สอบถามเรื่อง ZVS

  • 6 Replies
  • 3124 Views
สอบถามเรื่อง ZVS
« on: February 12, 2013, 01:32:35 pm »
zero voltang switching คืออะไรครับ แล้วดียังไง ผมล่ะไม่ค่อยเข้าใจ :-[

Re: สอบถามเรื่อง ZVS
« Reply #1 on: May 09, 2016, 07:24:16 pm »
ไม่เข้าใจเหมือนกัน รอผู้รู้มาช่วย ตอบคำถามหน่อย

Re: สอบถามเรื่อง ZVS
« Reply #2 on: May 23, 2016, 02:48:47 pm »
ผมพอตอบได้คร่าวๆนะครับ

อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่สวิตช์อย่างเช่น diode , transistor , mosfet etc

ยกตัวอย่างเช่น diode เมื่อมัน on จะมีแรงดันตกคร่อมประมาณ 0.7 หรือ 0.3 แล้วแต่ชนิด

เมื่อมีแรงดันตกคร่อมและกระแสไหลผ่านจะทำให้เกิด power loss หรือพลังงานสูญเสียในการสวิตช์

ตัวย่างการออกแบบเช่น วงจรสวิตชิ่งขับหลอด led bulb รุ่น 5 วัตต์ใช้ไฟอินพุต 220vac และมีอินพุต power = 5w

แตพอเราซื้อมาแกะวัดดูกลับพบว่ามันกินพลังงานที่หลอดเพียง 4 วัตต์อีก 1 วัตต์หายไปไหน

คำตอบคือมันสูญเสียไปในวงจรสวิตช์ 1 วัตต์ ซึ่งเสียไปกับอุกกรณ์สวิตช์ที่มีแรงดันตกคร่อมนั่นเองครับ ประมาณนั้นบลาๆ

ในทางทฏษฏี Pin = Pout แต่ในความเป็นจริง Pin != Pout

และนี่คือที่มาที่ไปของ ZVS ครับ

*

Offline dec

  • **
  • 68
    • View Profile
Re: สอบถามเรื่อง ZVS
« Reply #3 on: May 24, 2016, 12:50:13 am »
ผมเห็นกระทู้นี้เมื่อต้นเดือนตอนนั่งรถอยู่ กะว่ากลับถึงบ้านจะมาโพส แต่ก็ลืมไปเลย มาเห็นอีกที ตอนที่คุณ Maxitron โพส
เดี๋ยวผมช่วยขยายความนิดหน่อยแล้วกันครับ

ผมก็ไม่ได้เชี่ยวชาญนัก แต่พอจะรู้ทฤษฎีนิดหน่อย เพราะเคยทำพวกระบบหรี่ไฟ LED ด้วย PWM

เมื่อมีกระแสไฟลผ่านพวก diode , transistor และ mosfet ปกติจะเกิด loss ที่ในตัวนำอยู่แล้ว loss ส่วนนี้เรียกว่า
conduction loss แต่ขณะทำการ switch มันยังมี loss อีกส่วนหนึ่ง เรียกว่า switching loss เกิดขึ้นด้วย
เมื่อเทียบกับ conduction loss แล้ว switching loss มีค่าสูงกว่ามาก การเกิด switching loss นั้น
ผมจะยกตัวอย่างจาก mosfet n channel แล้วกันครับ

ปกติ n mosfet จะมีการทำงานแบบ bias ไฟเข้าขา gate-source แล้วกระแสจะสามารถไหลผ่านจาก
drain ไป source ได้ ซึ่งการทำงานตรงนี้เกิดจาก แรงดันที่ขา gate ไปเหนี่ยวนำให้เกิด
channel เป็นทางให้ electron ไหล

ตรงนี้มองอีกมุมหนึ่ง จะเหมือนกับว่าเดิมขา drain source ถูกขั้นด้วย Rds
ซึ่งปรับค่าได้ และมีค่าสูงมากๆ พอจ่ายแรงดันเข้าขา gate ค่า Rds ระหว่าง
drain กับ source จะมีค่าลดลง การเปลี่ยนแปลงของค่า Rds นี้จะเปลี่ยนแปลงแบบ
Linear คือ พอ mosfet on ค่า Rds จะมันค่อยๆ ลด จนใกล้เคียงกับ 0 และ
พอ mosfet off ค่า Rds จะค่อยๆ เพิ่มจน infinity ลักษณะเป็นกราฟเส้นตรง

