บทนำ power e
TRANSCRIPT
บทท 1
บทนา
ในบทนเราจะทาการศกษาเกยวกบประวตความเปนมาของสาขาวชาอเลกทรอนกสกาลง อปกรณสารกง
ตวนา ระบบของอเลกทรอนกสกาลง หมอแปลง ฯลฯ พอสงเขป เพอเปนพนฐานในการศกษา วเคราะห และออกแบบ
วงจรหรอระบบทางอเลกทรอนกสกาลงตอไป
1.1 ประวตความเปนมาของอเลกทรอนกสกาลง
ในชวงประมาณปครสตศกราช 1900 จนถงทศวรรษท 1950 การควบคมกาลงงานในระบบตางๆยงคงใช
อปกรณจาพวก Metal tank rectifier, Grid-controlled vacuum-tube rectifier , Ignitron , Phanotron และ Thyratron ตาม
ลกษณะการนาไปใชงาน
การพลกผนทางประวตศาสตรของอเลกทรอนกสกาลงไดเกดขนครงแรกในป ค.ศ.1948 เมอมบคลากรสาม
คน คอ Bardeen , Brattain และ Shockley ไดทาการประดษฐซลกอนทรานซสเตอร (Silicon transistor) ขนท
หองปฏบตการ Bell Telephone Lab. ซงเปนจดเรมตนของความกาวหนาของเทคโนโลยทางดานอเลกทรอนกสและ
อปกรณสารกงตวนาอยางตอเนอง จนกระทงเราสามารถผลตอปกรณไมโครอเลกทรอนกส (Microelectronics) ไดใน
ปจจบน จากนนในป ค.ศ.1956 หองปฏบตการ Bell Telephone Lab. ไดทาการพฒนา PNPN Triggering transistor ขน
อกและตงชอวา ไทรสเตอร (Thyristor) หรอ Silicon-controlled rectifier (SCR)
2 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
การเปลยนแปลงครงสาคญครงทสองของวงการอเลกทรอนกสกาลงไดเกดขนในป ค.ศ.1958 เมอบรษทเจน
เนอรลอเลกตรก (General Electric,G.E.) ไดผลตไทรสเตอรออกจาหนายซงนบไดวาเปนการเรมตนศกราชใหมของ
วงการอเลกทรอนกสกาลง หลงจากนนอปกรณสารกงตวนาประเภทอนๆจานวนมากไดถกพฒนาและผลตขนใชงาน
พรอมกบเทคนคและวธการตางๆในการแปลงผนกาลงงาน (Power conversion) การทอปกรณสารกงตวนาเขามาม
บทบาทในวงการอเลกทรอนกสกาลงทาใหการแปลงผนกาลงงานสามารถควบคมไดงาย มรปรางของสญญาณทด
และประสทธภาพทสงขน ในปจจบนเราไดมการนาเทคโนโลยทางดานไมโครอเลกทรอนกสท รวดเรว แมนยา และม
ความเทยงตรงสง เชน ไมโครคอนโทรลเลอร (Microcontroller) มาใชในการควบคมการแปลงผนกาลงงานทาให
ประสทธภาพทไดสงขนกวาเดม จากพฒนาการดงกลาวขางตนเราสามารถแสดงลาดบการววฒนาการทาง
อเลกทรอนกสกาลงไดดงแผนภาพในรปท 1.1
รปท 1.1 แผนภาพแสดงลาดบการววฒนาการทางอเลกทรอนกสกาลง
(ขอมลจาก Tennessee Center for Research and Development)
1.2 วงจรอเลกทรอนกสกาลง
วงจรอเลกทรอนกสกาลงสามารถแบงเปนองคประกอบไดสามสวนคอ
1) วงจรกาลง (Power circuit)
2) วงจรอเลกทรอนกส (Electronics circuit)
3) การควบคม (Control)
บทท 1 บทนา 3
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
ซงเราอธบายถงสวนตางๆพอสงเขปไดดงน วงจรกาลง หมายถง อปกรณหรอเครองมอทใชในการ กาเนด
สงผาน แบงแยก และแปลงผนกาลงงานทางไฟฟา วงจรอเลกทรอนกส หมายถง อปกรณทางโซลดสเตท (Solid-state)
