การเปรียบเทียบระหว่าง Half-bridge Resonant Converter และ Half-bridge Flyback Converter

การเปรียบเทียบระหว่าง Half-bridge Resonant Converter และ Half-bridge Flyback Converter

ด้วยการพัฒนาอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง เทคโนโลยีซอฟต์สวิตชิ่งได้รับการพัฒนาและนำไปใช้อย่างกว้างขวาง และมีการศึกษาโทโพโลยีวงจรประสิทธิภาพสูงจำนวนมาก ซึ่งส่วนใหญ่เป็นโทโพโลยีสวิตช์ซอฟต์สวิตชิ่งประเภท PFM และโทโพโลยีสวิตช์ซอฟต์สวิตชิ่งชนิด PWM

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการใช้งานอย่างแพร่หลายของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม GAN และการพัฒนาแหล่งจ่ายไฟ PD อย่างต่อเนื่อง สิ่งนี้ได้เปิดโอกาสอีกครั้งสำหรับการพัฒนาตัวแปลงพลังงาน สำหรับตัวแปลงฮาล์ฟบริดจ์ หากได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม การแปลงแบบซอฟต์สวิตชิ่งสามารถทำได้ เพื่อให้แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมีประสิทธิภาพสูงขึ้น และลดขนาดของแหล่งจ่ายไฟได้อย่างมาก

1 หลักการทำงานของตัวแปลงสองตัว

1.1 ตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์

รูปที่ 1 และรูปที่ 2 ตามลำดับแสดงแผนภาพวงจรและรูปคลื่นในการทำงานของตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์

รูปที่ 1 ประกอบด้วย MOSFET กำลังควบคุมเสริมสองตัว (S1 และ S2) โดยที่รอบการทำงานของ S1 คือ D และรอบการทำงานของ S2 คือ (1-D); ตัวเก็บประจุบล็อก DC Cr ซึ่งใช้แรงดันไฟฟ้าเป็นแหล่งจ่ายไฟเมื่อเปิด S2 หม้อแปลงไฟฟ้าแบบเคาะตรงกลาง Tr ซึ่งมีเทิร์นหลักคือ Np และเทิร์นรองคือ Ns; ไดโอดเรียงกระแสเอาต์พุต D1; ตัวเก็บประจุตัวกรองเอาต์พุต Cout; และตัวต้านทานการดูดซึมสูงสุดของหลอดเรียงกระแสเอาต์พุตและตัวเก็บประจุ R1 และ C1

ดังที่เห็นได้จากแผนผัง ส่วนหลักของคอนเวอร์เตอร์ฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์จะเหมือนกับคอนเวอร์เตอร์แบบอสมมาตรฮาล์ฟบริดจ์ (AHB) แบบดั้งเดิม และส่วนรองจะเหมือนกับคอนเวอร์เตอร์ฟลายแบ็ค หลักการทำงานของฟลายแบ็คคอนเวอร์เตอร์แบบฮาล์ฟบริดจ์มีดังต่อไปนี้

1) เมื่อเปิด S1 และปิด S2 ด้านหลักของหม้อแปลงไฟฟ้าจะต้องได้รับแรงดันไปข้างหน้า และด้านรอง Ns จะไม่ทำงาน ไดโอด D1 ถูกตัดออก หม้อแปลงไฟฟ้าเก็บพลังงาน

2) เมื่อเปิด S2 และปิด S1 แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุบล็อก DC Cr จะถูกนำไปใช้กับด้านหลักของหม้อแปลง ด้านรอง Ns2 ทำงาน และไดโอด D1 เปิดอยู่

ในรูปที่ 2 n1=Np/Ns และ n1=n โดยการวิเคราะห์วงจร สามารถรับสูตรการคำนวณสำหรับรอบการทำงาน D ของตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์ได้:

ตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์มักเรียกกันว่าตัวแปลงเรโซแนนซ์ LLC รูปที่ 3 และ 4 แสดงแผนภาพวงจรและรูปคลื่นในการทำงานของตัวแปลงเรโซแนนซ์ฮาล์ฟบริดจ์ตามลำดับ

