขามกบขวของแรงดนอนพท จากการท างานของวงจรจะเหนไดวาเกดกระแสเหนยวน าทงทดานอนพทและดานเอาทพท ซงถาสวตช S ปด -เปดวงจรอยางตอเนองกจะท าใหกระแสทงสองนมลกษณะเปนพลส ( PULSATING) สงเกตไดวาขดลวดจะสะสมพลงงานในชวงเวลาทสวตช S ปดวงจรและจายพลงงานทสะสมไวใหกบโหลดในชวงเวลาทสวตช S เปดวงจรนนเอง

2.1.2 ฟอรเวรคคอนเวอรเตอร (Forward Converter) ฟอรเวรคคอนเวอรเตอร ใหก าลงงานไดในชวงเดยวกนกบฟลายแบคคอนเวอรเตอรแตกระแสทไดนนจะมการกระเพอมต ากวาอยางไรกตามตวอปกรณทเพมเขามาจะท าใหฟอรเวรคคอนเวอรเตอรนนมราคาสงกวา

ภาพท 2.2 ฟอรเวรคคอนเวอรเตอร

6

ส าหรบวงจรฟอรเวรคคอนเวอรเตอร แสดงดงภาพท 2.2 ซงมหลกการท างานดงน เมอสวตช S ปดวงจร ( ภาพท 2.2 a) กระแสจะไหลผานขดลวด L และโหลด RL ตามทศทางดงรป สงเกตไดโอด D ขณะนไดรบไบแอสกลบ จนกระทงสวตช S เปดวงจร (ภาพท 2.2 b) เกดการยบตวของสนามแมเหลก เกดพลงงานท าใหขณะนไดโอด D ไดรบไบแอสตรงน ากระแสในทศทางเดมเกดแรงดนตกครอม RL โดยมขวเหมอนกบอนพท จากการท างานของวงจรจะพบวาถาสวตช S มการปด-เปดวงจรอยางตอเนอง จะท าใหกระแสทเอาทพทมแนวโนมทจะไหลไดตอเนองในสวนของไดโอด D ในวงจรนน โดยทวไปจะเรยกวา “Free-Wheeling Diode”

2.1.3 พช - พลคอนเวอรเตอร (Push-Pull Converter) พช-พลคอนเวอรเตอรเปนคอนเวอรเตอรทสามารถจายก าลงงานไดสงตงแต 500 วตตขนไปแตมขอเสยคอมกเกดการไมสมมาตรฟลกซแมเหลกของแกนหมอแปลงซงจะผลตอการพงเสยหายของเพาเวอรทรานซสเตอรไดงาย อยางไรกตาม ในปจจบนเทคนคการควบคมกระแสจะท าใหลดปญหานไดลงดงนนพช -พลคอนเวอรเตอรทนาสนใจส าหรบสวตชงเพาเวอรชพพลายทตองการก าลงงานสง ๆ

ภาพท 2.3 พช-พลคอนเวอรเตอร

จากภาพท2.3จะแสดงวงจรคอนเวอรเตอรแบบพช-พลซงโดยแทจรงแลวกจะประกอบไปดวยฟอรเวรคคอนเวอรเตอร 2 ชด ท างานสลบกนในลกษณะ พช -พล โดยทสวตช S1,S2 จะสลบกนปดเปดท างานตรงกนขาม

7

2.1.4 ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอร (Half-Bridge Converter) ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอรจดเปนคอนเวอรเตอรตระกลเดยวกบพช -พลคอนเวอรเตอร และใหก าลงคอนขางสงขอดกคอเพาเวอรทรานซสเตอรในวงจรมคาแรงดนตกครอมขณะไมน ากระแสนอยกวาคอนเวอรเตอรทง3แบบและลดการเกดไมสมมาตรฟลกซได

+

_Vin

L

RLC

C1

C2

C3

D1

D2

D3

D4

ภาพท 2.4 ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอร

จากภาพท2.4จะเหนไดวาหากเพาเวอรทรานซสเตอรตวใดตวหนงน ากระแส คาแรงดนตกครอมเพาเวอรทรานซสเตอรตวทเหลอจะมคาเพยงแรงดนอนพตเทานน เมอ Q1 และQ2 สลบกนกระแสผลทไดจะมลกษณะเดยวกบการท างานของพช-พลคอนเวอรเตอร ยกเวนคาแรงดนตกครอมขณะท างานของขดไพรมารจะมคาเพยงครงหนงของแรงดนอนพต เนองจากผลของการตอตวเกบประจ C1 และ C2 เพอแบงครงแรงดน กระแสทไหลผานขดไพรมารจงมคาสง ซงเปนการจ ากดก าลงงานสงสดของคอนเวอรเตอร โดยก าลงงานสงสดทฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอรสามารถท าไดจะอยในชวงไมเกน500 วตต

8

2.1.5 ฟล-บรดจคอนเวอรเตอร (Full-Bridge Converter) ฟล-บรดจคอนเวอรเตอร ในขณะทท างานจะมแรงดนตกครอมขดไพรมารเทากบแรงดนอนพทแตแรงดนตกครอมเพาเวอรทรานซสเตอรจะมคาเพยงครงหนงของแรงดนอนพทเทานนและคากระแสสงสดทเพาเวอรทรานซสเตอรแตละตวนนจะมคาเปนเพยงครงหนงของคากระแสสงสดใน ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอรทก าลงขาออกเทากน เนองจากขอจ ากดดานเพาเวอรทรานซสเตอรจะลดนอยลงไปก าลงงานสงสดทจะไดจากฟล-บรดจคอนเวอรเตอรจง จะมคาไดตงแต 500 วตตจนถง1, 000 วตต

RL

L

CC1

D1

D2

D3

D4

Vin

D6

D5

+

_

ภาพท 2.5 ฟล-บรดจคอนเวอรเตอร

จาก ภาพท2.5จะเหนไดวามเพาเวอรทรานซสเตอรในวงจรทงหมดถง4 ตวแตจะท างานสลบกนเปนคๆ โดย ท Q1 จะน ากระแสพรอมกบ Q4 และ Q2 จะน ากระแสพรอมกบ Q3กระแสทไหล ผานขดไพรมารของหมอแปลงจะมลกษณะเชนเดยวกบ วงจร ฮาลฟ-บรดจคอนเวอรเตอรแตขอ ไดเปรยบของฟล-บรดจคอนเวอรเตอรกคอขณะท างานทขดไพรมารจะมแรงดนตกครอม เทากบคาแรงอนพทกระแสไหล ทผานขดไพรมารจง จะ มคาต ากวาฟล-บรดจคอนเวอรเตอรจง จะสามารถจายก าลงงานไดสงกวาดงนนสวตชงเพาเวอรชพพลายทตองการก าลงงาน ทสงๆตงแต 500 วตต ถง 1 , 000 วตต นน จงมก จะนยมใชคอนเวอรเตอรแบบฟล-บรดจ

9

2.2 มอสเฟทก าลง [1][3]

มอสเฟทเปนอปกรณทควบคมดวยแรงดน และตองการกระแสอนพทต ามากๆ ความเรวในการสวตชงสง เวลาในการสวตชงต ามากเปนนาโนวนาท มอสเฟทก าลงไดถกน าไปประยกตใชในงานดานคอนเวอรเตอร ทก าลงต า ความถสง มอสเฟทไมมปญหาเกยวกบปรากฏการณ Second breakdown เหมอนกบทรานซสเตอร แตอยางไรกตามมอสเฟทกมปญหาเกยวกบไฟฟาสถตและตองการการเกบรกษาอยางเปนพเศษ

ภาพท 2.6 มอสเฟทมดวยกน 2 ชนด

มอสเฟทมดวยกน 2 ชนดคอ (1) depletion MOSFET และ (2) enhancement MOSFET depletion MOSFET แบบ n-channel จะมโครงสรางทเปนชนสารซลคอนชนด p-type ดงภาพท 2.6 (a) และซลคอนแบบ n+ ซงมความตานทานต า เกทจะถกแยกทางไฟฟาออกจาก channel ดวยชนของออกไซดบางๆ ขาทงสามของมอสเฟทมชอเรยกวา เกท ( Gate) เดรน ( Drain) และซอรส (Source) แรงดนทเกทกบซอรส (VGS) นนจะเปนบวกหรอลบกได ถา VGS เปนลบ อเลกตรอนบางสวนในพนทของ n-channel จะถกผลกออกไปและบรเวณปลอดพาหะจะถกสรางขนทดานลาง

10

ของชนของออกไซดเปนผลท าให channel แคบลงความตานทานระหวางเดรนและซอรส (RDS) จะสงขน ถา VGS มคาเปนลบมากพอทจะท าให channel ปลอดพาหะอยางสมบรณซงท าให RDS มคาสงขนจนไมมกระแสไหลจากเดรนไปยงซอรส IDS = 0 แลว แรงดน VGS ดงกลาวเรยกวา pinch-off voltage, VP เมอ VGS มคาเปนบวก channel จะเรมกวางมากขน IDS เพมขนเนองจาก RDS ลดลง ส าหรบใน depletion MOSFET แบบ p-channel จะมขวของ VDS , IDS และ VGS ทตรงกนขามกบ n-channel ใน enhancement MOSFET แบบ n-channel นนจะไมม channel ดงภาพท 2.6 ถา VGS เปนบวกอเลกตรอนจะถกดดจาก p-type substrate ไปสะสมทบรเวณผวของออกไซด ถา VGS มคามากกวาหรอเทากบ threshold voltage, VT แลว อเลกตรอนทสะสมจะมปรมาณมากพอทจะท าใหเกด n-channel เสมอนขน และท าใหกระแสไหลจากเดรนไปยงซอรสได ส าหรบใน p-channel enhancement MOSFET สภาพขวของ VDS , IDS และ VGS จะตรงกนขามกบ n-channel 2.2.1 ลกษณะสมบตทสภาวะ STEADY STATE ของมอสเฟท มอสเฟทเปนอปกรณทควบคมไดดวยแรงดน มคาอนพทอมพแดนซสงมากท าใหกระแสเกทไหลต ามากเปนนาโนแอมแปร อตราการขยายกระแสซงเปนอตราสวนระหวาง กระแสเดรน ID กบกระแสเกท IG โดยทวไปแลวจะมคาสงถง 109 อยางไรกตามอตราการขยายกระแสไมไดเปนพารามเตอรทส าคญ คาทรานสคอนดกแตนซซงเปนอตราสวนของกระแสเดรนและแรงดนเกทจะเปนพารามเตอรทส าคญกวา ลกษณะการโอนยายของมอสเฟทแบบ n-channel และ p-channel แสดงดงภาพท 2.6 และ 2.7 จะเปนลกษณะสมบตทางเอาทพทของ enhancement MOSFET แบบ n-channel ซงจะมการท างานใน 3 บรเวณ คอ ( 1) บรเวณ cut-off เมอ VGS < VT (2) บรเวณอมตวหรอ pinch-off เมอ VDS > (VGS – VT ) และ (3) บรเวณเชงเสนเมอ VDS > (VGS – VT )

