Forward Converter คือวงจรแปลงไฟ DC-DC แบบมีการแยกทางไฟฟ้า (isolated DC-DC converter) ที่ถ่ายโอนพลังงานจากหม้อแปลงไปยังเอาต์พุตโดยตรงในช่วงที่สวิตช์เปิดทำงาน (switch-on period) นิยมใช้ในแหล่งจ่ายไฟกำลังระดับต่ำถึงปานกลางและอุปกรณ์โทรคมนาคม ข้อดี ได้แก่ ประสิทธิภาพที่ดีกว่าและแรงดันกระเพื่อม (ripple) ที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ Flyback Converter ขณะที่ข้อเสีย ได้แก่ วงจรที่มีความซับซ้อนมากขึ้นและจำเป็นต้องมีวงจรรีเซ็ตหม้อแปลงเพิ่มเติม

บทนำเกี่ยวกับตัวแปลง DC เป็น DC

DC-DC Converter คือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีหน้าที่หลักในการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงจากระดับหนึ่งไปเป็นอีกระดับหนึ่ง โดยพื้นฐานแล้วเป็นวงจรควบคุมแรงดันที่ประกอบด้วยสวิตช์ ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุ เพื่อใช้ในการแปลงและถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้า

DC-DC Converter มีการใช้งานอย่างหลากหลาย และสามารถแบ่งประเภทตามการแยกทางไฟฟ้าระหว่างวงจรอินพุตและเอาต์พุตได้เป็น:

• Isolated DC-DC Converter
• Non-isolated DC-DC Converter

โทโพโลยี (topology) ที่พบได้ทั่วไปของ Isolated DC-DC Converter ได้แก่:

• Flyback
• Forward
• Half Bridge
• Full Bridge
• Push-Pull

วงจร Forward Converter และหลักการทำงาน

รูปด้านบนแสดงวงจร Forward Converter ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของ DC-DC Converter ที่มีลักษณะคล้ายกับ Flyback และ Half-Bridge Converter สามารถให้แรงดันเอาต์พุตที่สูงกว่าหรือต่ำกว่าแรงดันอินพุตได้ พร้อมทั้งมีการแยกทางไฟฟ้า

Single-Transistor Forward Converter นิยมใช้ในแหล่งจ่ายไฟแบบออฟไลน์ (off-line power supply) กำลังต่ำถึงปานกลาง โดยการออกแบบที่ใช้งานจริงจำนวนมากอยู่ในช่วงตั้งแต่หลักสิบวัตต์ไปจนถึงไม่กี่ร้อยวัตต์ โครงสร้างที่เรียบง่ายและมีจำนวนอุปกรณ์ไม่มากนัก ทำให้เป็นทางเลือกที่เหมาะสมเมื่อเทียบกับ Flyback Converter ในกรณีที่ต้องการการแยกทางไฟฟ้า (galvanic isolation) นอกจากนี้ยังสามารถออกแบบให้เพิ่มหรือลดระดับแรงดันได้

Forward Converter มักเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมเมื่อจำเป็นต้องจ่ายกระแสเอาต์พุตสูง ซึ่งแตกต่างจากโทโพโลยีแบบบริดจ์และ Push-Pull โดย Single-Switch Forward Converter แบบทั่วไปจะจ่ายแรงดันเป็นพัลส์ขั้วเดียว (unipolar voltage waveform) ให้กับขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลง ดังนั้นแกนหม้อแปลงจึงต้องได้รับการรีเซ็ตในช่วงที่สวิตช์ปิด เพื่อป้องกันการสะสมของฟลักซ์และการอิ่มตัวของแกน (core saturation) โดยสามารถใช้ขดลวดรีเซ็ต (reset winding), วงจรรีเซ็ตแบบ RCD, วงจร Active Clamp หรือเทคนิคการรีเซ็ตแบบอื่นได้

ข้อดีของ Forward Converter

ข้อดีของ Forward Converter มีดังต่อไปนี้:

การใช้ประโยชน์จากหม้อแปลงได้ดีกว่า: Forward Converter ถ่ายโอนพลังงานผ่านหม้อแปลงโดยตรง และไม่ได้ใช้หม้อแปลงเป็นองค์ประกอบหลักในการเก็บพลังงาน ซึ่งสามารถช่วยลดกระแสพีกและกระแส RMS รวมถึงลดการสูญเสียในขดลวดทองแดงเมื่อเทียบกับ Flyback Converter ที่มีกำลังใกล้เคียงกัน โดยเฉพาะเมื่อทำงานที่ระดับกำลังสูงขึ้น หม้อแปลงโดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องมีช่องว่างอากาศ (air gap) โดยเจตนาเพื่อใช้สำหรับการเก็บพลังงาน และสามารถออกแบบให้มีค่าความเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (magnetizing inductance) ค่อนข้างสูงได้

แรงดันเอาต์พุตกระเพื่อมลดลง: ตัวเหนี่ยวนำเอาต์พุตและไดโอด Freewheeling ช่วยรักษากระแสเอาต์พุตให้ค่อนข้างคงที่ ส่งผลให้กระแสกระเพื่อมที่ด้านทุติยภูมิลดลง และช่วยลดแรงดันเอาต์พุตกระเพื่อมเมื่อเทียบกับ Flyback Converter ที่มีกำลังใกล้เคียงกัน

กระแสพีกของอุปกรณ์สวิตช์ต่ำกว่า: เนื่องจากพลังงานถูกถ่ายโอนไปยังเอาต์พุตโดยตรงในช่วงที่สวิตช์เปิด แทนที่จะถูกเก็บและปล่อยออกจากหม้อแปลง Forward Converter จึงโดยทั่วไปมีความเครียดด้านกระแสพีกและกระแส RMS ที่ต่ำกว่า Flyback Converter ที่มีกำลังใกล้เคียงกัน โดยเฉพาะเมื่อทำงานที่ระดับกำลังสูงขึ้น

ข้อเสียของ Forward Converter

ข้อเสียของ Forward Converter มีดังต่อไปนี้:

ต้นทุนเพิ่มขึ้น: Forward Converter โดยทั่วไปต้องใช้อุปกรณ์เพิ่มเติม เช่น ตัวเหนี่ยวนำเอาต์พุต อุปกรณ์เรียงกระแส/ไดโอด Freewheeling และวงจรรีเซ็ตหม้อแปลง ทำให้ต้นทุนโดยรวมและความซับซ้อนของวงจรเพิ่มขึ้น

จำเป็นต้องมีการรีเซ็ตหม้อแปลง: แกนหม้อแปลงต้องได้รับการรีเซ็ตอย่างเหมาะสมในช่วงที่สวิตช์ปิด เพื่อป้องกันการสะสมของฟลักซ์และการอิ่มตัวของแกน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับโทโพโลยี อาจต้องใช้ขดลวดรีเซ็ต วงจร RCD วงจร Active Clamp หรือเทคนิคการรีเซ็ตแบบอื่น

แรงดันที่อุปกรณ์ MOSFET ต้องรองรับสูง: ใน Single-Switch Forward Converter แบบทั่วไปที่ใช้ขดลวดรีเซ็ต MOSFET อาจต้องรองรับแรงดันที่เข้าใกล้สองเท่าของแรงดันอินพุต รวมถึงแรงดันกระชากที่เกิดจากความเหนี่ยวนำรั่ว (leakage inductance) ของหม้อแปลง ส่งผลให้ต้องเลือก MOSFET ที่มีพิกัดแรงดันสูงขึ้น โดยเฉพาะในแอปพลิเคชันที่ใช้แรงดันสูง

สรุป

Forward Converter เป็นวงจรแปลงไฟแบบแยกทางไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสำหรับแหล่งจ่ายไฟกำลังต่ำถึงปานกลาง ข้อดี ได้แก่ ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นและแรงดันเอาต์พุตกระเพื่อมต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ Flyback Converter ที่มีเงื่อนไขการทำงานใกล้เคียงกัน ขณะที่ข้อเสีย ได้แก่ ความซับซ้อนของวงจรที่เพิ่มขึ้น ความจำเป็นในการรีเซ็ตหม้อแปลง และความเครียดด้านแรงดันของสวิตช์ที่สูงขึ้นในบางรูปแบบการออกแบบ