ในรูปที่ 3 มี MOSFET กำลังสองตัว (S1 และ S2) ซึ่งทั้งสองมีรอบหน้าที่ 0.5; ตัวเก็บประจุเรโซแนนซ์ Cr, หม้อแปลงเคาะตรงกลาง Tr ที่มีรอบเท่ากันที่ด้านทุติยภูมิ, ค่าความเหนี่ยวนำการรั่วไหล Lk ของ Tr และค่าความเหนี่ยวนำที่น่าตื่นเต้น Lm Lm ยังเป็นตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนซ์ในช่วงระยะเวลาหนึ่งอีกด้วย ดังนั้น องค์ประกอบเรโซแนนซ์ในตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์จึงส่วนใหญ่ประกอบด้วยองค์ประกอบเรโซแนนซ์ทั้งสามข้างต้น ได้แก่ ตัวเก็บประจุเรโซแนนซ์ Cr ตัวเหนี่ยวนำ Lk และตัวเหนี่ยวนำที่น่าตื่นเต้น Lm; ไดโอดเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นฮาล์ฟบริดจ์ D1 และ D2 และตัวเก็บประจุเอาท์พุต Cout

1)〔t1, t2〕เมื่อ t=t1, S2 ถูกปิด และกระแสเรโซแนนซ์จะปล่อยประจุความจุปรสิตของ S1 จนกว่าแรงดันไฟฟ้าบน S1 จะเป็นศูนย์ จากนั้นไดโอดตัวของ S1 จะเปิดขึ้น ในขั้นตอนนี้ D1 จะเปิดขึ้น และแรงดันไฟฟ้าบน Lm จะถูกยึดโดยแรงดันเอาต์พุต ดังนั้นจึงมีเพียง Lk และ Cr เท่านั้นที่มีส่วนร่วมในการสั่นพ้อง

2)〔t2, t3〕เมื่อ t=t2, S1 เปิดอยู่ภายใต้สภาวะแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ และด้านปฐมภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้าจะต้องได้รับแรงดันไปข้างหน้า D1 ยังคงเปิดอยู่ ส่วน S2 และ D2 จะปิดอยู่ ในเวลานี้ Cr และ Lk มีส่วนร่วมในการสั่นพ้อง ในขณะที่ Lm ไม่ได้มีส่วนร่วมในการสั่นพ้อง

3)〔t3, t4〕เมื่อ t=t3 S1 ยังคงเปิดอยู่ ในขณะที่ D1 และ D2 อยู่ในสถานะปิด และด้านรองของ Tr จะถูกตัดการเชื่อมต่อจากวงจร ในเวลานี้ Lm, Lk และ Cr มีส่วนร่วมในการสะท้อนร่วมกัน ในวงจรจริง Lm มีขนาดใหญ่กว่า Lk มาก ดังนั้นจึงถือว่ากระแสกระตุ้นและกระแสเรโซแนนซ์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในขั้นตอนนี้

4)〔t4, t5〕เมื่อ t=t4, S1 ถูกปิด และกระแสเรโซแนนซ์จะปล่อยความจุปรสิตของ S2 จนกว่าแรงดันไฟฟ้าบน S2 จะเป็นศูนย์ จากนั้นไดโอดตัวของ S2 จะเปิดขึ้น ในขั้นตอนนี้ D2 จะเปิดขึ้น และแรงดันไฟฟ้าที่ Lm จะถูกยึดโดยแรงดันเอาต์พุต ดังนั้นมีเพียง Lk และ Cr เท่านั้นที่มีส่วนร่วมในการสั่นพ้อง

5)〔t5, t6〕เมื่อ t=t5, S2 เปิดภายใต้สภาวะแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ และด้านปฐมภูมิของ Tr จะต้องได้รับแรงดันย้อนกลับ D2 ยังคงเปิดอยู่ ในขณะที่ S1 และ D1 ปิดอยู่ ในเวลานี้ มีเพียง Cr และ Lk เท่านั้นที่มีส่วนร่วมในการสั่นพ้อง และแรงดันไฟฟ้าบน Lm จะถูกยึดโดยแรงดันเอาต์พุต และไม่มีส่วนร่วมในการสั่นพ้อง

6)〔t6, t7〕เมื่อ t=t6, S2 ยังคงเปิดอยู่ ขณะที่ D1 และ D2 อยู่ในสถานะปิด และด้านรองของ Tr จะถูกตัดการเชื่อมต่อจากวงจร ในเวลานี้ Lm, Lk และ Cr มีส่วนร่วมในการสะท้อนร่วมกัน ในวงจรจริง Lm จะมีค่ามากกว่า Lk มาก ดังนั้นจึงถือได้ว่ากระแสกระตุ้นและกระแสเรโซแนนซ์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในขั้นตอนนี้

