Lecture_Boost Converter I

[Pompidou]

Boost Converter

รูปด้านล่างเป็นแนวคิด การต่อวงจร Boost Converter (วงจรทบแรงดัน)
ซึ่งทำหน้าที่แปลงระดับแรงดันอินพุตให้สูงกว่าแรงดันเอาต์พุต

แหล่งจ่ายอาจจะเป็น Solar Cell, Fuel Cell, Battery หรือแหล่งจ่ายไฟตรงอื่น ๆ

วงจร Boost Converter เป็นวงจรพื้นฐาน นักศึกษาต้องเข้าใจการทำงานของวงจรเป็นอย่างดี
และจะเป็นพื้นฐานเพื่อศึกษาการทำงานของวงจรอื่นๆ ที่ยากขึ้น หรือศึกษาวงจรที่ Advance อื่นๆ ด้วยตนเองในอนาคต
หรือแม้แต่คิดค้นพัฒนาวงจรขึ้นมาเองก็ได้

CLICK Link

การทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่อง (Continuous Conduction Mode:CCM)
มีสองสถานะคือ Switch ON (Closed) และ Switch OFF (Opened) แสดงดังรูปด้านล่าง


CLICK Link

[Pompidou]

วิธีการสวิตช์คือการควบคุมความกว้างของ Pulse ที่เราเรียกวิธีการนี้ว่า Pulse Width Modulation (PWM) แสดงแนวคิดการสร้างสัญญาณ PWM ดังรูปด้านล่าง


CLICK Link

หมายเหตุ: ไม่ได้มีใช้แต่เฉพาะวงจร Boost วงจร Switching อื่นๆ ในปัจจุบัน ก็ใช้วิธีการควบคุมการเปิดปิดสวิตช์แบบ PWM ทั้งหมด

วงจร Gate Drive ทำหน้าที่สองอย่างคือ
1). แปลงระดับไฟจากวงจรควบคุมไปขับขา Gate ของ Power Switch เช่นแปลงจาก Logic '1' => +15 V, Logic '0' => +0 V
2). แยก Ground จากวงจรควบคุมและวงจรกำลังออกจากกัน เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนและการลัดวงจร
หมายความว่า ถ้าไม่แยก Ground ระบบจะลัดวงจรมั่วไปหมดเลย

[Pompidou]

CLICK Link
จากสูตรด้านบนเราจะพบว่า ถ้า Switching Frequency fS สูงขึ้นค่า L และ C จะลดลง (ตัว L และ C จะตัวเล็กลง)

L จะกรองกระแส, ค่า L สูงขึ้นจะทำให้ Inductor Ripple Current ลดลง

C จะกรองแรงดัน, ค่า C สูงขึ้นจะทำให้ Output Ripple Voltage ลดลง

[Pompidou]

การจำลองการทำงาน (Simulation) มีโปรแกรมหลายตัวที่สามารถจำลองการทำงานของวงจร Power Electronics ได้
การ Simulation ใน Switching Power Electronics มี 3 Models คือ

1). Switching Model ซึ่งแสดงการทำงานเหมือนจริงทุกอย่าง
2). Averaged Model
3). Linear Model

ในที่นี้เราจะทำแต่ Switching Model ซึ่งมี Software Tool สำเร็จรูปหลายตัวเช่น
PSPICE, SABER, หรือ MATLAB/Simulalink/SimPowerSystems
ซึ่ง tool เหล่านี้คือหยิบตัว L, C, MOSFETs มาต่อ แล้วดูผลลัพธ์

ซึ่งเหมาะกับมือสมัครเล่น

ผมจะแสดงวิธีการสร้างสมการขึ้นมาเองจาก Switching State
(ซึ่งมืออาชีพเ [Professional] เขาทำกัน) ดังสมการด้านบนขณะ Switch ON/OFF

รูปด้านล่างเป็น Simulation Model ที่ทำใน MATLAB/Simulalink ของวงจร Boost Converter


CLICK Link


CLICK Link
.