11

ภาพท 2.7 สภาวะของมอสเฟท

การ pinch-off จะเกดขนเมอ VDS = VGS – VT ในบรเวณเชงเสน กระแส ID จะเปลยนไปโดยเปนสดสวนกบแรงดน VDS เนองจากกระแสเดรนทสงและแรงดนต า ท าใหมอสเฟทก าลงท างานไดทเชงเสนส าหรบการสวตชงในบรเวณอมตวกระแสเดรนจะมคาคงทเมอแรงดน VDSเพมขน ในบรเวณนนมอสเฟทจะถกน าไปใชในการขยายแรงดน มอสเฟททง depletion-type และ enhancement-type จะมโมเดลท Steady state ดงภาพท 2.8 คาทรานคอนดกแตนซ gm หาไดดงน

gm = GS

D

ΔV

ΔIDSV = constant (2.1)

ความตานทานดานเอาทพท OR = RDS หาไดจาก

RDS = D

DS

ΔI

ΔV (2.2)

12

RDS ในบรเวณ pinch-off จะมคาสงกวาเปนเมกกะโอหม และในบรเวณเชงเสนจะมคาต ามากเปนมลลโอหม

ภาพท 2.8 ลกษณะสมบตโอนยายของมอสเฟท

ภาพท 2.9 ลกษณะสมบตทางเอาทพทของ Enhancement-type MOSFET

ส าหรบ Depletion MOSFET จะท างานทแรงดนเกทเปนบวกหรอลบกไดแต Enhancement MOSFET จะตอบสนองทแรงดนเกทเปนบวกเทานน มอสเฟทก าลงทใชโดยทวๆ ไปจะเปนชนด Enhancement-Type อยางไรกตาม Depletion-Type MOSFET กยงมการประยกตใชในการออกแบบทางลอจกทตองการเขากนไดกบสวตช DC หรอ AC ซงยงคงท างานอยได เมอแหลงจายลอจกตกลงจน VGS เปนศนย

13

2.2.2 ลกษณะสมบตการสวตชง ถาปราศจากสญญาณทเกท Enhancement-type MOSFET จะถกพจารณาเปนไดโอด 2 ตวตอเปนทรานซสเตอรชนด npn โครงสรางของเกทจะมคาความจไฟฟาแฝงกบซอรส Cgs และกบเดรน Cgd ทรานซสเตอรจะมรอยตอไบแอสกลบจากเดรนไปยงซอรสและมคาความจไฟฟา Cds

ภาพท 2.10 โมเดลการสวตชงท Steady State ของมอสเฟท

โมเดลสวตชงของมอสเฟทแสดงดงรปท 2.11 รปสญญาณในการสวตชงแสดงดงภาพท 2.12

ภาพท 2.11 โมเดลสวตชงของมอสเฟท

จากภาพท 2.11 Turn-On Delay Time, td(on) เปนเวลาทใชในการประจ Cgs จนแรงดนถงระดบ threshold voltage rise time, tr เปนเวลาทใชในการประจเกทจากแรงดนท Threshold Voltage จนถงแรงดนเกทสงสดซง จะใชในการขบมอสเฟทใหอยในบรเวณเชงเสน Turn-Off Delay Time, td(off) เปนเวลาทใชในการคายประจเกทจากระดบแรงดนเกท V1 จนมอสเฟทท างานทบรเวณ Pinch-Off Fall Time, tt เปนเวลาทใชในการคายประจเกทจากบรเวณ Pinch-Off จนแรงดนถงระดบ Threshold-Voltage ถา VGS < VT มอสเฟทจะหยดน ากระแส

14

ภาพท 2.12 รปสญญาณในการสวตชงของมอสเฟท

2.2.3 พารามเตอรในการท างานของมอสเฟท จากกราฟของ ID เทยบกบ VDS ทคา VGS ตางๆ กนดงภาพท 2.13 จากกราฟแรงดน Threshold Voltage , VT จะมคาเทากบ 4 V และในการท าใหแรงดน VGS มคาคงทไวท าใหกระแส ID มคาเกอบจะคงท ทบรเวณ Pinch-Off เนองจากความตานทานในขณะท างาน On-State

Resistance (RDS = D

DS

ΔI

ΔV ) มคาโดยประมาณคงท

ภาพท 2.13 ลกษณะสมบตทางเอาทพท

15

Tranfer Characteristic เปนกราฟของ ID เทยบกบ VGS ซงแสดงดงภาพท 2.14

ภาพท 2.14 ลกษณะสมบตโอนยาย Transconductance, gm เปนคาทไดจาก Tranfer characteristic ดงภาพท 2.15

ภาพท 2.15 คาทรานสคอนดกแตนซเทยบกบกระแสเดรน

16

ลกษณะสมบตเชงเสน Linear Characteristic เปนลกษณะสมบตทางเอาทพททคา VDS ต าๆ ซงเปนสงส าคญส าหรบน าไปใชในงานสวตชง จากการท VDS มคาต าในบรเวณเชงเสนจงมกจะก าหนดเปนลกษณะสมบตอมตว Saturation Characteristic ดงภาพท 2.16

ภาพท 2.16 ลกษณะสมบตอมตว ความตานทานขณะท างาน On-State Resistance, RDS คา RDS เปนการแสดงถงการสนเปลองก าลงไฟฟาในขณะทมอสเฟทน ากระแส RDS จะเพมขนอยางเปนเชงเสนเมออณหภมทรอยตอ , TJ เพมขนดงภาพท 2.17 การเพมขนของ RDS ทคา ID และ VDS ตางๆ กน ดงภาพท 2.18 จะไมเปนเชงเสน ก าลงไฟฟาสนเปลอง PD = RDSID

2 = VDSID ซงจะมคาลดลง เมออณหภมทตวถงเพมขน ดงภาพท 2.19

ภาพท 2.17 คาความตานทานขณะท างานเทยบกบอณหภมทรอยตอ

17

ภาพท 2.18 คาความตานทานขณะท างานเทยบกบกระแสเดรน

ภาพท 2.19 คาก าลงไฟฟาสญเสยเทยบกบอณหภมทตวถง พนทการท างานทปลอดภย Safe Operating Area, SOA แสดงดงภาพท 2.20 ซงจะแสดงถงคาของ ID สงสดกบคาของ VDS สงสด ในขณะทมอสเฟทสวตชปดวงจร และสวตชเปดวงจร โดยจะเปนขดจ ากดทางอณหภม ส าหรบมอสเฟทจะไมมปรากฏการณ Second Breakdown แตจะมขอจ ากดของกระแส ID ทคา VDS ต าๆ เนองจากความตานทานในขณะท างานเพมขน ส าหรบการท างานในชวงสนๆ ขอบเขตของ SOA จะกวางขนคอ VDS กบ ID มคามากขนนนเอง โดยปกต SOA จะก าหนดไวท T = 150 ๐C

18

ภาพท 2.20 พนทการท างานทปลอดภยทสด

2.3 การควบคมระดบแรงดนแบบ PWM [3] การควบคมความกวางพลส (Pulse Width Modulated , PWM) ในการควบคมแรงดนใหคงทของแหลงจายไฟสวตชงโดยทวไปจะใชเทคนคการควบคมความกวางพลส (PWM)ซงเปนการควบคมโดยเปลยนแปลงชวงเวลาทอปกรณสวตชอเลกทรอนกส เชน ทรานซสเตอร , มอสเฟท หรออนๆ นนน ากระแส เปนผลใหเกดการควบคมแรงดนทเอาทพทใหไดคาทตองการ ซงขอดของการควบคมแรงดนแบบ PWM คอ สามารถรกษาระดบแรงดนใหมความคงทสง เพราะมการปอนกลบระดบแรงดนจากเอาทพทมาใชในการควบคมดวย รวมทงท าใหเกดความสญเสยก าลงงานในการควบคมแรงดนต าสงผลใหมเสถยรภาพตอการเปลยนแปลงของอณหภมขณะใชงานสง ลกษณะการท างานของ PWM โดยทวไปมอย 3 ลกษณะ คอ

1. เปลยนแปลงทงความถ และความกวางของพลส (Variation Of Both Frequency and Pulse Width)

2. เปลยนแปลงความถ โดยความกวางของพลสคงท (Constant Pulse Width With Variable Frequency)

3. เปลยนแปลงความกวางของพลสโดยทความถคงท (Constant Frequency With Variable Pulse Width)

19

การท างานทง 3 ลกษณะนมขอดขอเสยทแตกตางกนไป การท างานในลกษณะท 2 และ 3 จะดกวาการท างานในลกษณะท 1 เนองจะสามารถก าหนดความถหรอชวงเวลา ton ทจะท าใหสวตชงเรกกเลเตอร ท างานไดอยางมประสทธภาพสงสดไดแตแบบท 1 นนความถและความกวางของพลสก าหนดขนเองจากวงจรจงอาจจะไมใชความถทเหมาะสมทสดส าหรบการท างานกได ดงนนวงจร PWM สวนใหญจงใชการท างานในลกษณะท 2 หรอลกษณะท 3 เสยเปนสวนใหญ ในปจจบนวงจร PWM ไดถกพฒนาใหเปนวงจรส าเรจรปใน ไอซ ตวเดยวเหมาะส าหรบใชงานในดานแหลงจายไฟโดยเฉพาะ ซงการใชงานของ ไอซ เหลานสามารถใชงานไดงาย โดยตออปกรณเพมเตมภายนอกเพยงเลกนอย เพอใชเปนตวก าหนดจดท างานของ PWM นน เพอใหการท างานของแหลงจายไฟตรงสวตชงมความสมบรณมากขน อาจจะเพมเตมวงจรส าหรบระบบตางๆ เชน วงจรเปรยบเทยบส าหรบปองกนกระแสหรอแรงดนเกน

