คอนเวอร์เตอร์แบบทบระดับแรงดันไฟตรง

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. คอนเวอร์เตอร์แบบทบระดบั แรงดนั ไฟตรงชนิดเหลอ่ื ม 4 เฟส 4-PHASE INTERLEAVED TECHNIUQE BOOST CONVERTER ผู้จดั ทำโครงงำน นำยกติ ตพิ ชิ ช์ เชำว์ดี นำยสมพร เดชหวังกลำง ท่ปี รึกษำโครงงำน ดร. วนั ชัย ทรัพย์สิงห์ 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. วตั ถุประสงค์ของโครงงำน ➢ ศึกษำหลกั กำรทำงำนของ DC Boost Converter ชนิดเหลอื่ ม 4 เฟส ➢ ศึกษำกำรออกแบบวงจร DC Boost Converter ➢ ศึกษำหลกั กำรควบคุมวงจร DC Boost Converter แบบเหลอื่ มเฟส ➢ ออกแบบ และสร้ำง DC Boost Converter ชนิดเหลอ่ื ม 4 เฟส พกิ ดั แรงดนั ขำเข้ำ 24VDC. แรงดนั ขำออกท่ี 60 VDC. โดยกำหนดให้ แรงดนั ตกขณะจ่ำยโหลดและแรงดนั เกนิ ขณะปลดโหลดไม่เกนิ 10% 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. ขอบเขตของโครงงำน ➢ ออกแบบและสร้ำงดีซีบูสต์คอนเวอร์เตอร์แบบขนำน 4 เฟส ➢ สำหรับประยุกต์ใช้กบั แหล่งจ่ำยไฟตรงขนำดแรงดนั ในระบบ 24 VDC และพกิ ดั กำลงั ไฟฟ้ ำไม่น้อยกว่ำ 1.2 kW ➢ ออกแบบและสร้ำงวงจร DC Boost Converterแบบเหลอื่ มเฟส จำนวน 4 เฟส พร้อมวงจรควบคุมกำรทำงำนของระบบ ➢ ทดสอบประสิทธิภำพกำรทำงำนของ Dc Boost Converter ชนิดเหลอ่ื ม 4 เฟส 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. ประโยชน์ท่คี ำดว่ำจะได้รับ ➢ มีควำมเข้ำใจในเหตุผล และหลกั กำรของวงจร DC Boost Converter ชนิดเหลอ่ื มเฟส (Interleaved Technique) เพอื่ เป็ นประโยชน์ในกำร ประยุกต์ใช้กบั แหล่งพลงั งำนทำงเลอื กอย่ำงเหมำะสม ➢ สำมำรถนำควำมรู้และผลงำนออกแบบทไ่ี ด้จดั ทำ เป็ นแหล่งพลงั งำน ให้กบั รถไฟฟ้ ำ หรือประยุกต์เพอ่ื ใช้กบั งำนอน่ื ๆ ทม่ี ีควำมต้องกำรใช้ แรงดนั ไฟตรงขนำด 60 V 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. DC Source PDC +DC BUS DC Load 24 V. 1.2 Kw. - VBUS 4-Phase Parallel Converter บลอ็ กไดอะแกรมของบูสต์คอนเวอร์เตอร์แบบขนำน 4 เฟส 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. ประกอบดว้ ย 2 ส่วนหลกั คือ 1. ส่วนของวงจรกำลงั ประกอบดว้ ยอุปกรณ์ดงั น้ี ➢ ตวั เหนี่ยวนำควำมถ่ีสูง iL + VL - ➢ ตวั เกบ็ ประจุดำ้ นเอำตพ์ ตุ + ➢ ไดโอดกำลงั Vs +iC +io - -- ➢ เพำเวอร์มอสเฟต

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. 2. ส่วนของวงจรควบคุม (แบบลูปเปิ ด) แบ่งออกเป็นส่วนต่ำงๆดงั น้ี ➢ วงจรสร้ำงสญั ญำณควบคุมแบบมอดูเลตตำมควำมกวำ้ งพลั ล์ (PWM) ที่ 25 kHz. ➢ วงจรเหลื่อมเฟส 90 องศำ จำนวน 4 ชุด ➢ วงจรแยกส่วนสญั ญำณและขบั นำเกต