[Pompidou]

CLICK Link


CLICK Link

[Pompidou]

วิธีการ run Program มี 3 step
1). run parameter
2). run Model ใน Simulink
3). run คำสั่ง Plot Graph

กำหนด Spec. ของวงจร Buck Converter ดังนี้
Input Voltage vS = 10 V
L = 500 uH
rL = 0.001 mOhm
C = 100 uF

Switching Frequency fS = 25 kHz
vPeak (vCarrier) = 10 V


Matlab Paramerter Code คือ

%Parameter for Boost Converter
%close all
fS = 25e3 %Switching Frequency [Hertz]
vPeak = 10 %Peak Volt of carrier signal [V]
L = 500e-6 %H
rL = 0.001e-3 %Ohm
C = 100e-6 %F



CLICK Link

ผลการจำลองการทำงานแสดงดังรูปด้านล่าง ที่ duty cycle คงที่ 50% (vCont = 5 V)
มีโหลดคือตัวต้านทานคงที่ R_Load = 4 Ohm

มี Matlab Code สำหรับ Plot กราฟคือ


t_min = 0
t_max = 0.005
figure(1)
subplot(2,1,1)
plot(time,iL,'red','LineWidth',3);
grid on;
ylabel('i_L [A]','FontSize',18);
axis ([t_min t_max 0 15]);

subplot(2,1,2)
plot(time,vO,'blue','LineWidth',3);
grid on;
ylabel('v_O [V]','FontSize',18);
xlabel('Time [s]','FontSize',18);
axis ([t_min t_max 0 25]);

t_min = 0.0048
t_max = 0.005
figure(2)
subplot(4,1,1)
plot(time,vCarrier,'magenta','LineWidth',3);
grid on;
ylabel('Modulation','FontSize',18);
axis ([t_min t_max -0.5 11]);
hold on
plot(time,vCont,'green','LineWidth',4);
axis ([t_min t_max -0.5 11]);

subplot(4,1,2)
plot(time,PWM,'black','LineWidth',5);
grid on;
ylabel('Switch [ON/OFF]','FontSize',18);
axis ([t_min t_max -0.2 1.2]);

subplot(4,1,3)
plot(time,iL,'red','LineWidth',3);
grid on;
ylabel('i_L [A]','FontSize',18);
axis ([t_min t_max 9.5 10.5]);

subplot(4,1,4)
plot(time,vO,'blue','LineWidth',3);
grid on;
ylabel('v_O [V]','FontSize',18);
xlabel('Time [s]','FontSize',18);
axis ([t_min t_max 18 22]);



CLICK Link

จากผลการ Simulation ด้านบน
จะสังเกตุเห็นได้ว่าก่อนการทำงานเรากำหนดให้ไม่มีพลังงานตกค้างใน L
แต่มีแรงดันตกค้างใน C ซึ่งคือ vO(0) = 10 V

วงจรมีค่า duty cycle คงที่ที่ 50% วงจรเริ่ม start โดยที่ iL ค่อยๆ เพิ่มขึ้น
จาก O A ขึ้นไปเรื่อยๆ จนถึงจุด Steady-State ที่ค่า iL(AV) = 10 A
เช่นเดียวกันแรงดันเอาต์พุต vO ค่อยๆ ชาร์จเพิ่มขึ้นจาก 10 V จนถึงค่า
vO(AV) = 20 V ที่ได้ค่านี้เพราะ D = 50% (20 V = 10/(1-0.5))

จากผลการคำนวณ Inductor Ripple Current = 0.4 A [=0.5*10/(500e-6*25e3)] ซึ่งเท่ากับผลการ Simulation
ส่วนผลการคำนวณ Output Ripple Voltage = 0.5 V [=0.5*10/(4*100e-6*25e3)] ซึ่งคลาดเคลื่อนจากผลการ Simulation
จงหาคำอธิบาย!!!!!!!!