2.3.1 หนาทของวงจร (Pulse Width Modulated , PWM) หนาทของวงจร Pulse Width Modulation (PWM) กคอ ท าการเปลยนคาแรงดนไฟฟาดานออกของวงจรขยายความคลาดเคลอนทถกชดเชย (วงจรขยายความผดพลาดทไดชดเชยแลว) ใหกลายเปนคาดวตไซเคลเพอไปขบขาเกทของสวตช แรงดนไฟฟาดานออกของวงจร (VC) จะถกน าไปเปรยบเทยบกบสญญาณรปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) ทมขนาดเทากบ VP ดงแสดงในภาพท 2. 21 แรงดนไฟฟาดานออกมวงจร PWM เมอแรงดนไฟฟา VC มคามากกวาแรงดนไฟฟาของสญญาณรปคลนฟนเลอย และจะมคาเทากบศนย เมอแรงดนไฟฟา VC มคานอยกวาแรงดนไฟฟาของสญญาณรปฟนเลอย ในกรณทแรงดนไฟฟาดานออกของวงจรคอนเวอรเตอรมคาลดต ากวาแรงดนไฟฟาอางอง แรงดนไฟฟาคลาดเคลอนทไดจากการเปรยบเทยบระหวางแรงดนไฟฟาทงสองคาจะมคาเพมขน เปนผลท าใหแรงดนไฟฟา VC มคาเพมขน ท าใหคาดวตไซเคลมคาเพมขน และดวยคาดวตไซเคลทเพมขนจะสงผลใหแรงดนไฟฟาดานออกของวงจร คอนเวอรเตอร มคาเพมขน จนกระทงไดคาแรงดนคลาดเคลอนเทากบทออกแบบ และในท านองกลบกนกรณทแรงดนไฟฟาดานออกของวงจร คอนเวอรเตอร มคาเพมขน จะเปนผลท าใหคาดวตไซเคลจะมคาลดลง

20

ภาพท 2.21 กระบวนการ PWM จะมคาแรงดนดานออกกตอเมอแรงดน VC ทออกจากวงจรขยาย

ความคลาดเคลอนทถกชดเชย มคาสงกวาคาของสญญาณรปสามเหลยม

2.4 คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ (Three Level Half-Bridge Converters) คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ โดยคอนเวอรเตอรใชตวเกบประจในสวน

เบองตนเพอไปยงการควบคมเลอนเฟส และในหนทางนไดรบ ส าหรบสวตชทงหมดเบองตนของการทดลองชดวงจร คอนเวอรเตอรถกวเคราะหและสรป ไดวาตนแบบ ในการทดลอง มก าลงไฟฟา 1000 วตต และความถ 50 กโลเฮรตซโครงงานนจะใชวธการทางเทคนคตางๆ

เพอจะเปนสภาวะความส าคญส าหรบการด าเนนการในขนตอไปของระบบพลงงานทไดรบจากแหลงจายไฟฟาสามเฟสส าหรบการประยกตใชในความถ ระดบสง เครองมอทใชในการแกไขและเสรมสวตชในงานทใชไฟฟาสามเฟสเปนทนาสนใจส าหรบในสภาวะสามารถยนยอมกบมาตรฐานทกลาวมาแล วจะมความเรยบงาย และมประสทธภาพ แตอยางไรกตามเพอทจะลดกา รกระเพอมของคลนฮารโมนคในเครองมอทใชในการแกไขเสรมสวตชเดยวในแรงดนไฟฟาสามเฟสทออกมาจะมการเพมการตอบรบแรงดนทเขา ดงนนการเพมขนในแรงดนเขาเพมแรงดนผานเขาในวงจรคอนเวอรเตอร ฮาลฟบรดจแบบสามระดบ ส าหรบก าลง งานทไดในระดบน คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ มกจะถกด าเนนการกบโครงสรางวงจรฟลบรดจ ในกรณนสวตชแตละตวจะเพมแรงดนไดเตมทในระดบแรงดนน จะมใช มอสเฟท หมอแปลงทมระดบความถสง อาจจะเพมการสญเสยของวงจรคอนเวอรเตอร ฮาลฟบรดจแบบสามระดบ หนาทระดบ ก าลงงานขนาดนเปนการใชอปกรณทม การทนแรงดนไดสงๆ แตอยางไรกตามในกรณนความถในการเปดปดตองลดลงและดวยเหตนก าลงงานของคอนเวอรเตอร จะขนอยกบการจดวงจรภายใน

21

เรองนแสดงถงคอนเวอรเตอร ฮาลฟบรดจแบบสามระดบ การเปดปดกระแสซงคงลกษณะเฉพาะเพอลดแรงดน ทผานสวตชหลก ใหการด าเนนการส าหรบสวตชทงหมดและการควบคมโดยการใชตวควบคมเลอนเฟสทรจกกนด สวนการทดลองและการวเคราะหของการท างานของวงจรคอนเวอรเตอร ภายหลงจะมผลการทดลองของ คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ

2.4.1 คอนเวอรเตอร DC/DC สามระดบ ในสวนน การปฏบตการพนฐานของคอนเวอรเตอร ฮาลฟบรดจแบบสามระดบ ถกน ามาแสดงใหด คอนเวอรเตอรและไดอะแกรมเวลาแสดงในภาพท 2.22 ตามล าดบจะเหนไดวาโครงสราง คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระด บในความแตกตางหลกการรวมของเครองมอการสะสมประจไฟฟา Css เพออนญาตการปฏบตการส าหรบสวตชทงหมดกบการควบคมเลอนเฟส คอนเวอรเตอรม 6 สภาวะของการปฏบตการระหวางวงจรสวตชแบบครง อยางทถกอางถงกอนหนาน วงจรใชตวควบคมชพเฟสในสวตชทงหมดทด าเนนการกบวงจรการท างาน 50% หรอใกลเคยง เมอมการเลอนเฟสระหวาง S1 และ S2 หรอ S3 และ S4 ถกก าหนดใหด าเนนการของวงจรคอนเวอรเตอร วงจรทเทาเทยมกนส าหรบสภาวะอนๆของการทดลองดงแสดงในภาพท 2.22

RL

Vin+

_

Vo

S1

S2

S3

S4

Cdc1

Cdc2

Dc1

Dc2

D2

D3

D4

Cs1

Cs2

Cs3

Cs4

C

L out put

C out put

+

_

D1

ภาพท 2.22 สภาวะของการปฏบตการระหวางวงจรสวตชแบบครง

22

t1 t2 t3 t4 t5 t6

S1

S2 S3

S4 S1

t0

ภาพท 2.22 (ตอ) [t0-t1] : ในสภาวะท S1,S2,S3,S4 Open ไฟทจาย Vin 540vdc จะไมไหลผาน S1,S2,S3,S4 ไปไดไฟจะไหลผาน Cd1 ลงไป Cd2 แลววงเขาทขวลบ เปนการท างานทครบวงจร [t1-t2] : เมอ S1 Onไฟจะเขามาทางดาน Vin 540Vdc จะไหลผาน S1 แตจะไมไหลผาน S2 เพราะ S2 ไมได On Switch ไฟจะไหลจาก S1 ลงมายง C ไหลผานมาถงขวของ S4 และ S3 แตไ มสามารถไหลผาน S4 , S3 ไดเพราะ S4 , S3 ไมไดOn แตเมอ S2 On ไฟจะไหลผาน จาก S1เขา S2ไหลผานไปยงหมอแปลงความถสงดานบวกแลวออกดานลบไหลผาน Cd1และ Cd2 ในสภาวะน Cd1 และ Cd2 จะไดรบไฟเขาเปน Vin/2 ไฟจะไหลแบบนจนกระทง S1 ตดการท างาน [t2-t3]: เมอ S4 ท างานพรอมกบ S2 Vin/2 ทไดรบจากการไหลผานของ S1 จะไหลผาน S4 ไหลผาน Cd1และ Cd2 เขา S2 แลวเขาหมอแปลงความถสงออก Cd1และ Cd2 เปน Vin/2 จนกระทง S2 ตดการท างาน [t3-t4]: เมอ S4 ท างานกอนแลว S3 ท างานตามหลงไฟทไดจาก Vin/2 จะไหลผาน S4 ไหลผาน S3 ในสภาวะนหมอแปลงความถสงจะกลบขวบวกเปนขวลบ และจะกลบขวลบเปนขวบวกไฟจาก S3จะไหลผานดานบวกไปดานลบแลวออก Cd1และ Cd2 เปน Vin/2 การท างานจะเปนแบบนเรอยๆจนกระทง S4 ตดการท างาน

23

Load

Vin+

_

Vo

S1

S2

S3

S4

Cdc1

Cdc2

Dc1

Dc2

D1

D2

D3

D4

Cs1

Cs2

Cs3

Cs4

C

L out put

C out put

[t0-t1]

Vin

Load

+

_

Vo

S1

S2

S3

S4

Cdc1

Cdc2

Dc1

Dc2

D1

D2

D3

D4

Cs1

Cs2

Cs3

Cs4

C

L out put

C out put

[t1-t2]

Load

Vin+

_

Vo

S1

S2

S3

S4

Cdc1

Cdc2

Dc1

Dc2

D1

D2

D3

D4

Cs1

Cs2

Cs3

Cs4

C

L out put

C out put

[t2-t3]

24

Load

Vin+

_

Vo

S1

S2

S3

S4

Cdc1

Cdc2

Dc1

Dc2

D1

D2

D3

D4

Cs1

Cs2

Cs3

Cs4

C

L out put

C out put

[t3-t4]

Load

Vin+

_

Vo

S1

S2

S3

S4

Cdc1

Cdc2

Dc1

Dc2

D1

D2

D3

D4

Cs1

Cs2

Cs3

Cs4

C

L out put

C out put

[t4-t5]

Vin

Load

+

_

Vo

S1

S2

S3

S4

Cdc1

Cdc2

Dc1

Dc2

D1

D2

D3

D4

Cs1

Cs2

Cs3

Cs4

C

L out put

C out put

[t5-t6]

ภาพท 2.23 การท างานของสวตชแตละตว

25

2.5 การเลอกใชงานไอซส าเรจรปในงาน PWM [2][3] 2.5.1 ไอซเบอร CA3524 ในการเลอกใชไอซส าเรจรปทใชในงาน PWM จะมอยหลายเบอรแตในทนจะแนะน า ไอซ

ของบรษท National Semiconductor เบอร CA 1524 / CA 2524 / CA3524 เปนตวอยางมาพอสงเขป และDATA SHEET ของ CA 1524 / CA 2524 / CA3524 แสดงในภาพท 2.24 วงจรภายในของไอซทง 3 เบอรนนจะอยในลกษณะเดยวกน แตจะแตกตางกนเพยงอณหภมทใชงาน หรอลกษณะรปรางภายนอกเทานน ในสวนนจะกลาวถงเฉพาะ CA3524 เพยงเบอรเดยวโดย CA3524 มอณหภมทใชงานอยในยาน 0 ถง 70 °C และลกษณะรปรางภายนอกเปนลกษณะ DIP 16 ขาดงแสดงในภาพท 2.25 (a) และภาพท 2.25 (b) แสดงลกษณทางไฟฟา

