วงจรปรับแรงดันไฟฟ้า SMPS

บทความนี้อธิบายถึงวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าหลักของโหมดโซลิดสเตตสวิตช์ที่ไม่มีรีเลย์โดยใช้ตัวแปลงเพิ่มแกนเฟอร์ไรต์และวงจรขับมอสเฟตครึ่งบริดจ์สองตัว ความคิดดังกล่าวได้รับการร้องขอจาก Mr. McAnthony Bernard

ข้อกำหนดทางเทคนิค

ตอนสายฉันเริ่มมองหา ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าใช้ในบ้านเพื่อควบคุมแหล่งจ่ายไฟ , เพิ่มแรงดันไฟฟ้าเมื่อยูทิลิตี้ต่ำและก้าวลงเมื่อยูทิลิตี้สูง

ถูกสร้างขึ้นรอบ ๆ หม้อแปลงไฟฟ้า (แกนเหล็ก) ในรูปแบบหม้อแปลงอัตโนมัติที่มีก๊อก 180v, 200v, 220v, 240v 260v เป็นต้น

วงจรควบคุมด้วยความช่วยเหลือของรีเลย์จะเลือกการแตะที่เหมาะสมสำหรับเอาต์พุต ฉันเดาว่าคุณคุ้นเคยกับอุปกรณ์นี้

ฉันเริ่มคิดที่จะใช้ฟังก์ชันของอุปกรณ์นี้กับ SMPS ซึ่งจะมีประโยชน์ในการให้ 220vac คงที่และความถี่คงที่ 50hz โดยไม่ต้องใช้รีเลย์

ฉันแนบแผนภาพบล็อกของแนวคิดนี้ในจดหมาย

โปรดแจ้งให้เราทราบว่าคุณคิดอย่างไรหากมีเหตุผลที่จะไปเส้นทางนั้น

จะได้ผลจริงและตอบสนองวัตถุประสงค์เดียวกันหรือไม่? .

นอกจากนี้ฉันต้องการความช่วยเหลือจากคุณในส่วนตัวแปลง DC เป็น DC แรงดันสูง

ความนับถือ
แม็คแอนโธนีเบอร์นาร์ด

การออกแบบ

วงจรโคลงแรงดันไฟฟ้าหลักที่ใช้แกนเฟอร์ไรต์แบบโซลิดสเตตที่เสนอโดยไม่มีรีเลย์อาจเข้าใจได้โดยอ้างถึงแผนภาพต่อไปนี้และคำอธิบายที่ตามมา

RVCC = 1K.1watt, CVCC = 0.1uF / 400V, CBOOT = 1uF / 400V

รูปด้านบนแสดงการกำหนดค่าจริงสำหรับการใช้เอาต์พุต 220V หรือ 120V ที่เสถียรโดยไม่คำนึงถึงความผันผวนของอินพุตหรือโอเวอร์โหลดโดยใช้ขั้นตอนตัวประมวลผลบูสต์คอนเวอร์เตอร์แบบไม่แยกสองขั้นตอน

ที่นี่มอสเฟ็ต IC ตัวขับครึ่งบริดจ์สองตัวกลายเป็นองค์ประกอบสำคัญของการออกแบบทั้งหมด IC ที่เกี่ยวข้องคือ IRS2153 อเนกประสงค์ซึ่งได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการขับขี่มอสเฟ็ทในโหมด half bridge โดยไม่ต้องใช้วงจรภายนอกที่ซับซ้อน

เราสามารถเห็นสองขั้นตอนไดรเวอร์ฮาล์ฟบริดจ์ที่เหมือนกันซึ่งรวมอยู่ในตัวขับด้านซ้ายเป็นสเตจไดรเวอร์บูสต์ขณะที่ด้านขวามือได้รับการกำหนดค่าสำหรับการประมวลผลแรงดันไฟฟ้าบูสต์เป็นเอาต์พุตคลื่นไซน์ 50Hz หรือ 60Hz ร่วมกับการควบคุมแรงดันไฟฟ้าภายนอก วงจร.