แบบฝึกหัดที่ 1
จากผลการจำลองการทำงานของวงจรด้านบน เพื่อเข้าสู่ Steady-State วงจรใช้เวลาประมาณ 3.5 ms
ทำไมวงจรต้องใช้เวลา 3.5 ms ขึ้นอยู่กับตัวแปรอะไรบ้าง จงอธิบาย

[Pompidou]

เพื่อพิสูจน์ทฤษฎี จะทดลองปรับค่า L
สมการของ Boost Converter ถ้าค่า L ลดลงจะทำให้
Inductor ripple current เพิ่มขึ้น
จากการ Simulation ก่อนหน้านี้ค่า L = 500 uH
เราจะทดลองปรับค่า L ลดลงเป็น 250 uH ส่วน Parameter ตัวอื่นยังเท่าเดิม


กำหนด Spec. ของวงจร Buck Converter ดังนี้
Input Voltage vS = 10 V
L = 250 uH
rL = 0.001 mOhm
C = 100 uF

Switching Frequency fS = 25 kHz
vPeak (vCarrier) = 10 V
vCont = 5 V (d = 0.5)
R_Load = 4.0 Ohm

Matlab Paramerter Code คือ

%Parameter for Boost Converter
%close all
fS = 25e3 %Switching Frequency [Hertz]
vPeak = 10 %Peak Volt of carrier signal [V]
L = 250e-6 %H
rL = 0.001e-3 %Ohm
C = 100e-6 %F


มี Matlab Code สำหรับ Plot กราฟคือ

t_min = 0.0098
t_max = 0.01
figure(3)
subplot(2,1,1)
plot(time,iL,'red','LineWidth',3);
grid on;
ylabel('i_L [A]','FontSize',18);
axis ([t_min t_max 9.5 10.5]);

subplot(2,1,2)
plot(time,vO,'blue','LineWidth',3);
grid on;
ylabel('v_O [V]','FontSize',18);
xlabel('Time [s]','FontSize',18);
axis ([t_min t_max 18 22]);


ได้ผลการจำลองการทำงานดังรูปด้านล่าง สังเกตุได้ว่า
Inductor ripple current เพิ่มขึ้นจริงตามทฤษฎีและเท่ากับค่าที่คำนวณ

ส่วน Output ripple voltage ไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งเป็นอิสระจากค่า L



CLICK Link

[Pompidou]

เพื่อพิสูจน์ทฤษฎี จะทดลองปรับค่า C
จากสมการของ Boost Converter
ถ้าค่า C สูงขึ้นจะทำให้
Output ripple voltage ลดลง
แต่ไม่มีผลต่อ Inductor ripple current
จากการ Simulation ก่อนหน้านี้ค่า C = 100 uF

เราจะทดลองปรับค่า C สูงขึ้นเป็น 300 uF ส่วน Parameter ตัวอื่นยังเท่าเดิม

กำหนด Spec. ของวงจร Boost Converter ดังนี้
Input Voltage vS = 10 V
L = 500 uH
rL = 0.001 mOhm
C = 300 uF
Switching Frequency fS = 25 kHz
vPeak (vCarrier) = 10 V
vCont = 5 V (d = 0.5)
R_Load = 4.0 Ohm

มี Matlab Code คือ

%Parameter for Boost Converter
%close all
fS = 25e3 %Switching Frequency [Hertz]
vPeak = 10 %Peak Volt of carrier signal [V]
L = 500e-6 %H
rL = 0.001e-3 %Ohm
C = 300e-6 %F


ได้ผลการ Simulation ดังรูปด้านล่าง



CLICK Link

จากผลการ Simulation เราพบว่า ค่า C สูงขึ้น ทำให้ Output Ripple Voltage ลดลงจริง
และไม่มีผลต่อ Inductor Ripple Current