CA 3524

ภาพท 2.24 (a) วงจรภายในของไอซเบอร CA 3524 (b) วงจรภายนอกส าหรบ Error Amplifier

26

5

11

12

13

14

1

2

3

6

7

16

1

3

4

2

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

CA 3524

RT

CT Vin

Vref

Emitter B

Emitter A

Collector B

Collector A

Inverting input

Non-inverting input

Oscillator output

Current limit sense

Current limit sense

Ground

Shutdown

Compensation

(a) รปแบบต าแหนงขาทใชงานจรง

4

(b) สญลกษณทางไฟฟา

89

10 15

CA 3524

SDVREFNI

INV

OSC

RTCTCOMP

VINCACB

EA

EB

CL+CL-

GND

ภาพท 2.25 แสดงขาทใชงานของไอซเบอร CA 3524 2.5.2 การใชงานของไอซเบอร CA 3524

ไอซเบอร CA 3524 ตองการไฟเลยงระหวาง 8 V ถง 40 V โดยตอแรงดนไฟเลยงบวกจะเขาทขา 15 และตอขา 8 ลงกราวด เพอทจะใหไอซมการท างานทแนนอน ดงนนแรงดนไฟเลยงควรจะตองมการเรกกเลเตอรใหเรยบรอยกอนทขา12 และ13 จะมทรานซสเตอรขบเอาทพทอย 2 ตว ใหผใชตอออกไปใชงาน ซงลกษณะการสวต ชของทรานซสเตอรทงสองตวนนจะสวต ชตรงกนขาม โดยแตละตวสามารถจายกระแสเอาทพทได 100 mA และถาตอในลกษณะขนานกนกจะจายกระแสเอาทพทรวมได 200 mA แตถาตองการใชงานทตองการกระแสเอาทพทสงกวานกจะท าไดโดยงายเพยงตอทรานซสเตอรภายในไอซ เบอร CA 3524 ใหไปขบทรานซสเตอรสวตชงภายนอกเพอทสามารถจายกระแสไดสงกวาเทานนเองไอซ เบอร CA 3524 ยงสามารถใชเปนเรกกเลเตอรแบบ Step-Down เรกกเลเตอรแบบ Step-Up หรอ เรกกเลเตอร แบบ Voltage Inverting ไดโดยใชไอซเพยงตวเดยวกบอปกรณภายนอกอกนดหนอยรปแบบของวงจรไอซ เบอร CA 3524 ใน PWM กเหมอนกบวงจรเรกกเลเตอรทวๆไป

27

Load

5

11

12

13

14

4

1

2

3

6

7

16

89

10 15

CA 3524

SDVREFNI

INV

OSC

RTCTCOMP

VINCACB

EA

EB

CL+CL-

GND

DC supplyR1

R2

R3

R4

RT

RC

D C

CC

CT

LOutput

ภาพท 2.26 ไอซเบอร CA 3524 ในงานเรกกเลเตอรแบบ Step-down

2.5.3 ไอซเบอร CA 3524 ในงานเรกกเลเตอรแบบ Step-down วงจรเรกกเลเตอรแบบ Step-down พนฐานทใชไอซเบอร CA 3524 จะแสดงดงภาพท 2.26

เนองจากในการขบกระแสในวงจรนจะใชทรานซสเตอรภายใน ไอซเบอร CA 3524 เปนตวขบกระแสจงท าใหวงจรนจายกระแสเอาทพทไดต าประมาณ 200 mA โดยตอทรานซสเตอรภายในทงสองตวในลกษณะขนานกนคอทขาคอลเลคเตอรของทรานซสเตอรทงสอง ( ขา12 และขา 13) จะตอกบแหลงจายไฟตรง DC SUPPLY และขาอมตเตอรทงสอง ( ขา11 และขา 14) ตออยกบตวเหนยวน า L ขา 1 เปนตว INVERTING INPUT ของ ERROR AMPLIFIER รบสญญาณปอนกลบจากเอาทพทการแบงแรงดนของตวตานทาน 1R และ 2R

ไอซเบอร CA 3524 จะควบคมความกวางของพลสเพอใหแรงดนปอนกลบนมขนาดเทากบแรงดนอางอง

refV ทจายใหกบ NONINVERTING INPUT ของ ERROR AMPLIFIER ทขา 2 จากวงจรแรงดนอางอง

refV เกดจากการแบงแรงดนของตวตานทาน 1R และ 2R สามารถหาไดจากสมการตอไปน

refV = out

2 1

1 VR R

R

(2.3)

28

การแกสมการเพอหา outV จะได

Vout = refV1R

2R1R (2.4)

แรงดนอางอง

refV สามารถใชแหลงจายอางองทขา 16 หรอใชแรงดนอางอง 5 V ทอยภายในไอซเบอร CA 3524 เองโดยปกตจะนยมใช แรงดนอางอง 5 V ภายในไอซเบอร CA 3524 มากกวา โดยเรยกแรงดนนวา

refV ดงนนแรงดนน NONINVERTING INPUT (ขา 2 ) ของ ERROR AMPLIFIER กจะเกดจากการแบงแรงดนของตวตานทาน

3R และ 4R ดงสมการ

Vref = intV4R3R

4R

(2.5)

ในทางปฏบตแลวจะเลอกคาความตานทาน 3R และ 4R เทากนเพอแบงแรงดนใหได 2.5Vโดยคาความตานทานของ 3R และ 4R นยมใชคา 10 k แตถาในกรณทใชแหลงจายแรงดนอางองภายนอกกจะเลอกคาความตานทาน 4R เทากบ 10 k และใชสมการเพอหาคา 3R ส าหรบ ERROR AMPLIFIER เปนออปแอมปแบบ BIPOLAR ในทางทฤษฎกระแสไบแอสแตละอนพทจะตองเทากน ดงนน 1R // 2R (ตวตานทานทตอกบขา INVERTING INPUT) จงเทากบ 3R // 4R (ตวตานทานทตอกบขา NONINVERTING INPUT) ดงสมการ

Vref = intV4R3R

4R

(2.6)

จากทกลาวมาแลว ถาเลอก 3R = 4R = 10k ดงนนจากสมการจะได 3R // 4R = 5k เพอแกสมการหาคา ( 1R + 2R )/ 2R

2R1R

2R1R

= 4R//3R (2.7)

29

แทนสมการเพอหาคาของตวตานทาน 1R

Vout = refV4//R3R

R1 (2.8)

R1 = 4R//3RrefVoutV

(2.9)

เมอทราบคาของตวตานทาน 1R แลวในทสดกจะสามารถหาคาของตวตานทาน 2R ไดจากการแกสมการ ส าหรบพลสทใชในการสวตชงนน ถกสรางจากความตานทาน tR และตวเกบประจ tC ทตออยกบขา 6 และ 7 ตามล าดบกบกราวด ความถออสซลเลเตอรทใชส าหรบไอซเบอร CA 3524 อยในยานตงแต 10 ถง 100Hz โดยมสตรหาความถออสซลเลเตอรดงน

fose =

TCTR1 (2.10)

คาของความตานทาน TR เลอกใชประมาณ 10 k และตวเกบประจอยในยาน 0.001 ถง 0.1μF ทขา 3 จะเปนเอาทพทของพลสทความถออสซลเลเตอร ส าหรบท างานรวมกบเรกกเลเตอรตวอนไอซเบอร CA 3524 ยงมการจ ากดกระแส (Current limiting) ตวตานทานตรวจจบ senseR จะตออนกรมกบเอาทพ ทของเรกกเลเตอร แรงดนทตกครอมตวตานทานนจะถกสงเขาไปในวงจรจ ากดกระแส (Current limiting circuit) ทอยภายใน ไอซเบอร CA 3524 โดยผานทขา 4 และขา 5คาของตวตานทาน senseR หาไดจาก

Rsense = maxoutI

geSenseVolta (2.11)

คาแรงดน Sense Voltage ของไอซเบอร CA 3524 จะเทากบ 200 mv แตถาไมมการตรวจจบในเรองการจ ากดกระแสกจะตอขา 4 กบขา 5 ลงกราวด ขา 9 ใชส าหรบการชดเชย (COMPENSATION) ในทางปฏบตจะตอตวตานทาน 47 k อนกรมกบตวเกบประจ 0.001μF และลงกราวดส าหรบขาสดทายของไอซเบอร CA 3524 ทจะกลาวตอไปกคอขา 10 มชอวา SHUT DOWN ถาขานตอลงกราวนดจะท าใหเรกกเลเตอรหยดท างาน

30

ตวเหนยวน าและตวเกบประจจะใชสมการตอไปนในการค านวณหาคา

L =

oscfinVoutIoutVinVout2.5V

(2.12)

และ

C = oscfrippleVout0.01768I

(2.13)

ในทางปฏบตจะเลอกใชคาตวเกบประจสงกวาคาทค านวณเลกนอย

31

บทท 3

การออกแบบโครงงาน

แหลงจายไฟตรงแบบสวตชง 1 เอาทพทโดยใชไอซเบอร ( CA 3524 ในการควบคมแรงดนแบบ PWM ) ใหไดแรงดนเอาทพท 100V 10Aจากแหลงจายไฟ ฟา 3 เฟสผานวงจรเรกตไฟเออรและวงจรฟลเตอรจะไดแรงดนอนพท 540 Vdc ก าหนดความถในการสวตชเทากบ 50 kHz

3.1 โครงสรางของวงจรควบคมส าหรบแหลงจายไฟแบบสวตชง

DC. SUPPLY 12 V .