แน่นอน การที่ Rds ค่อยๆ เปลี่ยนค่านี้ มันมีผล ทำให้กระแส ค่อยๆ ไหลด้วย
แปลว่าตอน mosfet เปลี่ยนจาก off ไป on ค่า Rds ลดลงยังไม่ทันจะ 0 กระแสก็เริ่มไหลผ่าน
mosfet แล้ว เมื่อกระแสไหลผ่าน R ค่าหนึ่ง ย่อมเกิดแรงดันตกค่อม

Quote
V = I*R

และมีพลังงานส่วนหนึ่งสูญเสียไปเป็นความร้อนตามสมการ และรูปข้างล่าง

Quote
P = Ids2Rds


ยืมภาพจาก https://www.maximintegrated.com/en/images/appnotes/4266/4266Fig04.gif

พลังงานความร้อนนี้จะเกิดแค่ช่วงเวลาหนึ่ง เพราะไม่นาน Rds ก็จะลดจนเป็น 0
แหล่งกำเนิดพลังงานก็จะหายไป และพลังงานความร้อนที่เกิดมาแล้วก็จะถูกระบายออกไปตามตัวถัง
ของ mosfet แล้วจะระบายออกทาง heat sink หรือ หล่อเย็นก็ว่าไป

สำหรับระบบที่ไม่ได้มีการ switch ถี่นัก ความร้อนนี้ก็ไม่ได้มีผลอะไรมากมาย เพราะเรามีเวลา
cool down เหลือเฟือ กว่าจะเกิดการ switch อีกรอบ แต่สำหรับพวกวงจรที่มีความถี่ switching
สูงมากๆ เช่น Converter, Inverter รวมถึง CPU ด้วย จะมีผลอย่างมาก เพราะมันทำให้อุปกรณ์
เสื่อมเร็วขึ้น หรือถ้าระบายความร้อนไม่ทันจนมัน over heat อุปกรณ์ก็เจ้งได้

กรณี Converter กับ Inverter แม้ว่าความถี่การ switch ไม่ได้สูงเป็น MHz แต่วงจรพวกนี้มี
กระแสไหลผ่าน mosfet สูงมากความร้อนในการ switch 1 ครั้งก็เกิดขึ้นมากด้วยเช่นกัน

กรณี CPU แม้ว่ากระแสจะต่ำมาก แต่ความถี่ในการ switch สูงมากเป็น GHz และยังมีจำนวน
mosfet ในชิปเป็น ล้านๆ ตัว อันนี้เป็นสาเหตุว่าทำไมเรา overclock CPU แล้วมันร้อนขึ้น
แม้เราจะจ่าย Vcore เท่าเดิม

OK เรารู้จักที่มาของ switching loss แล้ว มาต่อที่ ZVS เมื่อรู้แล้วว่า เรามีความร้อนเกิดขึ้นจาก
Rds กับ Ids มีแรงดันตกคร่อม Rds คือ Vds

เค้าเลยต้องการลดความร้อนที่เกิดจาก P = Ids2Rds โดยใช้หลักการว่า
ทำยังไงก็ได้ ให้กระแส Ids มันเริ่มไหลเมื่อ Rds ลดลงจนเป็น 0 ไปแล้ว หรือพูดในอีกนัยหนึ่งคือ
ให้ switch ทำงาน ขณะที่ Vds มีค่าเป็น 0V เป็นที่มาของคำว่า Zero voltage switching

วิธีการให้ switch ทำงาน ขณะที่ Vds มีค่าเป็น 0V นั้น จากสมการ Vds =  Ids * Rds

ในภาวะที่ mosfet off ค่าของ Ids จะมีค่าประมาณ 0A และ Rds มีค่า Infinity
ค่า Vds จะมีค่าประมาณ 0V
(ในทางปฏิบัติมันไม่ 0 หรอก เพราะเรา bias ไฟ ระหว่าง drain กับ source ไว้
ก็เหมือนเราวัดถ่านไฟฉายนั่นแหละ ความหมายจริงๆ คือยังไม่มี Ids ไหลผ่าน mosfet)