หรออปกรณสารกงตวนาทใชเปนวงจรกาเนดสญญาณควบคม เพอใหวงจรกาลงสงผานกาลงงานไดตามตองการ และ
ในสวนสดทายคอ การควบคม หมายถง การออกแบบวงจรในสภาวะสงบ (Steady-state) และคาคณลกษณะเฉพาะทาง
ไดนามก (Dynamic characteristics) ของระบบ ดงนนเราอาจจะนยามความหมายของวงจรอเลกทรอนกสกาลงไดวา
เปนวงจรทออกแบบโดยใชอปกรณสารกงตวนาเพอควบคมและแปลงผนกาลงงานทางไฟฟา
ปจจบนอปกรณทางดานอเลกทรอนกสเขามามบทบาทในชวตประจาวนอยางมาก เชน คอมพวเตอร (ซงถอ
ไดวาเปนตลาดสาคญของอปกรณอเลกทรอนกส) วทย โทรทศน รถยนต เปนตน แมแตในวงการอตสาหกรรมกมการ
ใชวงจรอเลกทรอนกสกาลงอยางแพรหลายเชน ในการควบคมมอเตอรในระบบสายพานลาเลยง การหลอมหรอชบ
แขงผวโลหะ เครองเชอมไฟฟา เปนตน อปกรณตางๆเหลานในขณะทางานจะตองใชพลงงานจากแหลงจายซงม
ลกษณะแตกตางกนออกไปตามสภาวะการใชงานเชน แบตเตอรขนาดตางๆ เครองปนไฟ (Dynamo) แหลงไฟบาน
(220Vrms) ระบบไฟฟาสามเฟส (Three phase system) เปนตน ดงนนวงจรอเลกทรอนกสกาลงจงเขามามบทบาท
อยางมากในการควบคมและแปลงผนกาลงงานเพอใหเหมาะสมกบอปกรณทใชงาน ยกตวอยางเชน วงจร
อเลกทรอนกสกาลงในเครองคอมพวเตอรจะทาหนาทควบคมและแปลงผนกาลงงานจากไฟบาน (220Vrms) ใหเปน
ไฟตรง 5V และ 12V (ในบางครงเราจะเรยกวงจรอเลกทรอนกสกาลงสนๆวาวงจรกาลง (Power circuit) )
วงจรกรอง
ดานอนพตวงจรกำลง
วงจรกรอง
ดานเอาตพต
วงจรควบคม
วงจรขบสวตช
วงจรปอนกลบ
ทางไฟฟา
วงจรปอนกลบ
ทางกล
โหลดพลงงานไฟฟาทางอนพต
ระบบอเลกทรอนกสกำลง
รปท 1.2 แผนผงแสดงระบบอเลกทรอนกสกาลง
ในการวเคราะหและออกแบบวงจรอเลกทรอนกสกาลงเรามกจะเนนหนกในเรองประสทธภาพของวงจร
เนองจากผลของความแตกตางระหวาง กาลงงานทางดานขาเขา กบ กาลงงานทางดานขาออก เปนคาทแสดงถงกาลง
งานทสญเสยไปจากการแปลงผนกาลงงานของวงจร นนหมายถงวงจรจะทาใหเกดความสนเปลองพลงงานดวย ซง
กาลงงานสวนนจะสญเสยไปในวงจรอเลกทรอนกสกาลงนนเอง และมกจะปรากฏในรปของพลงงานความรอนเปน
สวนใหญ ดงนนถงแมวาในการออกแบบเราจะวเคราะหถงผลของการสญเสยพลงงานรวมดวย แตปญหาหลกของการ
4 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
ออกแบบคอ การขจดพลงงานความรอนออกจากวงจรอเลกทรอนกสกาลง เพราะวาปรมาณความรอนทเกดขนใน
วงจรจะสงผลตอขนาดของอปกรณทใชงานและระบบการระบายความรอน นนหมายถงคาใชจายทจะตองสงขนตาม
ดงนนในการออกแบบวงจรอเลกทรอนกสกาลงเราจงตองพยายามออกแบบใหวงจรมประสทธภาพสงๆ โดยการ
เลอกใชอปกรณสารกงตวนาชนดกาลง (Power semiconductor) ทาหนาทเปนสวตชในวงจรกาลงเพอลดการสญเสย
ของกาลงงานในตวสวตช เนองจากมแรงดนตกครอมใกลเคยงศนยในขณะนากระแส และมกระแสใกลเคยงศนย
ในขณะหยดนากระแส นอกจากนในการออกแบบวงจรกรองของวงจรอเลกทรอนกสกาลงมกจะใชอปกรณสะสม