R3

R4

12

345

67

89

10

11

1213

14

1516

CA 35

24

R1

R2

RT

CT

RC

CC

R5 R6

SD VINVREFNIINVOSCRTCT

COMP GNDCL-CL+EBEACBCA

Feed back

ภาพท 3.1 ภาพแสดงการท างานของวงจรควบคมและรปสญญาณ จากการท างานของ วงจรควบคมของคอนเวอรเตอร ดงแสดงในภาพท 3.1 เปนการควบคมแรงดนแบบ PWM คอ สามารถรกษาระดบแรงดนใหมความคงท เพราะมการปอนกลบ

32

ระดบแรงดนจากเอาทพทมาใชในการควบคม ทางกลมไดเลอกใชไอซเบอรCA 3524 เพอ ควบคมแรงดนแบบ PWM หลกการท างานเมอไดรบแรงดนไฟเลยงจากชดซพพลาย12 V (เขาทขา15และขา8ตอลงกราวนด) CT จะเปนสญญาณ Saw Tooth และทCA ,CB จะเปนสญญาณพลสแตเนองจากสญญาณพลส ยงไมไดกลบเฟสซงจะอธบายตอในวงจรหลงจากน

3.1.1 ค านวณการออกแบบวงจรควบคม ท าการออกแบบชดควบคม ( PWM )โดยพจารณาจากภาพท 3.2 เพอเลอกคาตวตานทาน และคาปาซเตอรทเหมาะสมจากการก าหนดของผผลต ( TR = 10 k )

210310 410101

510

TC = 0.02μF

TC = 0.05μF

TC = 0.1μF

TC = 0.01μF

TC = 0.005μF

TC = 0.002μF

TC = 0.001μF

μS

o+25 C

310

410

TA =V+ = 8V-40V

OSCILLATOR PERIOD , t ( )

TIMIN

G RE

SISTA

NCE ,

RT(

)

ภาพท 3.2 แสดงกราฟเปรยบเทยบเพอพจารณาหาคาตวตานทานและคาปาซเตอร เมอไดคาตวตานทานทเหมาะสมจากนนกแกสมการเพอหาคาของคาปาซเตอร ( TC )

TC = TfR

1 = )1010)(10100(

133

= 0.001 μF (3.1)

ดงนนเลอกคาของคาปาซเตอรขนาดมาตรฐานเทากบ 0.001 μF ก าหนดคา kΩ10RR 43 เพอจดแรงดนอางอง refV ทNI (ขา2)ใหเทากบ 2.5 V และพจารณา 1R และ 2R ใหได refV ทINV (ขา 1) = 2.5 V เชนกน โดยใชสมการ

33

1R = 43

ref

out //RRV

V (3.2)

= kΩ5

5.2

100

= 200 kΩ

และหาคา 2R จากสมการ

21

21

RR

RR

= 43//RR (3.3)

21 R

1

R

1 =

kΩ5

1 (3.4)

2R

1 = 1R

1

kΩ5

1 (3.5)

2R

1 = kΩ200

1

kΩ5

1

2R = 12.5 kΩ เลอกคาตวตานทานมาตรฐาน 1R = 200 kΩ และคา 2R = 5.1 kΩ และใชวงจรชดเชยมาตรฐานโดยใช CR = k47 และ CC = 001.0 μF

34

3.2 โครงสรางของวงจรเลอนเฟส

+ 5V

+ 5V

+ 5V

1

2

23 4

4

5

6

7

810

9

101112

12

15

13

14HD74LS73

HD74LS73J

J

CLKK

K

Q

Q

Q

Q

+ 5V

+ 12V

1

357

8

911

1314

16

IC 14504

VCCMODE

GND

VCCAIBICIDIEIFI

AOBOCODOEOFO

+ 5V6

CLK

IC 14049

IC 14049

IC 14049

IC 14049

IC 14049

IC 14049

IC 14049

IC 14049

+ 12V+ 12V + 12V

IC 14049

IC 14049

IC 14049

IC 14049

IC 14081 IC 14081

IC 14081IC 14081

1

23

8

7 6

89

10

7 6

1

3

8

221

714

3

11

11

12

12

5

5

4

4

9

14

10

15

1213 11 9 10

14 15

56 4

2

2

3

3

3

3

1

1

IC 14081

IC 14049

1

23

3 2

3

2

2

3

2

2

2

22

2

ภาพท 3.3 ภาพแสดงการท างานของวงจรเลอนเฟสและรปสญญาณ

ในสวนนนนจะเปนการจดสญญาณ สญญาณอนพทของวงจรสวนนจะรบมาจากวงจรควบคมทใชไอซเบอร CA3524 สญญาณจะสงตอทไอซเบอร 14081 เพอรวมกนของสญญาณทไดแลวท าการสรางสญญาณกลบเฟส (ดวยไอซเบอร 14049) เพอสงตอไปยง JK flip-flop (ทง2 ตวใชไอซเบอร HD74LS ) สวนสญญาณทออกจะสงไปยงไอซยกระดบแรงดน (ไอซเบอร14504 )ตอไปยงสวนของ RC time-constant เปนตวสรางสญญาณรปเอกซโปแนนเชยล โดยใชตวตานทานทปรบคาได ( มคา 5k ) และตวเกบประจขนาด 1nF สญญาณทไดจะมการเลอนเฟสมากนอยเพยงใด สามารถปรบทตวตานทานปรบคาได สญญาณทไดจากการเลอนเฟสนจะถกสงตอไปยง

35

ไอซเบอร14049 เพอกลบสญญาณและลกษณะการตอจะน าเกตมาขนานกนโดยใชไอซเบอร 14081เพอเปนการเพมกระแสทจะไปตอกบสวนตอไป

3.3 โครงสรางของวงจรขบเพาเวอรมอสเฟท

SS1 , S2 , S3 , S4

+ 12 v

2N3904

2N3906IRFD113

IRFD113

GC1

C2

R1

R2D1

D2

ภาพท 3.4 ภาพแสดงการท างานของวงจรขบเพาเวอรมอสเฟท

วงจรขบเพาเวอรมอสเฟทจะรบสญญาณจากวงจรเลอนเฟส สญญาณทไดจะผานเขาขาเบสของทรานซสเตอรเบอร 2N 3904 และ เบอร2N 3906 ทตอกนในลกษณะพชพล สญญาณทไดจะคปปลงผานคาปาซเตอร (C2 ซงมขนาด 100 nF ชนดไมลา ) และจะใชในการขบมอสเฟทใหน ากระแสดวยการตออนกรมหมอแปลงแกน EE19-16 (มดานไพรมาร32รอบและพนดานเซคนดาร64รอบ) และสญญาณทไดจากดานเซคนดาร จะผานมอสเฟทเบอร IRFD 113 จากนนจะถกสงตอเขาขาเกตของมอสเฟท ท าใหมอสเฟทน ากระแส ดงแสดงในรปท 3.3

36

3.4 โครงสรางของวงจรเพาเวอรสวนอนพทและเอาทพท

RL

Feed back

S1

S2

S3

S4

C out put

L out put

D. C 540 V +

D. C 540 V -

IRFP450

IRFP450

IRFP450

IRFP450

RST

3 380

R 39k

R 39k

Fuse

Switch

Bridge DiodeC

Fμ1000

Rchart

VMUR 3060

ภาพท 3.5 ภาพแสดงการท างานของวงจรเพาเวอรสวนอนพทและเอาทพท

วงจรก าลงไดรบไฟฟา 3 380 V แลวท าการเรกตไฟเออรแลวท าการกรองสญญาณดวยคาปาซเตอรจะไดแรงดน 540 Vdc และท าการแบงครงแรงดนโดยใชตวตานทาน (39 k ) 2ตวท าใหแบงแรงดนเปน 275 Vdc ใหการเรมตนการท างานไดมการลดกระแสเรมตนโดยการใชตวตานทานชารจเพอจ ากดกระแสไมใหสง อกทงออกแบบการปองกนกระ แสสงดวยฟวส ในขณะท างานจะมการตอผานคาตวตานทานดวยสวตช

แรงดนทไดจากชดเรกตไฟเออรจะจายใหกบคอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบโดยคอนเวอรเตอรจะสรางสญญาณคาบความถสง จายใหกบหมอแปลงความถสงในการออกแบบหมอแปลงความถสงจะกลาวในบทตอไป แรงดนทออกจากหมอแปลงความถสงจะถกเรกตไฟเออรโดยวงจรบรดจทใชไดโอดแบบ(Ultra-fast) ท าการกรองสญญาณโดยวงจร LC ซงจะออกแบบในล าดบตอไป

37

3.4.1 ค านวณการออกแบบหมอแปลงความถสง การค านวณหาคาอปกรณตางๆ ในวงจรคอนเวอรเตอรจะพจารณาจากสมการตางๆ โดยจะท าการพจารณาเลอกขนาดของแกนเฟอรไรตเปนอนดบแรก ซงการใชแกนเฟอรไรตทมขนาดใหญเกนไปส าหรบหมอแปลงสวตชง จะเปนการสนเปลองคาใชจายโดยไมจ าเปน สวนการใชแกนเฟอรไรตทมขนาดเลกเกนไป ขดลวดและแกนเฟอรไรตจะรอน โดยทก าลงงานสงสดทเหมาะสมส าหรบแกนเฟอรไรตขนาดตางๆ จะพจารณาไดจากขนาดหนาตดของแกน (

eA ) และ ขนาดชองส าหรบพนขดลวดของบอบบน ( wA ) โดยค านวณไดจากสมการดงน

P = 3we(max)10

D

AAfΔB1.4

(3.6)

โดยท (max)ΔB = คาความหนาแนนฟลกซสงสดในแกนเฟอรไรต (Gauss: G) f = คาความถการท างานของแกนเฟอรไรต ( HZ ) eA = พนทหนาตดของแกนเฟอรไรต ( Cm2 ) wA = พนทชองส าหรบพนขดลวดของบอบบน ( Cm2 ) D = คาความหนาแนนกระแสในขดไพรมาร ( Cm /A ) P = ก าลงงานสงสดทไดจากแกนเฟอรไรต (Watt: W) ท าการยายสมการเพอพจารณาหาขนาดแกนเฟอรไรต ( wAAe ) จะได

wAAe = 3

(max)

10fΔB1.4

PD (3.7)

เมอ ก าหนดคา (max)ΔB ไวท 1200 G ความถสวตช 50 kHz ก าลงงานทางดานเอาทพท 1000 W และก าหนดคาความหนาแนนกระแสในขดไพรมาร (D) ไวท 500 Cm /A

จะได we AA = 3

310

105012004.1

5001000

= 5.952 (3.8)

38

น าคา we AA ทไดมาเทยบหาขนาดของแกนเฟอรไรตจาก ตวอยางขนาดมาตรฐาน

ของแกนเฟอรไรตแบบตางๆ ดงแสดงในตารางท 3.1 โดยน าคา eA และ wA มาตรฐานของแกน

เฟอรไรตแตละแบบมาคณกนใหไดคา เทากบหรอมากกวาคาของwe AA ทค านวณได

ตารางท 3.1 แสดงตวอยางขนาดมาตรฐานของแกนเฟอรไรตแบบ EE, EI และ ETD

CORE TYPE Ae (cm2) Aw (cm2) Ve (cm3) e (mm) ETD 34 0.971 1.220 7.64 78.6 ETD 39 1.250 1.740 11.50 92.2 ETD 44 1.740 2.130 18.00 103.0 ETD 49 2.110 2.710 24.20 114.0 ETD 59 3.684 3.684 51.20 139