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. iL + VL - +iC +io + - - Vs - วงจร Boost Converter ➢ ทำหนำ้ ท่ีแปลงแรงดนั ไฟตรงใหม้ ีคำ่ เพิ่มข้ึน มกั ใช้ Low-pass filter ทำงขำออก เพื่อใหแ้ รงดนั ขำออกเรียบท่ีสุดและค่ำ จะแปรผกผนั กบั คำ่ ควำมถ่ีสวติ ซช์ ่ิง Vo Vo

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. หลกั กำรทำงำนของ Boost Converter เมอ่ื สวติ ซ์นำกระแส VL = Vs ไดโอดถูกตดั ออกจำกวงจร + +- iL Vs + iC io - + VD = Vs Vo - - vL −Vs = 0 vL = VS = L diL dt ในช่วงนำกระแสน้ี, dt = DT diL = vS dt L iL,on = iL,on = Vs T DT L iL,on =  VS  DT  L 

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. เมอ่ื สวติ ซ์หยุดนำกระแส ไดโอดต่อวงจร + VL=VS- Vo - iL + + iC io Vs สวทิ ชถ์ กู ตดั + Vo -- - −VS + vL + VO = 0 diL = 1 (VS −VO ) dt L ขณะไม่นำกระแสช่วงเวลำ dt = (1-D)T, ดงั น้นั iL,off =  VS − VO  (1 − D)T  L 

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. L4 iL4 D4 DC Bus L3 iL3 + D3 L2 iL2 iD2 C i DC L1 iL1 D1 C + V Bus V DC iiS 1 S2 iS3 iS4 S S1 2 S3 S4 - คอนเวอร์เตอร์แบบทบระดบั แรงดนั ไฟตรงชนิดเหลอื่ ม 4 เฟส ในโครงงำน 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. กำรนำวงจรทบระดบั แรงดนั ไฟตรงมำต่อขนำนกนั หลำย ๆ เฟสจนถึง Nตัว วิธีกำรน้ีเป็ นกำรเพ่ิมควำมสำมำรถในกำรจ่ำย กระแสทำงด้ำนเอำท์พุตให้มำกข้ึน มีขอ้ ดีคือสำมำรถลดกระแส กระเพ่ือมทำงด้ำนอินพุต มีชื่อเรียกว่ำ “เทคนิคกำรอินเตอร์ลิฟส์ (Interleaved Techniques)” 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. วธิ ีกำรขนำนวงจรทบระดบั แรงดนั ไฟตรงจะมีกำรแยกกำร สวิตช์ของสวิตช์แต่ละตัวให้มีมุมต่ำงกันเพ่ือที่สวิตช์จะได้ไม่ ทำงำนพร้อมกนั สำมำรถคำนวณไดจ้ ำกสูตร มุมในกำรสวติ ช์ = 360 (องศำ) N เมื่อ N คือจำนวนของวงจรทบระดบั แรงดนั ไฟตรงที่นำมำต่อขนำนกนั 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. iDC Module1 D1 iLoad DC Bus L1 iL1 iD1 iCBus VDC 24 V 1 .2 Kw VGS1 iS1 VBus LOAD S1 CBus Module2 D2 L2 iL2 iD2 VGS 2 iS2 S2 Module3 D3 รูปที่ 2.6 วงจรทบระดบั แรงดนั ไฟ L3 iL1 iD3 ตรงแบบขนำนกนั หลำยเฟส (Multiphase Interleaved DC VGS 3 iS3 Boost Converter) S3 Module4 D4 L4 iL4 iD4 VGS 4 iS4 S4 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. iDC 1 PWM1 Gate Drive1 Boost i I VL1 BUS DCBUS 4 PWM2 Gate Drive2 PWM3 Gate Drive3 Converter PWM4 Gate Drive4 Boost iL2 Converter Boost iL3 Converter Boost iL4 Converter Interleaved 4 Phase Boost Converter กำรควบคุมกระแสแบบลูปเปิ ดของวงจรบูสต์คอนเวอร์เตอร์แบบเหลอื่ มขนำน 4 เฟส 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. กระแสขำออกทไี่ ด้จำกวงจรคอนเวอร์เตอร์ จำกวงจรจะเห็นว่ำกระแสขำออกรวมของวงจรจะผำ่ นออกมำ จำก DC Boost Converter ท้งั 4 ชุด ซ่ึงจะทำใหแ้ ต่ละคอนเวอร์เตอร์ จ่ำยกระแสขำออกเพยี ง ¼ เท่ำของกระแสขำออกรวมเท่ำน้นั ทำให้สำมำรถออกแบบขนำดพิกัดกำลงั ไฟฟ้ ำของแต่ละคอน เวอร์เตอร์ ลดลงเหลือ ¼ เท่ำจำกพิกดั กำลงั ไฟฟ้ ำรวมดว้ ย จึงมีขนำด เลก็ ลง โครงงำนน้ีสำมำรถจ่ำยกระแส ( )iDC ไดต้ ้งั แต่ 0-50A. ซ่ึงถำ้ จ่ำย กระแส 50A. จะถูกหำรดว้ ย 4 ดงั น้นั กระแส (iDC) แต่ละเฟสจะทำงำน เฟสละ 12.5 A. 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. ส่ วนประกอบของวงจรควบคุม