พลงงานสองชนดคอ ตวเกบประจ (Capacitor) และ ตวเหนยวนา (Inductor) เพราะเปนอปกรณทมการสญเสยตา ใน
การวเคราะหและออกแบบวงจรอเลกทรอนกสกาลงเบองตนน เราจะละเลยผลของกาลงงานสญเสยในอปกรณดงกลาว
ขางตน โดยจะถอวาเปนอปกรณทไมมการสญเสย (Lossless elements)
เมอมการออกแบบระบบหลกของอเลกทรอนกสกาลงแลวสวนประกอบตางๆมกจะถกออกแบบเพมเตมเขา
กบวงจรอเลกทรอนกสกาลงเพอใหการทางานของระบบมประสทธภาพสงขนดงแสดงในรปท 1.2 จากแผนผงจะ
เหนวาเมอเกดการสวตช (Switching) ในวงจรอเลกทรอนกสกาลง จะเกดสญญาณฮารมอนก (Harmonic) ของแรงดน
หรอกระแสขนทงทางดานขาเขา (Input) และขาออก (Output) ของวงจรกาลง ซงเปนการรบกวนทงอปกรณภายใน
และภายนอกระบบ ดงนนจงตองมการใสวงจรกรอง (Filter) ทงทางดานขาเขาและขาออกของวงจรกาลงดวย
นอกจากนเรายงสามารถปอนกลบคาสญญาณทางไฟฟาหรอสญญาณในเชงกลจากโหลด (Load) ผานวงจรปอนกลบ
(Feedback circuit) ไปใหกบวงจรควบคม (Control circuit) เพอทาการประมวลผลของสญญาณปอนกลบ และกาเนด
สญญาณสาหรบขบนาสวตช (Switch drives) เพอใหไดคณลกษณะตางๆทโหลดตามตองการ สดทายเรายงอาจจะตอง
เพมเตมระบบดวยอปกรณเสรมอนๆอก เชน การใชแผงระบายความรอน (Heat sink) พดลม หรอ ระบบหลอเยน
เพอระบายความรอนใหกบอปกรณกาลงในวงจรอเลกทรอนกสกาลง
1.3 อปกรณสารกงตวนาชนดกาลงทใชเปนสวตช
ความกาวหนาทางดานอปกรณกาลงเกดขนอยางรวดเรว ตงแตเราไดคนพบวธการผลตไทรสเตอรกาลงขน
เปนอปกรณชนดแรกในป ค.ศ.1957 และไดถกพฒนาขนใชเฉพาะในวงการอตสาหกรรมจนถงป ค.ศ.1970 หลงจาก
นนอปกรณกาลงชนดอนๆจงไดถกพฒนาขนอยางตอเนองและจาหนายกนอยางแพรหลาย จนกระทงปจจบนเรา
สามารถแบงแยกชนดของอปกรณกาลงไดสามกลม คอ
1) ไดโอดกาลง (Power diodes) เปนอปกรณสวตชทไมสามารถควบคมการทางานได โดยการนาหรอ
หยดนากระแสแปรตามสภาพการทางานของวงจรกาลง ซงจะเปนตวกาหนดคาศกดาครอมตวไดโอดวา
จะเปนการไบอสตรงหรอไบอสกลบ
บทท 1 บทนา 5
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
2) ไทรสเตอร (Thyristors) เปนอปกรณสวตชกงควบคมได โดยสามารถคงสภาพการนากระแสไดเมอ
ไดรบสญญาณขบนาสวตช แตในการหยดนากระแสตองใชวงจรกาลงหรอวงจรพเศษเขาชวย ซงเรา
ยงสามารถจาแนกไทรสเตอรไดอก 11 ชนดคอ
(1) Forced-commutated thyristor
(2) Line-commutated thyristor
(3) Gate-turn-off thyristor (GTO)
(4) Reverse-conducting thyristor (RCT)
(5) Static induction thyristor (SITH)
(6) Gate-assisted turn-off thyristor (GATT)
(7) Light-activated silicon-controlled rectifier (LASCR)
(8) MOS turn-off thyristor (MTO)
(9) Emitter turn-off thyristor (ETO)
(10) Integrated gate-commutated thyristor (IGCT)
(11) MOS-controlled thyristor (MCT)