CORE TYPE Ae (cm2) Aw (cm2) Ve (cm3) e (mm) EE 20/20/5 0.31 0.35 1.34 43.0 EE 30/30/7 0.59 0.78 4.00 66.9 EE 42/42/15 1.82 1.78 17.6 97.0 EE 42/42/20 2.36 1.78 23.1 97.4 EE 42/54/20 2.36 2.40 28.8 122.0 EE 42/66/20 2.36 3.40 34.5 143.0 EE 55/55/21 3.54 2.50 43.7 123.0 EE 55/55/25 4.20 2.50 52.0 123.0 EE 65/66/27 5.32 3.93 78.2 147.0

39

ตารางท 3.1 (ตอ)

CORE TYPE Ae (cm2) Aw (cm2) Ve (cm3) e (mm) EI 19 0.24 0.517 0.950 39.6 EI 22/19 0.41 0.440 1.630 39.3 EI 25/19 0.42 0.819 2.02 48.6 EI 28/20 0.85 0.725 4.11 48.4 EI 30/26 1.11 0.791 6.45 58.1 EI 35/29 1.21 1.36 8.18 67.6 EI 40/35 1.48 1.08 11.3 76.9 EI 50/42 2.30 1.70 21.8 94.6 EI 60/44 2.48 2.94 27.2 109.7

Ae = ขนาดพนทหนาตดแกนเฟอรไรต Aw = ขนาดพนทชองพนขดลวดของบอบบน Ve = ปรมาตรของแกนเฟอรไรต e = ระยะทางเดนฟลกซแมเหลกในแกนเฟอรไรต จากตารางท 3.1 สามารถเลอกชนดและขนาดแกนเฟอรไรตไดดงน ชนดของแกนเฟอรไรต

คา we AA ทค านวณไดจากตารางท 3.1

คา we AA ทค านวณได

ก าลงงานทไดจากแกน (Watt)

P =3we(max)

10D

AAfΔB1.4

EI 60/44 ETD 59 EE 42/66/20 EE 55/55/21

7.2912 13.54 8.024 8.85

5.952

1224 2376 1348 1486

40

โดยในโครงงานนทางกลมไดเลอกใชแกนเฟอรไรตชนด ETD 59 โดยมคา eA = 3.684

และคา wA = 3.684 ท าการออกแบบหมอแปลงโดยพจารณาทขดลวดดานทตยภมใหเอาทพท 1000 W แรงดนเอาทพท 100 V มแรงดนอนพท 540 Vdc ก าหนดความถในการสวตช 50 kHz จากสมการ

SVPV

= SNPN

(3.9)

เมอ PV = แรงดนขดลวดปฐมภม, V SV = แรงดนขดลวดทตยภม, V PN = จ านวนรอบขดปฐมภม SN = จ านวนรอบขดทตยภม พจารณาทขดลวดทตยภมใหเอาทพท 1000 วตต แรงดนเอาทพท 100 V 10 A มแรงดนอนพท 540 Vdc เลอกสดสวนการพน SP /NN โดยพจารณาจาก

– คาบเวลาการท างาน T

T = f

1 = 31050

1

= 61020 วนาท (3.10)

– ก าหนดคา on(max)t (โดยก าหนดคา Dead Time = 40%) on(max)t = T0.4 = 610204.0 = 6108 วนาท (3.11) – ก าหนดอตราสวนจ านวนรอบ ( SP /NN )

จาก S

P

N

N = )

2T)(V(V

t]V2

V[

Do

on(max)CE(sat)

in(min)

(3.12)

41

= )

2

1020)(3100(

)108)(52

540(

6

6

= )1020)(103(

2)108(2656

6

ดงนน S

P

N

N = 2.05

– ก าหนดจ านวนรอบ PN

PN = 8

e(max)

on(max)CE(sat)

in(min)

10AB

t]V2

V[

(3.13)

= 8

6

10)684.3)(1200(

)108)(12

540(

= 48.6 หรอประมาณ 49รอบ – จะไดจ านวน SN จาก

S

P

N

N = 2.05

ดงนน SN = 05.2

N P = 05.2

49 = 23.90

เพมรอบ 50% = 23.90 1.5 35.85 หรอประมาณ 35 รอบ

42

3.4.2 ค านวณหาขนาดของเสนลวดทใชพนหมอแปลง ขนตอนตอไปนท าการค านวณหาขนาดของลวดทองแดง โดยก าหนดคาความหนาแนนกระแส D ไวท 1000 เซอรคลารมลตอหนงแอมป(Cm/A)

พจารณากระแสดานเขา

Iin = 3.7A270

1000inVP

(3.14)

ดงนน ทกระแส 1A = 0.304 ใชขดลวดตวน าขนาด 0.304 mm2 ทกระแส 3.7 A = 0.304 ใชขดลวดตวน าขนาด 248.1304.07.3 mm2 จะได ดาน NP = 49 รอบ กระแส 3.7A ใชขดลวดตวน าขนาด = 1.248 mm2 ฉะนนจะตองใชลวดทองแดง AWG เบอร20 มพนทหนาตด = 0.519 mm2

จากตารางท 3.2 จะตองใชขดลวดทองแดงพนดานปฐมภมกเสน 519.0248.1 = 2.404 2

เพราะฉะนนดานปฐมภมใชขดลวดทองแดงพน 49 รอบ โดยใชขดลวดทองแดง 2 เสนพนรวมกน พจารณากระแสดานออก

Iout = 10A 100

1000 outVP

(3.15)

ดงนน

ทกระแส 1A = 0.304 ใชขดลวดตวน าขนาด 0.304 mm2 ทกระแส 10A = 3.04 ใชขดลวดตวน าขนาด 10 0.304 = 3.04 mm2 จะได ดาน NS = 35 รอบ กระแส 10A ใชขดลวดตวน าขนาด = 3.04 mm2 ฉะนนจะตองใชลวดทองแดง AWG เบอร20 มพนทหนาตด = 0.519 mm2

จากตารางท 3.2 จะตองใชขดลวดทองแดงพนดานทตยภมกเสน 519.0

04.3 = 5.858 6

เพราะฉะนนดานทตยภมใชขดลวดทองแดงพน 35รอบ โดยใชขดลวดทองแดง 6 เสนพนรวมกน

43

ตารางท 3.2 แสดงขนาดมาตรฐาน AWG และขอมลอนๆของลวดทองแดง

เบอร A W G (B.& S.)

ขนาดเสนผาน

ศนยกลาง(d )

inch mm

ขนาดเสนผานศนยกลางเมอรวมฉนวน

do mm

พนทหนาตดปกต

2mm

คาความตานทาน

ท100 C (Rdc)

Ω/m

ระยะชดตาสด

( mint )

mm

44 0,00198 0,0503 0,06604 0,00199 11,180 0,071

43 0,00222 0,0564 0,07366 0,00250 8,899 0,079

42 0,00249 0,0633 0,08128 0,00314 7,073 0,087

41 0,00280 0,0711 0,09144 0,00397 5,594 0,098

40 0,00314 0,0798 0,1041 0,00500 4,448 0,111

39 0,00353 0,0897 0,1143 0,00631 3,519 0,122

38 0,00397 0,1008 0,1295 0,00799 2,783 0,138

37 0,00445 0,1130 0,1448 0,01003 2,215 0,154

36 0,00500 0,1270 0,1626 0,0127 1,754 0,172

35 0,0056 0,1422 0,1778 0,0159 1,398 0,188

34 0,0063 0,1600 0,1981 0,0201 1,105 0,209

33 0,0071 0,1803 0,2235 0,0255 0,8700 0,236

32 0,0080 0,2032 0,2489 0,0324 0,6853 0,261

31 0,0089 0,2261 0,2743 0,0401 0,5537 0,287

30 0,0100 0,2540 0,3048 0,0507 0,4386 0,319

29 0,0113 0,2870 0,3404 0,0647 0,3435 0,356

28 0,0126 0,3200 3,3759 0,0804 0,2762 0,393

27 0,0142 0,3607 0,4191 0,1022 0,2175 0,438

26 0,0159 0,4039 0,4699 0,128 0,1735 0,491

25 0,0179 0,4547 0,5232 0,162 0,1369 0,547

24 0,0201 0,5105 0,5817 0,205 0,10860 0,608

23 0,0226 0,5740 0,6502 0,259 0,08586 0,679

22 0,0253 0,6426 0,7214 0,324 0,06852 0,754

21 0,0285 0,7239 0,8052 0,412 0,05399 0,841

20 0,0320 0,8128 0,8966 0,519 0,04283 0,937

19 0,0359 0,9119 1,003 0,653 0,03403 1,048

18 0,0403 1,024 1,118 0,823 0,02700 1,168

17 0,0453 1,151 1,247 1,040 0,02137 1,303

16 0,0508 1,290 1,389 1,308 0,01699 1,452

15 0,0571 1,450 1,557 1,652 0,01345 1,627

14 0,0641 1,628 1,737 2,082 0,010670 1,815

13 0,0720 1,829 1,943 2,627 0,008460 2,030

12 0,0808 2,052 2,172 3,308 0,006717 2,270

11 0,0907 2,304 2,431 4,168 0,005331 2,540

10 0,1019 2,588 2,720 5,261 0,004224 2,842

44

ขนตอนตอไปเปนการออกแบบตวเหนยวน า และตวเกบประจทางดานเอาทพท โดยทแรงดนเอาทพท 100 V 10 A และแรงดนเอาทพทรปเปลไมเกน 4V ค านวณหาคาตวเหนยวน า L

L = fVI

)V(VV2.5

inout

outinout (3.16)

= 3105054010

)100540(1005.2

= μH04.407 ค านวณหาคาตวเกบประจ C

C = frippleVoutI0.01768

(3.17)

= )310(504

100.01768

= 884.0 μF

45

DC. SUPPLY 12 V .