จากการวิเคราะห์โดยละเอียดข้างต้น เรามีความเข้าใจเกี่ยวกับหลักการทำงานและคุณลักษณะของตัวแปลงซอฟต์สวิตชิ่งทั้งสองประเภทนี้ ข้อมูลต่อไปนี้จะเปรียบเทียบความแตกต่างระหว่างพวกเขาเพื่อให้เราเข้าใจพวกเขาลึกซึ้งยิ่งขึ้น

2 การเปรียบเทียบความแตกต่างระหว่างตัวแปลงทั้งสอง

แม้ว่าตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์และตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์จะเป็นตัวแปลงแบบซอฟต์สวิตชิ่งทั้งคู่ แต่ก็มีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างทั้งสอง ตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์เป็นแบบ PWM ในขณะที่ตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์คือ PFM ดังนั้นจึงมีความแตกต่างอย่างมากในวิธีการควบคุม ความเค้นแรงดันไฟฟ้าของท่อเรียงกระแสทุติยภูมิ และความเค้นกระแสของด้านปฐมภูมิ ความแตกต่างเหล่านี้จะได้รับการวิเคราะห์โดยละเอียดด้านล่าง

2.1 การเปรียบเทียบวิธีการควบคุม

คอนเวอร์เตอร์ฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์จะปรับแรงดันเอาต์พุตโดยการปรับรอบการทำงานของท่อสวิตช์ เมื่อช่วงการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอินพุตค่อนข้างใหญ่ ช่วงการเปลี่ยนแปลงรอบการทำงานของท่อสวิตช์ก็ค่อนข้างใหญ่เช่นกัน ตามทฤษฎี รอบการทำงานของตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์สามารถเกิน 0.5 ได้ ดังนั้นจึงปรับให้เข้ากับช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่กว้างขึ้น ดังนั้น ลักษณะเวลาในการบำรุงรักษาการปิดเครื่องของตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์จึงค่อนข้างดี และสามารถนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในโอกาสที่มีข้อกำหนดค่อนข้างสูงสำหรับเวลาในการบำรุงรักษาการปิดเครื่อง

เมื่อเปรียบเทียบกับตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์ ตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์จะปรับแรงดันเอาต์พุตโดยการปรับความถี่การสลับ กล่าวคือ รอบการทำงานของมันยังคงไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้แรงดันไฟฟ้าอินพุตที่แตกต่างกัน ตามทฤษฎี รอบการทำงานของตัวแปลงเรโซแนนซ์ฮาล์ฟบริดจ์จะไม่เกิน 0.5 ดังนั้น เมื่อเปรียบเทียบกับตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์ ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตค่อนข้างแคบ และลักษณะเวลาในการบำรุงรักษาการปิดเครื่องค่อนข้างต่ำ

2.2 การเปรียบเทียบความเค้นแรงดันไฟฟ้าของวงจรเรียงกระแสทุติยภูมิ

โดยการวิเคราะห์หลักการทำงานของตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์ สามารถรับวิธีคำนวณความเค้นแรงดันไฟฟ้าบนไดโอดทุติยภูมิได้ดังแสดงในสูตรต่อไปนี้:

ด้วยวิธีนี้ เมื่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตเปลี่ยนแปลง จึงสามารถเข้าใจการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าไดโอดทุติยภูมิได้

รูปที่ 5 แสดงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าบนวงจรเรียงกระแสทุติยภูมิเมื่อแรงดันเอาต์พุตเป็น 48V เมื่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตค่อนข้างสูง แรงดันไฟฟ้าบน D1 จะค่อนข้างสูง ดังนั้น D1 จะต้องใช้ไดโอดที่มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าค่อนข้างสูง ซึ่งจะเพิ่มการสูญเสียวงจรและต้นทุนวัสดุ

ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ความเค้นแรงดันไฟฟ้าบนไดโอดทุติยภูมิในตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์จะมีค่าน้อยกว่าในคอนเวอร์เตอร์ฟลายแบ็กแบบฮาล์ฟบริดจ์มาก เนื่องจากความเค้นแรงดันไฟฟ้าบนไดโอดทุติยภูมิในตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์เป็นสองเท่าของแรงดันเอาต์พุต ดังนั้นจึงสามารถเลือกไดโอดที่มีแรงดันไฟฟ้าทนค่อนข้างต่ำในตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์ได้ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรและลดต้นทุนวัสดุ