3) ทรานซสเตอร (Transistors) เปนอปกรณสวทชทควบคมได (Controllable switches) เปนอปกรณท
สามารถควบคมการนา หรอหยดนากระแสไดจากสญญาณขบนาสวตช สามารถแบงเปนประเภทตางๆ
ไดดงน
(1) ไบโพลารทรานซสเตอรกาลง (Power bipolar junction transistor: BJT)
(2) มอสเฟตกาลง (Power Metal oxide semiconductor field-effect transistor: MOSFET)
(3) ไอจบท (Insulated-gate bipolar junction transistor: IGBT) และ เอสไอท (Static induction
transistor: SIT)
1.3.1 ไดโอดกาลง ( Power Diodes )
ไดโอดกาลงเปนอปกรณสารกงตวนาทมสองขวโดยทขวดานหนงเรยกวา อาโนด
(Anode) สวนอกขวหนงเรยกวาคาโทด (Cathode) เราจะไมสามารถควบคมการทางานของ
อปกรณชนดนได เนองจากการทางานของไดโอดจะแปรตามคากระแสหรอแรงดนภายใน
วงจร ไดโอดในอดมคตเมอนากระแสจะมคาของกระแสอาโนดเปนบวก (Anode current ,
iD > 0) และมคาแรงดนตกครอมไดโอดประมาณศนย VD = 0 เมอแรงดนทางดานคาโทดม
คาสงกวาแรงดนทางดานอาโนด VD < 0 ไดโอดจะหยดนากระแส เราเรยกสภาวะนวา Blocking mode และในกรณท
กระแสในไดโอด iD ลดลงจนกระทง iD = 0 จะทาใหไดโอดเขาสสภาวะหยดนากระแสเชนกน แตถาหากวาไดโอด
อยในสภาวะหยดนากระแสและเราทาการเพมแรงดนจนกระทงมแรงดนทางดานอาโนดสงกวาทางดานคาโทด VD > 0
6 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
ไดโอดจะเขาสสภาวะการนากระแส สวนในทางปฏบตเมอไดโอดทางานจะมแรงดนตกครอมอยระหวาง 0.2 ถง 1.2
โวลตขนกบชนดของไดโอด ซงสญลกษณและกราฟความสมพนธของกระแสและแรงดนของไดโอดทางปฏบตและ
ในอดมคตแสดงไดดงรปท 1.3
vD
iD
A K
iD
vD
I
VF(I)0
Vrated
Reverseblockingregion
iD
vD0
(ก) (ข) (ค)
รปท1.3 (ก) สญลกษณของไดโอด
(ข) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของไดโอดในทางปฏบต
(ค) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของไดโอดในอดมคต
ไดโอดกาลงในทางปฏบตเราจาแนกออกไดสามชนดคอ
1) แบบทวไป (General purpose)
2) แบบความเรวสง (High speed หรอ Fast recovery)
3) ชอตก (Schottky)
ในไดโอดใชงานทวๆไปจะมอตราในการทนกระแสและแรงดนไดหลายขนาดซงอาจจะสงถง 3500แอมแปร
3000โวลต สวนในไดโอดแบบความเรวสงมจดเดนอยทคาเวลาฟนตว (Reverse recovery time , trr) ทมคาตาระหวาง
0.05 ถง 5 µs ซงหมายถงความสามารถในการสวตชไดเรว ทาใหเหมาะกบการนาไปใชในวงจรแปลงผนทมความถ
การสวตชสง อตราทนกระแสและแรงดนของไดโอดประเภทนอาจมคาสงถง 1000แอมแปร 3000โวลต และใน
ไดโอดชอตกมจดเดนอยทมคาเวลาฟนตวตามากโดยอยในระดบของนาโนวนาท และยงมคาแรงดนตกครอมไดโอด
ในขณะนากระแสตามากอกดวย (ประมาณ 0.3 โวลต) แตไดโอดชนดนมพกดกระแสและแรงดนไดไมสงมากนกคอ
ประมาณ 300แอมแปร 100โวลต และมคากระแสรวไหลแปรตามคาของอตราทนแรงดนอกดวย