12

345

67

89

10

11

1213

14

1516

CA 35

24

1234567 8

91011121314

11

13141

23456

89

7

10

12IC 14

081IC

14049

11

13141

23456

89

7

10

12

IC 14

049IC

14049

IC 14

504

HD74L

S

IC 14

081

11

1314

123456

8 97 10

12

1516

11

1314

123456

8 97 10

12

1516

11

1314

123456

8 97 10

12

1516

11

1314

123456

8 97 10

12

1516

S1

S2

S3

S4

Feed back

R1

R2R3

R4RT

CT

RC

CC

R5 R6

SD VINVREFNIINVOSCRTCT

COMP GNDCL-CL+EBEACBCA

R7 R8

R9 R10

C1 C2

C3 C4

ภาพท 3.6 แสดงวงจรสวตชงเรกกเลเตอรโดยใชไอซเบอร CA 3524 รวมกบมอสเฟทภายนอกขบหมอแปลงทมแทปกลาง

46

RL

Feed back

S1

S2

S3

S4

C out put

L out put

D. C 540 V +

D. C 540 V -

S1

+ 12 v

+ 12 v

+ 12 v + 12 v

S2

S3 S4

2N3904

2N3904

2N3904 2N3904

2N3906

2N3906

2N3906

2N3906

IRFD113

IRFD113

IRFD113

IRFD113

IRFD113

IRFD113

IRFD113

IRFD113

IRFP450

IRFP450

IRFP450

IRFP450

ภาพท 3.6 (ตอ)

47

บทท 4

การทดลองและผลการทดลอง 4.1 รปสญญาณต าแหนงตางๆ ของชดวงจร DC to DC Converter ในหวขอน น าเสนอสญญาณต าแหนงตางๆในแตละสภาวะ จากวงจรในภาพท 3.6 โดยน าเสนอไวในบทกอนหนาน จากภาพท 4.1 เปนรปคลนสญญาณ Saw Tooth ของไอซเบอร CA 3524 ท าการวดสญญาณทขา CT (ขา 7) จะเหนวามความถสวตชง 100 kHz มความสงประมาณ 3.5 V แสดงวา ไอซ PWM ท างานปกต

ภาพท 4.1 แสดงรปคลนสญญาณ Saw Tooth

48

จากภาพท 4.2 เปนรปคลนในลกษณะสญญาณ Pulseจากไอซเบอร CA 3524 ทออกจาก CA (ขา 12) และ CB (ขา13)

ภาพท 4.2 แสดงรปคลนสญญาณ Pulse ทออกจาก CA และ CB จากภาพท 4.3 เปนรปคลนสญญาณ Pulse จากไอซเบอร CA 3524 ทออกจากCA และCB รวมสญญาณผานแอนเกท(ไอซเบอร 14081)และอนเวรด(ไอซเบอร 14049)โดยวดสญญาณทขา 2(ไอซเบอร 14049) และขา 3(ไอซเบอร 14081)

ภาพท 4.3 แสดงรปคลนสญญาณการแอนและการอนเวรด

49

จากภาพท 4.4 เปนรปคลนสญญาณทผานแอนเกท(ขา3ไอซ เบอร 14081)และอนเวรด(ขา 2ไอซเบอร 14049)เขา J-K FLIP-FLOPS (ไอซเบอรHD 74LS) แบบTTL รปสญญาณ จะมแรงดน5V และ มการกลบเฟส ขอบดานหนาและขอบดานหลงจะตรงกนโดยท าการวดสญญาณทขา12 และขา 7(ไอซเบอรHD 74LS) ภาพท 4.4 แสดงรปคลนสญญาณของ J-K FLIP-FLOPS จากภาพท 4.5 เปนรปคลนสญญาณของ J-K FLIP-FLOPS (ไอซเบอร HD74LS) แบบTTL แสดงรปสญญาณการกลบเฟสและจะมการเลอนเฟส โดยท าการวดสญญาณทขา9และ ขา8 ภาพท 4.5 แสดงรปคลนสญญาณ J-K FLIP-FLOPS ทมการเลอนเฟส

50

จากภาพท 4.6 เปนรปคลนสญญาณ J-K FLIP-FLOPS(ไอซเบอร HD74LS) จากรปสญญาณจะมการเลอนเฟส โดยท าการวดสญญาณทขา10และ ขา9 ภาพท 4.6 แสดงรปคลนสญญาณ J-K FLIP-FLOPS ทมการเลอนเฟส จากภาพท 4.7 เปนรปคลนสญญาณ การเปรยบเทยบกนระหวาง J-K FLIP-FLOPS และไอซยกระดบแรงดน(ไอซเบอร 14504) จากรปสญญาณทไดจะยกระดบแรงดนจาก 5V เปน 12V ภาพท 4.7 แสดงรปคลนสญญาณของไอซยกระดบแรงดน

51

จากภาพท 4.8 เปนรปคลนสญญาณของไอซยกระดบ แรงดน (ไอซเบอร 14504)ใน การกลบเฟสทดานขาออก โดยท าการวดสญญาณเปรยบเทยบอางองจากจดเดมจากภาพท 4.7 ภาพท 4.8 แสดงรปคลนสญญาณของไอซยกระดบแรงดนในการกลบเฟส จากภาพท 4.9 เปนรปคลนสญญาณของไอซยกระดบ แรงดน (ไอซ เบอร 14504 ขา2)เปรยบเทยบกบไอซเลอนเฟส(ไอซเบอร 14049 ขา6) โดยจะมการเลอนเฟสอยางชดเจน ภาพท 4.9 แสดงรปคลนสญญาณของไอซยกระดบแรงดนในการเลอนเฟส

52

จากภาพท 4.10 เปนรปคลนสญญาณในการเปรยบเทยบไอซยกระดบแรงดน (ไอซเบอร14504) กบไอซเลอนเฟ ส(ไอซ เบอร 14049)ใน การกลบเฟสของสญญาณจะมการเลอนเฟ สไปทางซายโดยท าการวดสญญาณทขา2(ไอซเบอร 14504)และขา12(ไอซเบอร 14049) ภาพท 4.10 แสดงรปคลนสญญาณในการเลอนเฟส จากภาพท 4.11 เปนรปคลนสญญาณ ของไอซยกระดบ แรงดน (ไอซเบอร 14504)และไอซเลอนเฟส(ไอซเบอร 14049) จากรปสญญาณจะอนเวรดกนแตจะมความเรยบทไมเหมอนกนเพราะมการสญเสยใหกบ RC time-constant ทตออย ภาพท 4.11 แสดงรปคลนสญญาณทมการสญเสยใหกบ RC time-constant

53

จากภาพท 4.12 เปนรปคลนสญญาณของไอซเลอนเฟ ส(ไอซเบอร 14049) ทไดรบการอนเวรดมาสองครง โดยท าการวดสญญาณท ขา2และ ขา6 ภาพท 4.12 แสดงรปคลนสญญาณของไอซเลอนเฟสทอนเวรดสองครง จากภาพท 4.13 เปนรปคลนสญญาณเปรยบเทยบทผาน การอนเวรดจากไอซเลอนเฟ ส (ขา10ของไอซเบอร 14049) และแอนเกท (ขา11ของไอซเบอร 14081) ภาพท 4.13 แสดงรปคลนสญญาณของไอซเลอนเฟสและแอนเกท

54

จากภาพท 4.14 เปนรปคลนสญญาณทออกจากไอซแอนเกท (ไอซเบอร 14081) โดยทคสญญาณทออกมาจะมการกลบเฟส โดยท าการวดสญญาณท ขา11และ ขา10 ภาพท 4.14 แสดงรปคลนสญญาณทมการกลบเฟสของไอซแอนเกท

จากภาพท 4.15 เปนรปคลนสญญาณทออกจากแอนเกท (ไอซเบอร 14081)ทขา11และขา4 แสดงดงรป(a) ทขา11และขา3 แสดงดงรป(b) ซงจะเหนไดวา มการเลอนเฟสอยางชดเจน (a) แสดงรปสญญาณเลอนเฟส (b)แสดงรปสญญาณเลอนเฟส ภาพท 4.15 แสดงรปคลนสญญาณการเลอนเฟสจากแอนเกท

55

จากภาพท 4.16 เปนรปคลนสญญาณเอาทพทจากวงจรควบคมและรปคลนสญญาณจากขาเกทของวงจรขบเพาเวอรมอสเฟท ภาพท 4.16 แสดงรปคลนสญญาณของวงจรควบคมและวงจรขบเพาเวอรมอสเฟท

จากภาพท 4.17 เมอน ารปคลนสญญาณทแตกตางกน จากวงจรขบเพาเวอรมอสเฟทและสญญาณทไดจากขาเกทของมอสเฟท แตละตวนนจะแสดงดงภาพ (a) รปสญญาณขบมอสเฟทตวท2และ3 (b) รปสญญาณขบมอสเฟทตวท2และ4 (c) รปสญญาณขบมอสเฟทตวท1และ4 ภาพท 4.17 แสดงรปคลนสญญาณของมอสเฟท

56

จากภาพท 4.18 เปนรปคลนสญญาณ VDrain Source เทยบกบ VPrimary ในสภาวะโหลดตางๆ รปสญญาณของ VDrain Source และ VPrimary ทไดจะมลกษณะตรงกนขาม โดยในสภาวะโหลดนอยชวงเวลาการท างานของมอสเฟทจะสนและชวงการท างานจะกวางขนเรอยๆจนถงสภาวะ Full Load

(a) สภาวะ No Load (b) สภาวะโหลด 39.20

(c) สภาวะโหลด 20.16 (d) สภาวะโหลด 13.22

(e) สภาวะโหลด 10 ภาพท 4.18 แสดงรปสญญาณ VDrain Source เทยบกบ VPrimary ในสภาวะโหลดตาง ๆ

57

จากภาพท 4.19 เปนรปคลนสญญาณ VDrain Source เทยบกบ IPrimary ในสภาวะโหลดตางๆ โดยทชวงสภาวะ No Load สญญาณกระแสจะมคานอยมากและเมอท าการเพมโหลดจะเหนวารปสญญาณกระแสจะเพมขนตามสภาวะโหลดจนถงสภาวะ Full Load

(a) สภาวะ No Load (b) สภาวะโหลด 39.20

(c) สภาวะโหลด 20.16 (d) สภาวะโหลด 13.22 (e) สภาวะโหลด 10 ภาพท 4.19 แสดงรปสญญาณ VDrain Source เทยบกบ IPrimary ในสภาวะโหลดตางๆ

58

จากภาพท 4.20 เปนรปคลนสญญาณ VDrain Source เทยบกบ VSecondary ในสภาวะโหลดตางๆ จากรปคลนสญญาณ VSecondary จะมคลนสญญาณเพมขนไปตามสภาวะโหลด สวน VDrain Source จะมชวงการท างานของมอสเฟทไมเทากน

(a) สภาวะ No Load (b) สภาวะโหลด 39.20

(c) สภาวะโหลด 20.16 (d) สภาวะโหลด 13.22 (e) สภาวะโหลด 10 ภาพท 4.20 แสดงรปสญญาณ VDrain Source เทยบกบ VSecondary ในสภาวะโหลดตาง ๆ