ในภาวะที่ mosfet จาก off มา on ให้หน่วง Ids ไว้ อย่าพึ่งเพิ่ม ให้ Rds
ลดจนเป็น 0 ก่อน แล้วค่า Ids ค่อยเพิ่ม จึงทำให้ Vds จะมีค่าประมาณ 0V ตลอด
ปกติใช้ C กับ L ช่วยในการหน่วงกระแส

ในภาวะที่ mosfet จาก on มา off ตรงนี้ไม่สามารถทำอะไรได้ เพราะในทางปฏิบัติไม่รู้จะลด Ids
ให้เป็น 0 ก่อน Rds เพิ่มยังไง

เพราะงั้นสรุปเลยก็คือ zero voltage switching ใช้ช่วยลดความร้อนที่เกิดจาก switching loss
ในส่วนของ off ไป on พอความร้อนลดลง วงจรก็สามารถทำงานได้ถี่ขึ้น หรือ ประหยัดค่าระบบระบายความร้อน
ไม่ต้องใส่ heatsink ใหญ่ๆ สินค้ามีขนาดเล็กลง

Re: สอบถามเรื่อง ZVS
« Reply #4 on: May 24, 2016, 08:25:27 am »
ความเห็นนี้ตอบได้เคลียด์ดีจริงๆ มาขอบคุณแทนเจ้าของกระทู้ครับ

Re: สอบถามเรื่อง ZVS
« Reply #5 on: June 04, 2016, 10:53:00 am »
ตัวอย่างที่เห็นได้ก็คือในวงจรคอนเวอร์เตอร์ เช่น buck mode จะใช้ไดโอดเป็นเส้นทางการไหลของกระแสจากตัวเหนี่ยวนำเมื่อสวิทช์จากแหล่งจ่าย off


ที่นี้มันมีแรงดัน forward voltage ประมาณ 0.2 - 1.5 โวลต์แล้วแต่ขนิดไดโอด แต่ส่วนใหญ่อยู่แถว 0.5-0.7 โวลต์ นั่นแปลว่าถ้ากระแสไหลผ่าน 1 แอมป์ก็เท่ากับกำลังเสียในไดโอด 0.5-0.7 วัตต์ สมมติว่าโหลดใช้แรงดัน 3.3 โวลต์ หรือเท่ากับกำลัง 3.3 วัตต์ วงจรก็เสียประสิทธิภาพเฉพาะกับไดโอดไปเกือบ 20 เปอร์เซนต์เลย   และแรงดันคร่อมโหลดก็หายไปด้วย ซึ่งปกติ buck มันให้แรงดันออกที่ต่ำอยู่แล้ว ถ้าออกแบบไม่ดีไดโอดตัวนี้่ก็ทำแรงดันในระบบหาบไปเยอะ เช่น ขาออก 3.3 โวลต์ อาจจะเหลือแค่ 2.6 โวลต์  เป็นต้น 

วิธีแก้ก็ใช้พวกมอสเฟตมาทำสวิทช์ เพราะพวกนี้มีรุ่นที่ความต้านทานขาออกต่ำถึงต่ำมาก Rds (on) เป็นมิลลิโอห์มเลย  ทำให้กำลังงานและแรงดันตกคร่อมในตัวมันต่ำไปด้วยแก้ปัญหาจากการใช้ไดโดดได้หมด แต่ต้องมีตัวควบคุมจังหวะเปิดปิดที่ขาเกท ซึ่งมันไม่ออโต้เหมือนไดโดด

Re: สอบถามเรื่อง ZVS
« Reply #6 on: November 05, 2017, 11:29:51 pm »
กำลังหาข้อมูล switching power supply แบบ ZVS อยู่ อ่านแล้วได้ความรู้ขึ้นมาเยอะเลยครับ ขอขอบคุณเจ้าของกระทู้ และพี่ๆที่ช่วยเข้ามาอธิบายครับผม