บทท 1 บทนา 7
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
t00.25I
RR
IRR
trr
ta
tb
iD
QRR
t00.25I
RR
IRR
trr
ta
tb
iD
QRR
(ก) (ข)
รปท 1.4 (ก) ลกษณะการเกดชวงเวลาฟนตวอยางปกต
(ข) ลกษณะการเกดชวงเวลาฟนตวอยางเรว
ชวงเวลาฟนตว (Reverse recovery time, trr) เมอไดโอดถกไบอสตรง กระแสทไหลในไดโอดจะเกดขน
เนองจากผลรวมของพาหะประจสวนใหญ (Majority carriers) และพาหะประจสวนนอย (Minority carriers) ดงนนถา
ไดโอดนากระแสอยกอนแลว เมอมการไบอสกลบกจะทาใหมการลดลงของกระแสในไดโอดจนกระทงเปนศนย
จากนนไดโอดจะยงคงนากระแสอยไดเนองจากพาหะประจสวนนอยทคงคางอยในรอยตอ p-n ของไดโอดและในเนอ
สารของตวสารกงตวนาทมขนาดใหญ ซงพาหะประจสวนนอยนจะตองใชเวลาในการรวมตวใหม (Recombination)
ระหวางประจตรงกนขาม เพอใหมสภาวะเปนกลาง เราเรยกชวงเวลานวา “ชวงเวลาฟนตว (Reverse recovery time,
trr )” ซงชวงเวลาฟนตวนสามารถแสดงไดดงรปท 1.4 ซงแบงไดเปน 2 ลกษณะ คอ
1) การฟนตวปกต (Soft - recovery)
2) การฟนตวอยางเรว (Abrupt recovery)
โดยปกตแลวคาชวงเวลาฟนตว trr จะหาไดโดยวดจากจดตดศนยของกระแสไดโอดจนถงคาท 25 เปอรเซนต
ของคายอดของกระแสยอนกลบ (Peak reverse current ; IRR) โดยมกจะมคาแปรตามอณหภมของรอยตอ คาอตราการ
ลดลงของกระแสไปหนา (Forward current) และคาของกระแสไปหนากอนเกดการสบเปลยน ซงคาของชวงเวลาฟน
ตวจะแบงไดเปน 2 ชวงคอ ta ซงเกดขนเนองจากประจสะสมในยานดพลชน (Depletion region) ของรอยตอ เปน
ชวงเวลาระหวางจดตดศนยของกระแสไดโอดจนกระทงกระแสมคายอนกลบสงสด IRR และ tb ซงเกดขนเนองจาก
การสะสมของประจในเนอสารกงตวนาทมขนาดใหญ หรออาจจะกลาวไดวา trr = ta + tb และคาอตราระหวาง tb/ta เรา
เรยกวา “Softness factor; SF ” ดงนนเราจะหาคาของกระแสมคายอนกลบสงสด IRR ไดจากรปท1.4 คอ
d =
dRR a
iI t
t
ประจในชวงฟนตว (Reverse recovery charge ; QRR) เปนจานวนของประจพาหะทไหลผานไดโอดใน
ทศทางยอนกลบเนองจากการเปลยนการนากระแสจากสภาวะไปหนา (Forward conduction) ไปยงสภาวะปองกนการ
8 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
ยอนกลบ (Reverse blocking condition) ซงเราสามารถหาคาไดจากบรเวณทเกดกระแสฟนตวยอนกลบ (Reverse
recovery current) คอ
1 1 1 = + =
2 2 2RR RR a RR b RR rrQ I t I t I t
รปท 1.5 ลกษณะตางๆของไดโอดแบบทวไป
ลกษณะรปรางของไดโอดทวๆไปมสองลกษณะคอ แบบมขาอปกรณเราเรยกวาแบบ “Stud” หรอ “Stud-
mounted” และอกแบบหนงเปนรปทรงแบนเราเรยกวาแบบ “Disk” หรอ “Press pak” หรอ “Hockey puck” ดงแสดงไว
ในรปท 1.5
1.3.2 ไทรสเตอร ( Thyristor )
อปกรณกาลงชนดนโดยทวๆไปมสามขาคอ คาโทด (Cathode) อาโนด (Anode) และ เกท (Gate) ไทร