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. วงจรสร้ำงสัญญำณพลั ส์อ้ำงองิ Vcc Vcc R1 4+.7Cµ2 F C3 +C4 C5 1kΩ 0.1µF 4.7µF 0.1µF R2 748 R4 J PRE 25 kHz Activ1e high 0 10kΩ 3 2kΩ CL 2 U3A B R3 U1 Q 20kΩ NE555 5 180 6 K U2A 45 74HC08 C 21 74HC76 Q U3B K CLR 25 kHz Active low C1 50 kHz 0.001µF A Vcc

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. วงจรสร้ำงสัญญำณนำฬิกำ โดยกำรใชไ้ อซี NE555 สร้ำงสัญญำณนำฬิกำที่ควำมถ่ี 50 kHz แลว้ ส่งสญั ญำณนำฬิกำ 50 kHz จำกจุด A เขำ้ ไปยงั ไอซี เบอร์ SN74HC76 ทำหนำ้ ที่หำร 2 ของควำมถ่ีขำเขำ้ (ดว้ ย Toggle JK Flip-Flop) แลว้ ส่งสญั ญำณนำฬิกำควำมถี่ 25 kHz ออกมำ

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. สญั ญำณนำฬิกำจะถูกแบ่งเป็น 2 ส่วน โดยไอซีส่วนท่ี 1 จะ ทำหนำ้ ที่ Active High ท่ีขอบขำข้ึน ไอซีส่วนที่ 2 จะทำหนำ้ ที่ Active Low ท่ีขอบขำลงแลว้ ส่งสญั ญำณไปท่ีไอซีเบอร์ SN74HC08 ซ่ึงเป็น ไอซี AND Gate ทำหนำ้ ที่เปรียบเทียบสญั ญำณนำฬิกำควำมถี่ 50 kHz กบั สญั ญำณนำฬิกำควำมถี่ 25 kHz ดงั น้นั หลงั จำกผำ่ นไอซีเบอร์ SN74HC08 เอำตพ์ ตุ จำกจุด B และจุด C ท้งั สองตวั กจ็ ะไดส้ ญั ญำณนำฬิกำ 2 สญั ญำณท่ีเหล่ือมเฟส กนั 180 องศำ ดงั น้นั สญั ญำณนำฬิกำน้ีจะเป็นสญั ญำณหลกั ที่ใชใ้ นกำร สร้ำงสญั ญำณ Ramp ที่นำไปใชส้ ร้ำงสญั ญำณควบคุมต่อไป

