จำลองการทำงานของ DC-DC Converter ควบคุมโดย PI Controller -

DC-DC converter ถูกนำมาประยุกต์ใช้งานในการจ่ายกำลังไฟฟ้าให้แก่รถยนต์ไฟฟ้า และอุปกรณ์ที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สามารถแปรผันได้ผ่านการควบคุม

วงจรไฟฟ้าพื้นฐานของ DC-DC Converter แสดงได้ดังนี้

DC-DC Converter จะทำหน้าที่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า DC จากแหล่งจ่ายที่มีค่าคงที่ ให้ได้แรงดัน DC ขาออก ที่สามารถปรับค่า โดยใช้หลักการ ON และ OFF อิเล็กทรอนิกส์สวิตซ์ เช่น IGBT/MOSFET หรือ เรียกกระบวนการนี้ว่า Chopping DC Voltage ในการ ON-OFF อิเล็กทรอนิกส์สวิตซ์มักนิยมใช้วงจร Pulse Width Modulation(PWM) ทำหน้าที่เปิดปิดอิเล็กทรอนิกส์สวิตซ์ อย่างไรก็ตามแรงดันไฟฟ้าเอาพุตที่ได้จะมีขนาดน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุต นอกจากนี้แล้ว L-C Filter จะถูกนำมาร่วมใช้ในวงจรเพื่อทำให้สัญญาณแรงดันขาออกมาความราบเรียบ

เราการออกแบบวงจร DC-DC Converter ภายใต้เงื่อนไขดังนี้

อินพุต 12VDC และให้แรงดันขาออกเฉลี่ย 5VDC
Output peak-peak ripple = 20 mV
Inductor current ripple = 0.8 A

จาก Kirchof Current Law จะได้ว่า

Δ I = \frac{V_{a} (V_{b} - V_{a})}{f L V_{b}}

$\Delta I=\frac{V_{a}(V_{b}-V_{a})}{fLV_{b}}$

(1)

ย้ายข้างสมการ (1) จะได้

L = \frac{V_{a} (V_{b} - V_{a})}{f Δ I V_{b}}

$L=\frac{V_{a}(V_{b}-V_{a})}{f\Delta IV_{b}}$

(2)

แทนค่าเงื่อนไขการออกแบบลงในสมการ (2) จะได้

L = \frac{5 (12 - 5)}{25, 000 \times 0.8 \times 12} = 145.84 μ H

$L=\frac{5(12-5)}{25,000\times 0.8\times 12}=145.84\, \mu H$

จาก Kirchof Current Law จะได้ว่า

Δ V_{c} = \frac{Δ I}{8 f C}

$\Delta V_{c}=\frac{\Delta I}{8fC}$

(3)

ย้ายข้างสมการ (3) จะได้

C = \frac{Δ I}{8 f Δ V_{c}}

$C=\frac{\Delta I}{8f\Delta V_{c}}$

(4)

แทนค่าเงื่อนไขการออกแบบลงในสมการ (4) จะได้

C = \frac{0.8}{8 \times 25, 000 \times 20 \times 10^{- 3}} = 200 μ F

$C=\frac{0.8}{8\times 25,000\times 20\times 10^{-3}}=200\, \mu F$

$f$ = chopping frequency

การจำลองการทำงานของ DC-DC Converter โดย Matlab/Simulink จะประกอบไปด้วย 2 ส่วน

วงจร DC-DC Converter จะใช้ค่าที่ได้จากคำนวณข้างต้นในการออกแบบ
ส่วนตัวควบคุมแบบพีไอ (PI Controller) จะทดลองกำหนดค่าแล้วปรับเปลี่ยนเพื่อให้ได้ผลตอบสนองที่เหมาะสม

วงจร DC-DC Converter จะประกอบด้วย

แรงดันไฟฟ้าอินพุตคง = 12 VDC
สัญญาณแรงดันไฟฟ้าอ้างอิง = 5VDC
ตัวต้านทาน(R) = 14 Ohm
ตัวเหนี่ยวนำ (L) = 0.146mH
ตัวเก็บประจุ (C) = 200 uF

ตัวควบคุมแบบพีไอ (PI Controller)

ค่า Kp = 0.001
ค่า Ki = 10

เราจะนำพารามิเตอร์ข้างต้นสร้างเป็นจำลองการทำงานของวงจร DC-DC Converter โดยใช้ PI Controller เป็นตัวควบคุมส่งสัญญาณให้แก่ วงจร Pulse Width Modulation เพื่อทำหน้าที่เปิดปิดสวิทซ์อิเล็กทรอนิกส์ และนำแรงดันขาออกที่ได้จาก DC-DC Converter ป้อนกับเข้าไปยัง PI Controller เป็นการควบคุมแบบปิด (Close Loop Control) แสดงได้ดังรูป

จากการ Simulation เราจะได้ แรงดันไฟฟ้าขาออกอยู่ที่ 5VDC แต่พบว่ามี Ripple ปนมาในแรงดันขาออก ทำให้แรงดันไฟฟ้าขาออกมีการแกว่งไปมาอยู่ที่ 3-5% ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบ L-C Filter ที่จะใช้ในการกรองสัญญาขาออก