สเตอรจะนากระแสไดกตอเมอแรงดนทางดานอาโนดสงกวาทางดานคาโทด VAK > 0 และตองมสญญาณพลสปอนเขา
ทขาเกทเพอใหมกระแสผานจากขาเกทไปยงขาคาโทดเลกนอย เพอเปนการกระตนใหเกดการนากระแส เมอไทร
สเตอรในอดมคตนากระแสจะมแรงดนตกครอมประมาณศนย VAK = 0 ในการหยดนากระแสของไทรสเตอรจะคลาย
กบไดโอดคอ จะเกดขนเมอสภาวะแรงดนทดานคาโทดสงกวาอาโนด VAK < 0 หรอเกดขนเมอกระแสทขาอาโนดมคา
บทท 1 บทนา 9
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
นอยกวาศนย (Anode current , iA < 0) จากตวอยางของไทรสเตอรบางชนดจะเหนวา Line-commutated thyristor จะ
หยดนากระแสไดเอง เนองจากลกษณะของแรงดนทางดานขาเขาทเปนไซน (Sinusoidal) สวนใน Force-commutated
thyristor การหยดนากระแสจาเปนตองใชวงจรพเศษคอ Commutation circuit ชวยทางาน ในทางปฏบตเมอไทรสเตอร
นากระแสจะมแรงดนตกครอมอาโนดและคาโทด VAK คอนขางตาคออยระหวาง 0.5 ถง 2 โวลต ซงสญลกษณและ
กราฟความสมพนธของกระแสและแรงดนของไทรสเตอรโดยทวไปในทางปฏบตและในอดมคตแสดงไดดงรปท 1.6
iA
vAK0
Reverseblockingregion
iG
iA
vAK
A
K
Reversebreakdown
voltage
Forwardbreakdown
voltage
Reversebreakdown
Off-state
On-state
Off-to-onIf i
G pulse is applied
G
(ก) สญลกษณของไทรสเตอรทวไป (ข) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของไทรสเตอรทวไปในทางปฏบต
iA
vAK0
Reverseblocking
Forwardblocking
Off-to-on
On-state
(ค) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของไทรสเตอรทวไปในอดมคต
รปท 1.6 สญลกษณและความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของไทรสเตอร
ไทรสเตอรทวๆไปจะเปนแบบ Line-commutated thyristor ซงในการใชงานเราสามารถเลอกอปกรณทมพกด
กระแสและแรงดนไดสงถง 3500แอมแปร 6000โวลต และสาหรบชวงเวลาหยดนากระแส (Turn-off time) ของไทร
สเตอรทมความเรวสงๆสามารถใชเวลาเพยง 10 ถง 20 ไมโครวนาทเทานน โดยชวงเวลาหยดนากระแสนเปนชวงเวลา
ทใชเพอใหกระแสหลกในตวไทรสเตอรลดลงเปนศนยและอยในสภาวะหยดนากระแสอยางสมบรณ นนคอถงแมวา
เราจะปอนแรงดนท VAK > 0 ไทรสเตอรจะยงคงไมทางานจนกวาจะมสญญาณพลสมากระตนทขาเกท ตวอยางของ
อปกรณนทรจกกนด คอ เอสซอาร (SCR: Silicon-controlled rectifier)
อปกรณอกสองชนดคอ RCT และ GATT สาหรบไทรสเตอรสองชนดนมกจะนยมใชในการใชงานทม
ความถการสวตชสงโดย RCT จะเสมอนเปนไทรสเตอรทมไดโอดตอขนานแตกลบทศทางรวมอยดวย และสามารถ
เลอกใหมพกดกระแสและแรงดนไดถง 2000แอมแปร 4000โวลต และ มอตรากระแสยอนกลบผานไดโอดไดถง 400
10 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
แอมแปร โดยมความเรวในการสวตช(Switching time)เทากบ 40 ไมโครวนาท สวนไทรสเตอรชนด GATT สามารถ