ICs ได้รับการตั้งโปรแกรมภายในเพื่อสร้างวัฏจักรการทำงานคงที่ 50% สำหรับพินเอาต์เอาต์พุตผ่านโทโพโลยีโทเทม พินเหล่านี้เชื่อมต่อกับพาวเวอร์มอสเฟตสำหรับการแปลงที่ตั้งใจไว้ ICs ยังมีออสซิลเลเตอร์ภายในสำหรับเปิดใช้งานความถี่ที่ต้องการที่เอาต์พุตอัตราของความถี่จะถูกกำหนดโดยเครือข่าย Rt / Ct ที่เชื่อมต่อภายนอก

การใช้คุณสมบัติปิดเครื่อง

IC ยังมีสิ่งอำนวยความสะดวกในการปิดเครื่องซึ่งสามารถใช้เพื่อหยุดการส่งออกในกรณีที่มีกระแสไฟฟ้าเกินแรงดันไฟฟ้าเกินหรือสถานการณ์ที่เป็นภัยพิบัติอย่างกะทันหัน

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ th คือ ICs ไดรเวอร์ฮาล์ฟบริดจ์คุณอาจอ้างถึง ไปที่บทความนี้: Half-Bridge Mosfet Driver IC IRS2153 (1) D - Pinouts อธิบายบันทึกการใช้งาน

เอาต์พุตจาก IC เหล่านี้มีความสมดุลอย่างมากเนื่องจากการบูตภายในที่มีความซับซ้อนสูงและการประมวลผลเวลาตายซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อจะทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบและปลอดภัย

ในวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าหลักของ SMPS ที่กล่าวถึงเวทีด้านซ้ายใช้สำหรับสร้างกระแสไฟฟ้าประมาณ 400V จากอินพุต 310V ที่ได้จากการแก้ไขอินพุต 220 โวลต์

สำหรับอินพุต 120V อาจตั้งค่าขั้นตอนสำหรับการสร้างประมาณ 200V ผ่านตัวเหนี่ยวนำที่แสดง

ตัวเหนี่ยวนำอาจพันทับแกน / กระสวย EE มาตรฐานโดยใช้เส้นลวดทองแดงเคลือบซุปเปอร์ 0.3 มม. 3 เส้นขนานกันและหมุนได้ประมาณ 400 รอบ

การเลือกความถี่

ควรกำหนดความถี่โดยการเลือกค่าของ Rt / Ct อย่างถูกต้องเพื่อให้ได้ความถี่สูงประมาณ 70kHz สำหรับขั้นตอนตัวแปลงบูสต์ด้านซ้ายข้ามตัวเหนี่ยวนำที่แสดง

IC ไดรเวอร์ด้านขวามืออยู่ในตำแหน่งที่จะทำงานร่วมกับ 400V DC ด้านบนจากตัวแปลงบูสต์หลังจากการแก้ไขและการกรองที่เหมาะสมตามที่อาจเห็นในแผนภาพ

ที่นี่ค่าของ Rt และ Ct ถูกเลือกสำหรับการรับประมาณ 50Hz หรือ 60Hz (ตามข้อกำหนดของประเทศ) ในเอาต์พุต mosfets ที่เชื่อมต่อ

อย่างไรก็ตามเอาต์พุตจากสเตจไดรเวอร์ด้านขวาอาจสูงถึง 550V และจำเป็นต้องได้รับการควบคุมให้อยู่ในระดับปลอดภัยที่ต้องการที่ประมาณ 220V หรือ 120V

สำหรับสิ่งนี้จะรวมการกำหนดค่าแอมพลิฟายเออร์ข้อผิดพลาด opamp อย่างง่ายดังที่แสดงในแผนภาพต่อไปนี้

วงจรแก้ไขแรงดันไฟฟ้าเกิน

ดังที่แสดงในแผนภาพด้านบนขั้นตอนการแก้ไขแรงดันไฟฟ้าใช้ตัวเปรียบเทียบ opamp อย่างง่ายสำหรับการตรวจจับสภาวะแรงดันไฟฟ้าเกิน

ต้องตั้งค่าวงจรเพียงครั้งเดียวเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าเสถียรถาวรในระดับที่ตั้งไว้โดยไม่คำนึงถึงความผันผวนของอินพุตหรือการโอเวอร์โหลดอย่างไรก็ตามสิ่งเหล่านี้อาจไม่เกินขีด จำกัด ที่ยอมรับได้ของการออกแบบ