59

จากภาพท 4.21 เปนรปคลนสญญาณ VPrimary เทยบกบ VSecondary ในสภาวะโหลดตางๆ จากรปคลนสญญาณ VPrimaryจะ มคาแรงดนเทากนสวน VSecondary จะมคลนสญญาณเพมขนไปตามสภาวะโหลด

(a) สภาวะ No Load (b) สภาวะโหลด 39.20

(c) สภาวะโหลด 20.16 (d) สภาวะโหลด 13.22

(e) สภาวะโหลด 10 ภาพท 4.21 แสดงรปสญญาณ VPrimary เทยบกบ VSecondary ในสภาวะโหลดตางๆ

60

ภาพท 4.22 เปนรปคลนสญญาณ VPrimary เทยบกบ IPrimary ในสภาวะโหลดตางๆ โดยทสภาวะ No Load สญญาณกระแสจะมคานอยมากและเมอท าการเพมโหลดจะเหนวารปสญญาณกระแสจะเพมขนตามสภาวะโหลดจนถงสภาวะ Full Load (a) สภาวะ No Load (b) สภาวะโหลด 39.20 (c) สภาวะโหลด 20.16 (d) สภาวะโหลด 13.22 (e) สภาวะโหลด 10 ภาพท 4.22 แสดงรปสญญาณ VPrimary เทยบกบ IPrimary ในสภาวะโหลดตาง ๆ

61

ตารางท 4.1 แสดงคาทไดตามสภาวะโหลดตางๆ

%Load

Pout (W)

Load R ( )

Vin (V)

Iin (A)

Pin (W)

Vout (V)

Iout (A)

% η

100

Pin

Poutx

No Load No Load No Load 562 0 0 100 0 0 % 25% 255 39.20 559 0.631 352.70 100 2.55 72 % 50% 496 20.16 556 1.057 587.68 100 4.96 84 % 75% 756 13.22 550 1.619 890.45 100 7.56 85 % 100% 1001 10 545 1.989 1084.05 100 10.01 92 %

จากภาพท 4.23 เปนกราฟการเทยบแรงดนอนพท Vin กบโหลดในสภาวะตางๆ จะเหนไดวาแรงดนอนพท ในสภาวะ No Load จะมแรงดน Vin = 562 V และเมอ มโหลดลดลง จนถงสภาวะ Full Load จะมแรงดน Vin = 545 V

545550556559562

0

100

200

300

400

500

600

No Load 39.2 20.16 13.22 10

ภาพท 4.23 กราฟแสดงคา Vin เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ

Load ( )

Vin (

V)

62

จากภาพท 4.24 เปนกราฟการเทยบกระแสอนพท Iin กบโหลดในสภาวะตางๆ จะเหนไดวาในสภาวะ No Load คาของ Iin จะนอยมาก และเมอมโหลดลดลงคา Iin จะเพมขนจนถงสภาวะ Full Load จะมคา Iin = 1.989 A จงจ าเปนตองเลอกขนาดของสายไฟฟาใหเหมาะสม

1.9891.619

1.0570.631

00

0.5

1

1.5

2

2.5

No Load 39.2 20.16 13.22 10

ภาพท 4.24 กราฟแสดงคา Iin เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ

จากภาพท 4.25 เปนกราฟการเทยบก าลงอนพท Pin กบโหลดในสภาวะตางๆ จะเหนไดวาในสภาวะ No Load คาของ Pin จะนอยมาก และเมอมโหลดทลดลง Pin จะเพมขนจนถงสภาวะ Full Load จะมคา Pin = 1084.05 W

1084.05

890.45587.68

352.70

0

500

1000

1500

No Load 39.2 20.16 13.22 10

ภาพท 4.25 กราฟแสดงคา Pin เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ

Load ( )

Load ( )

Iin (A

) Pi

n (W

)

63

จากภาพท 4.26 เปนกราฟการเทยบแรงดนเอาทพท Vout กบโหลดในสภาวะตางๆ จะเหนไดวาแรงดนเอาทพทจะมคาคงทอยในชวงจายโหลด เนองจากมการ feed back และเมอโหลดลดลงเรอยๆ จนถงสภาวะ Full Load แรงดนกจะมสภาวะคงท

100100100100100

0

50

100

150

No Load 39.2 20.16 13.22 10

ภาพท 4.26 กราฟแสดงคา Vout เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ

จากภาพท 4.27 เปนกราฟการเทยบกระแสเอาทพท Iout กบโหลดในสภาวะตางๆ จะเหน

ไดวากระแสเอาทพทจะมคาสงขนเมอมโหลดลดลง โดยคากระแสสงสดทไดมคา Iout = 10.01 A

10.017.56

4.962.55

00

5

10

15

No Load 39.2 20.16 13.22 10

ภาพท 4.27 กราฟแสดงคา Iout เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ

Load ( )

Load ( )

Vout

(V)

Iout

(A)

64

จากภาพท 4.28 เปนกราฟการเทยบก าลงเอาทพท Pout กบโหลดในสภาวะตางๆจะเหนไดวาเมอมโหลดลดลง ก าลงเอาทพทกจะเพมขนตามไปดวย ซงคา Pout ทไดจะมคามากขน

1001

756

496

2550

0

200

400

600

800

1000

1200

No Load 39.2 20.16 13.22 10

ภาพท 4.28 กราฟแสดงคา Pout เทยบกบสภาวะโหลดตางๆ

จากภาพท 4.29 เปนกราฟการเทยบคาประสทธภาพ (% η ) กบโหลดในสภาวะตางๆจะ

เหนไดวาประสทธภาพ เมอมการจายโหลดประมาณ 72 % หลงจากนนคาประสทธภาพจะ เพมขน เปนผลมาจากคาก าลงงานทางดานเอาทพทและอนพท

928584

72

00

20

40

60

80

100

No Load 39.2 20.16 13.22 10

ภาพท 4.29 กราฟแสดงคาประสทธภาพ (%η ) เทยบกบสภาวะโหลดตาง ๆ

Load ( )

Load ( )

Pout

(W)

ประสทธ

ภาพ (%

)

65

บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ

5.1 สรป ในการท างานของแหลงจายไฟแบบสวตชงทมก าลงสงนน นยมใชคอนเวอรเตอรแบบฟลบรดจ หรอกรณทมก าลงปานกลางจะใชคอนเวอรเตอรแบบฮาลฟบรดจ ซงทงสองคอนเวอรเตอรจะใชอปกรณสวตชท าการสวตชทแรงดนเทากบแรงดนไฟตรงดานอนพท เมอแรงดนอนพทมคามากขน เนองจากท าการกรองแรงดนจากไฟฟาสามเฟส ท าใหอปกรณสวตช จะตองถกเลอกใหมคณสมบตการทนแรงดนมากขน เพอทจะสามารถใชอปกรณสวตชทมการทนแรงดนขนาดทวไปได ซงมขายทวไปและราคาถก ท าใหโครงงานนเลอกใช คอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบเพอลดแรงดนทอปกรณสวตช โครงงานน ไดจดสรางแหลงจายไฟแบบสวตชงโดยใชวงจรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ ขนาด 1,000 วตต มความถ 50 kHz โดยไดเลอกใชไอซควบคมความกวางพลส ไอซเบอร CA 3524 Pulse width Modulated , PWM และเลอกใชมอสเฟททมขายทวไป เบอร IRFP 450 ซงการจดสรางแหลงจายไฟแบบสวตชง ทใชวงจรฮาลฟบรดจแบบสามระดบจะตองมวงจรอนๆประกอบมากกวาแหลงจายไฟแบบสวตชงทวไป เชนวงจรเลอนเฟสท าหนาทเลอนสญญา ณควบคมจาก PWM ใหเปนสญญาณขบสสญญาณเพอขบมอสเฟทแตละตว ในวงจรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ โดยทยง;รกษาสภาวะการน ากระแสพรอมกนของมอสเฟทเหมอนแหลงจายไฟแบบสวตชงธรรมดาและจะตองมการเลอกใชวงจรขบมอสเฟทดวยหมอแปลงความถสงขนาดเลก จากการออกแบบคอนเวอรเตอรฮาลฟบรดจแบบสามระดบ โดยคอนเวอรเตอรจะสรางสญญา ณความถสง เพอจะ จายใหกบหมอแปลงความถสง ในสวนของการออกแบบหมอแปลงความถสง จากการค านวณไดเลอกใชแกนเฟอรไรตชนด ETD 59 ใชลวดทองแดง AWG เบอร 20 และจ านวนขดลวดดานปฐมภมจ านวน 49 รอบโดยใชขดลวดทองแดง 2 เสนพนรวมกน และดานทตยภมจ านวน 35 รอบโดยใชขดลวดทองแดง 6 เสนพนรวมกน แรงดนทออกจาก หมอแปลงความถสงจะถกเรกตไฟเออรโดยวงจรบรดจทใชไดโอดแบบ Ultra-fast และท าการกรองสญญาณจากวงจร LC โดย L จะมคาเทากบ 407.40μHและ C มคาเทากบ 0.884μF เมอมการตอโหลดสามารถท าไดตามขอบเขตทโครงงานนไดก าหนดไวและสามารถรกษาสภาวะแรงดนคงทเมอมการจายโหลดสงสด

66

5.2 ขอเสนอแนะ - ขนาด ของขดลวดทองแดงทใชในการพนหมอแปลงความถสงควรเลอกใหเหมาะสมถามขนาดของขดลวดทองแดงทมขนาดเลกเกนไป จะท าใหหมอแปลงรอนและเสยหายได - ซงสทระบายความรอนใหกบตวมอสเฟทควรจะมขนาดใหญ เนองจากมอสเฟทจะมความรอนสงขณะทมอสเฟทท างาน - ลายวงจรและขวตอสายระหวางชด ฮาลฟบรดจแบบสามระดบ และหมอแปลง ความถสงควรมขนาดใหญเนองจากมกระแสสง

ขอเสนอแนะ (เพมเตม)

การหาซออปกรณตางๆ - อปกรณอเลกทรอนกส (ราน เวสเทค ถนน ลาดพราว ซอย 1) - แกนเฟอรไรต (หาซอไดท บานหมอพลาซา)

67

เอกสารอางอง

[1] สมบรณ มาลานนท , สมคด วรยประสทธชย “แหลงจายไฟแบบสวตชง ” หจก .ส านกพมพฟสกสเซนเตอร

[2] รศ.ดร.วรเชษฐ ขนเงน , วฒพล ธาราธรเศรษฐ “อเลกทรอนกสก าลง ” หจก .ส านกพมพ ว.เจ. พรนตง

[3] สวฒน ดน “เทคนคและการออกแบบ สวตชงเพาเวอรซพพลาย ” จดพมพโดย บรษท เอนเทลไทย จ ากด , 2538