2.3 การเปรียบเทียบการเปิดเครื่องของไดโอดรอง

จากการวิเคราะห์ของฮาล์ฟบริดจ์ฟลายแบ็กคอนเวอร์เตอร์ จะเห็นได้ว่าไดโอดตัวที่สองนั้นติดยาก และการสูญเสียค่อนข้างมาก ในขณะที่จากการวิเคราะห์ตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์ จะเห็นได้ว่าไดโอดตัวที่สองเป็นสวิตช์กระแสเป็นศูนย์ และการสูญเสียค่อนข้างน้อย ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวแปลงได้ ดังนั้น ตามทฤษฎีแล้ว ประสิทธิภาพโดยรวมของตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์จึงแย่กว่าตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์เล็กน้อย (แต่ก็ยังดีกว่าตัวแปลงอื่นๆ มาก)

2.4 ด้านอื่นๆ

ประการแรก ในตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์ รอบการทำงานของสวิตช์บนและล่างเป็นส่วนเสริม ดังนั้นหม้อแปลงในตัวแปลงฟลายแบ็กแบบฮาล์ฟบริดจ์จึงมีปรากฏการณ์ไบแอส DC ในขณะที่ตัวแปลงเรโซแนนซ์ฮาล์ฟบริดจ์ รอบการทำงานของสวิตช์บนและล่างจะเท่ากัน ดังนั้นหม้อแปลงในตัวแปลงเรโซแนนซ์ฮาล์ฟบริดจ์จึงไม่มีปรากฏการณ์ DC bias

ประการที่สอง ตัวแปลงเรโซแนนซ์ฮาล์ฟบริดจ์จะปรับแรงดันเอาต์พุตโดยการปรับความถี่การทำงานของท่อสวิตช์ ดังนั้นสำหรับตัวแปลงเรโซแนนซ์ฮาล์ฟบริดจ์ การควบคุมการแก้ไขแบบซิงโครนัสจึงมีความซับซ้อนมากขึ้น ในขณะที่ตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์จะปรับแรงดันเอาต์พุตโดยการปรับรอบการทำงานของท่อสวิตช์ ดังนั้นสำหรับตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์ จึงค่อนข้างง่ายที่จะบรรลุการควบคุมการแก้ไขแบบซิงโครนัส

2.5 ความเครียดในปัจจุบัน

จากการวิเคราะห์ตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์ จะเห็นได้ว่าความเค้นในปัจจุบันค่อนข้างสูง และการกระเพื่อมของกระแสเอาต์พุตมีขนาดค่อนข้างใหญ่ ในขณะที่อยู่ในตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์ ความเค้นกระแสค่อนข้างต่ำ และการกระเพื่อมของกระแสเอาท์พุตค่อนข้างเล็ก

2.6 ช่วงแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุต

จากการวิเคราะห์หลักการควบคุมของตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์ จะเห็นได้ว่าช่วงแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตของตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์นั้นกว้างกว่า ในขณะที่ช่วงแรงดันเอาท์พุตของตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์นั้นแคบมาก ดังนั้น ในด้านแหล่งจ่ายไฟ PD ที่มีแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตหลายตัว ตัวแปลงฟลายแบ็กแบบฮาล์ฟบริดจ์จึงเหมาะสมกว่า และสามารถละเว้นตัวแปลง DC/DC ได้

3 บทสรุป

จากการวิเคราะห์และการวิจัยของตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์และตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์ และการเปรียบเทียบวิธีการควบคุม ความเครียดแรงดันไฟฟ้าของวงจรเรียงกระแสทุติยภูมิ และการเปิดทุติยภูมิ จึงสามารถทราบได้ว่าตัวแปลงเรโซแนนซ์แบบฮาล์ฟบริดจ์มีความเหมาะสมมากกว่า สำหรับความต้องการการพัฒนาของแหล่งจ่ายไฟให้มีประสิทธิภาพสูง ในขณะที่ตัวแปลงฟลายแบ็คแบบฮาล์ฟบริดจ์เหมาะสำหรับสนามจ่ายไฟ PD มากกว่า