ดังที่แสดงในภาพประกอบการจ่ายไปยังแอมป์ข้อผิดพลาดนั้นได้มาจากเอาต์พุตหลังจากการแก้ไข AC ที่เหมาะสมเป็นกระแสไฟต่ำที่มีเสถียรภาพ 12V DC สำหรับวงจร

พิน # 2 ถูกกำหนดให้เป็นอินพุตเซ็นเซอร์สำหรับ IC ในขณะที่พินที่ไม่กลับด้าน # 3 ถูกอ้างถึง 4.7V คงที่ผ่านเครือข่ายไดโอดซีเนอร์แบบหนีบ

อินพุตการตรวจจับถูกดึงออกจากจุดที่ไม่เสถียรในวงจรและเอาต์พุตของ IC จะต่อเข้ากับขา Ct ของ IC ไดรเวอร์ด้านขวา

พินนี้ทำหน้าที่เป็นพินปิดสำหรับ IC และทันทีที่พบว่ามีค่า Vcc ต่ำกว่า 1 ใน 6 ของมันมันจะเว้นช่องว่างของฟีดเอาท์พุทไปยัง mosfets เพื่อปิดการดำเนินการให้หยุดนิ่ง

ค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้าที่เกี่ยวข้องกับพิน # 2 ของ opamp ได้รับการปรับอย่างเหมาะสมเพื่อให้ AC ของเอาต์พุตหลักลดลงเหลือ 220V จากเอาต์พุต 450V หรือ 500V ที่มีอยู่หรือถึง 120V จากเอาต์พุต 250V

ตราบใดที่พิน # 2 ประสบกับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นโดยอ้างอิงถึงพิน # 3 มันยังคงให้เอาต์พุตต่ำซึ่งจะสั่งให้ IC ไดรเวอร์ปิดตัวลงอย่างไรก็ตามการ 'ปิดเครื่อง' จะแก้ไขอินพุต opamp ในทันทีโดยบังคับ เพื่อถอนสัญญาณเอาต์พุตต่ำและวงจรจะช่วยแก้ไขเอาต์พุตให้อยู่ในระดับที่แม่นยำด้วยตนเองตามที่กำหนดโดยการตั้งค่าที่กำหนดไว้ล่วงหน้าของพิน # 2

วงจรแอมป์ข้อผิดพลาดทำให้เอาต์พุตนี้คงที่และเนื่องจากวงจรมีข้อได้เปรียบของระยะขอบ 100% ที่มีนัยสำคัญระหว่างความผันผวนของแหล่งอินพุตและค่าแรงดันไฟฟ้าที่มีการควบคุมแม้ในสภาวะแรงดันไฟฟ้าต่ำมากเอาต์พุตจะจัดการเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าคงที่คงที่แก่โหลด โดยไม่คำนึงถึงแรงดันไฟฟ้าจะเป็นจริงในกรณีที่มีการเชื่อมต่อโหลดที่ไม่ตรงกันหรือโอเวอร์โหลดที่เอาต์พุต

การปรับปรุงการออกแบบข้างต้น:

การตรวจสอบอย่างรอบคอบแสดงให้เห็นว่าการออกแบบข้างต้นสามารถแก้ไขและปรับปรุงได้อย่างมากเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและคุณภาพผลผลิต:

1. ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำและสามารถถอดออกได้
2. เอาต์พุตต้องได้รับการอัพเกรดเป็นวงจรบริดจ์แบบเต็มเพื่อให้กำลังไฟเหมาะสมที่สุดสำหรับโหลด
3. ผลลัพธ์ต้องเป็นคลื่นไซน์บริสุทธิ์และไม่ใช่คลื่นที่ได้รับการดัดแปลงตามที่คาดไว้ในการออกแบบข้างต้น

คุณลักษณะทั้งหมดนี้ได้รับการพิจารณาและดูแลในวงจรโซลิดสเตตโคลงรุ่นอัพเกรดดังต่อไปนี้:

การทำงานของวงจร

1. IC1 ทำงานเหมือนกับวงจรออสซิลเลเตอร์มัลติไวเบรเตอร์แบบแอสเทเบิลปกติซึ่งสามารถปรับความถี่ได้โดยเปลี่ยนค่าของ R1 ให้เหมาะสม สิ่งนี้จะกำหนดจำนวนของ 'เสาหลัก' หรือ 'การสับ' สำหรับเอาต์พุต SPWM
2. ความถี่จาก IC 1 ที่ขา # 3 จะถูกป้อนไปยังขา # 2 ของ IC2 ซึ่งต่อสายเป็นตัวกำเนิด PWM
3. ความถี่นี้ถูกแปลงเป็นคลื่นสามเหลี่ยมที่ขา # 6 ของ IC2 ซึ่งเปรียบเทียบโดยแรงดันตัวอย่างที่ขา # 5 ของ IC2
4. พิน # 5 ของ IC2 ถูกนำไปใช้กับคลื่นไซน์ตัวอย่างที่ความถี่ 100 เฮิร์ตซ์ที่ได้รับจากวงจรเรียงกระแสสะพานหลังจากก้าวลงจากไฟหลักเป็น 12V อย่างเหมาะสม
5. ตัวอย่างคลื่นไซน์เหล่านี้ถูกเปรียบเทียบกับคลื่นสามเหลี่ยมพิน # 7 ของ IC2 ซึ่งส่งผลให้ SPWM มีสัดส่วนลดลงที่พิน # 3 ของ IC2
6. ตอนนี้ความกว้างพัลส์ของ SPWM นี้ขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดของคลื่นไซน์ตัวอย่างจากวงจรเรียงกระแสสะพาน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือเมื่อแรงดันไฟเมน AC สูงขึ้นจะทำให้เกิด SPWM ที่กว้างขึ้นและเมื่อแรงดันไฟ AC ต่ำลงจะลดความกว้าง SPWM และทำให้แคบลงตามสัดส่วน
7. SPWM ด้านบนกลับด้านด้วยทรานซิสเตอร์ BC547 และนำไปใช้กับประตูของมอสเฟ็ทด้านต่ำของเครือข่ายไดรเวอร์บริดจ์แบบเต็ม
8. นี่หมายความว่าเมื่อระดับไฟ AC ลดลงการตอบสนองบนประตู Mosfet จะอยู่ในรูปแบบของ SPWM ที่กว้างขึ้นตามสัดส่วนและเมื่อแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเพิ่มขึ้นประตูจะพบ SPWM ที่ลดลงตามสัดส่วน
9. แอปพลิเคชั่นข้างต้นจะส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของโหลดที่เชื่อมต่อระหว่างเครือข่าย H-bridge เมื่อใดก็ตามที่ไฟ AC อินพุตลดลงและในทางกลับกันโหลดจะผ่านแรงดันไฟฟ้าลดลงตามสัดส่วนหาก AC มีแนวโน้มที่จะสูงกว่าระดับอันตราย

วิธีการตั้งค่าวงจร

กำหนดจุดเปลี่ยนตรงกลางโดยประมาณซึ่งการตอบสนอง SPWM อาจเหมือนกับระดับ AC หลัก

สมมติว่าคุณเลือกให้เป็น 220V จากนั้นปรับค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้า 1K เพื่อให้โหลดที่เชื่อมต่อกับ H-bridge ได้รับ 220V โดยประมาณ

เพียงเท่านี้การตั้งค่าก็เสร็จสมบูรณ์แล้วส่วนที่เหลือจะได้รับการดูแลโดยอัตโนมัติ

หรือคุณสามารถแก้ไขการตั้งค่าข้างต้นให้อยู่ในระดับเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าในลักษณะเดียวกัน

สมมติว่าขีด จำกัด ล่างคือ 170V ในกรณีนั้นป้อน 170V ไปยังวงจรและปรับค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้า 1K จนกว่าคุณจะพบประมาณ 210V ในโหลดหรือระหว่างแขนสะพาน H

ขั้นตอนเหล่านี้สรุปขั้นตอนการตั้งค่าและส่วนที่เหลือจะปรับโดยอัตโนมัติตามการเปลี่ยนแปลงระดับ AC อินพุต

สำคัญ : โปรดเชื่อมต่อตัวเก็บประจุที่มีค่าสูงตามลำดับ 500uF / 400V ผ่านสาย AC ที่แก้ไขแล้วที่ป้อนเข้ากับเครือข่าย H-bridge เพื่อให้ DC ที่แก้ไขสามารถเข้าถึงได้สูงสุด 310V DC ผ่านสาย H-bridge BUS