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. 90 Vcc Rx/Cx Q Trigger U4A E R5 10kΩ Cx74LS123 B C6 A CLR 25 kHz Active hDig1h00pF Vcc 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. จำกจุด D เป็ นอินพุตรับสัญญำณ 25kHz จำกวงจรสร้ำง สัญญำณพลั ลอ์ ำ้ งอิงส่วนจุด E เป็นเอำตพ์ ตุ ท่ีแต่ละเฟสไดม้ ีกำรเหลื่อม เฟส 90 องศำ เพื่อไปควบคุมกำรทำงำนทรำนซิสเตอร์ของวงจรสร้ำง สญั ญำณสำมเหล่ียมต่อไป

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. VDD R9 1kΩ + R11 C8 10kΩ 4.7µF Sawtooth Trigger G F C10 R7 0.05µF 200Ω Q1 2N2222 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. ในกำรออกแบบวงจร PWM สญั ญำณพำหะท่ีใชใ้ นกำรมอดูเลต สญั ญำณสำมเหล่ียมหลงั จำกท่ีไดส้ ญั ญำณพลั ลท์ ่ีมีกำรกำหนดใหม้ ีควำม ต่ำงเฟสกนั เฟสละ 90 องศำ และใชห้ ลกั กำรของกำรเก็บและคำยประจุ ของตวั เกบ็ ประจุที่เกิดจำกกำรเปิ ด-ปิ ดสวติ ชท์ รำนซิสเตอร์เบอร์ 2N2222 เพื่อทำใหเ้ กิดสญั ญำณสำมเหลี่ยม วงจรกำเนิดสญั ญำณฟันเลื่อยคือส่วนท่ีทำหนำ้ ที่เปลี่ยนสัญญำณ พลั ส์เป็นสัญญำณฟันเล่ือย โดยใชท้ รำนซิสเตอร์เบอร์ 2N2222 จำนวน 4 วงจร สำหรับ 4 เฟสทำงำนห่ำงกนั 90 องศำ

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. V- C1 0.1µF Sawtooth -- R1 PWM H + 1kΩ J TLP082 DC1 5V V+ C2 0.1µF 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. วงจรแยกส่วนและขบั นำเกตด้วย TLP250 C1 Vcc Vdd2 4.7u + R1 1 Opto2 TL250 C2 + C3 1K NC Vdd 8 4.7u 0.01u IC3B Vo 7 R3AGND2 1 2 2A Vo 6 50 PWM R2 74LS07 3 K Gate R4 10K 4 NC Vss 5 50K AGND2 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. สญั ญำณท่ีผำ่ นกำรมอดูเลตตำมควำมกวำ้ งของพลั ลม์ ีลกั ษณะ เป็ นสัญญำณพัลส์สี่ เหล่ียมสัญญำณน้ีถูกส่ งไปยังวงจรสร้ำง สัญญำณขบั นำเกต ดว้ ยไอซีสร้ำงสัญญำณขบั นำเกต เบอร์ TLP250 เพ่ือควบคุมกำรทำงำนของมอสเฟต วงจรสร้ำงสัญญำณขบั นำเกต แสดงดงั รูป จำกวงจรสัญญำณดำ้ นเขำ้ เป็ นสัญญำณที่ถูกส่งมำจำกวงจร มอดูเลตตำมควำมกวำ้ งของพลั ส์มีขนำดแรงดนั 0 V ถึง 5 V สญั ญำณ น้ีถูกส่งเขำ้ ไปไบอสั ให้ LED ใน TLP250 นำกระแส โดยมี ควำม ตำ้ นทำน R1 ทำหนำ้ ท่ีจำกดั กระแสในกำรไบอสั และใชไ้ อซีบฟั เฟอร์ 74LS07 เป็นตวั ป้ องกนั ไฟ 5 V ที่จะเกิดกำรไหลยอ้ นกลบั ของแรงดนั เขำ้ ไปในวงจรมอดูเลตตำมควำมกวำ้ งของสญั ญำณพลั ส์ (PWM)

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. แผนผงั กำรดำเนินงำน Boost Converter 4 - Phase 1 Converter A

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT. แผนผงั กำรดำเนินงำน (ต่อ) A 1

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT.

Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering RMUTT.