เลอกใหมพกดกระแสและแรงดนไดถง 400แอมแปร 1200โวลต และมความเรวในการสวตชไดถง 8 ไมโครวนาท
iG
iA
vAK
A
K
G
รปท 1.7 สญลกษณของไทรสเตอรแบบ LASCRs
LASCR ไทรสเตอรชนดนมความเหมาะสมกบการนาไปใชงานในระบบไฟฟาแรงสง โดยเฉพาะในงาน
ประเภทไฟตรงแรงดนสง (HVDC) เนองจากอปกรณสามารถเลอกใชงานตามพกดกระแสและแรงดนไดถง 1500
แอมแปร 6000โวลต และมความเรวในการสวตชได 200 - 400 ไมโครวนาท ซงสญลกษณของ LASCR แสดงไดดง
รปท 1.7
รปท 1.8 ลกษณะตางๆของไทรสเตอรแบบตางๆ
ซงรปรางของอปกรณไทรสเตอรแบบตางๆจะคลายคลงกบไดโอดแตจะมขาเกทสาหรบควบคมการทางาน
แยกออกมาดงรปท 1.8
บทท 1 บทนา 11
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
iG
iA
v
MT1
MT2
iA
VMT1> VMT20Forward
breakdownvoltage
Off-state
On-state
Off-to-onIf iG pulse is applied
Forwardbreakdown
voltage Off-state
Off-to-onIf iG pulse is applied
On-state
VMT1< VMT2G
(ก) สญลกษณของไตรแอก (ข) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของไตรแอก ในทางปฏบต
iA
0Forwardblocking
Off-to-on
On-state
VMT1> VMT2VMT1< VMT2
Forwardblocking
Off-to-on
On-state
(ค) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของไตรแอกในอดมคต
รปท 1.9 สญลกษณและความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของไตรแอก
ไตรแอก (TRIAC) เปนอปกรณทเรานยมนามาใชในการควบคมการแปลงผนไฟฟากระแสสลบทกาลง
งานตา โดยโครงสรางจะคลายกบการนาเอสซอารสองตวมาตอขนานแตกลบทศทางกน โดยมขาควบคมคอขาเกท
เพยงขาเดยว ทาใหไตรแอกสามารถทนแรงดนไดสองทศทาง และกระแสในไตรแอกสามารถไหลไดทงสองทศทาง
ดวย ซงสญลกษณและกราฟความสมพนธของกระแสและแรงดนในทางปฏบตและในอดมคตแสดงไดดงรปท 1.9
ดงนนเราจงนยมนามาใชงานในลกษณะของสวตชควบคมการทางานของระบบไฟฟากระแสสลบเชน เครองควบคม
ความรอน เครองควบคมแสงสวาง เครองควบคมมอเตอรขนาดเลก ฯลฯ
GTO และ SITH ไทรสเตอรทงสองชนดนเปนอปกรณประเภท Self-turned-off thyristors โดย GTO และ
SITH จะสามารถนากระแสไดดวยการปอนพลสทเปนบวกเขาไปทขาเกท และเมอเราปอนพลสทเปนลบเขาไปทขา
12 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
เกท จะทาใหไทรสเตอรทงสองชนดนหยดนากระแส ซงเปนขอดทเหนอกวาไทรสเตอรชนด Forced-commutated โดย
ไมตองใชวงจรสบเปลยน(Commutation circuit)เขาชวย นอกจากนเรายงพบวาไทรสเตอรอกชนดหนงคอ MCT ม
ความสมพนธของกระแสและแรงดนในการทางานเหมอนกบ GTO และ SITH เกอบทกประการ แตแตกตางกนทการ
ควบคมกลาวคอ ในการควบคมให MCT นากระแส เราจะตองปอนพลสทเปนลบเขาทางดานขาเกททเปนมอส (MOS)
เทยบกบขาอาโนด และปอนพลสทเปนบวกเขาทางขาเกทเพอให MCT หยดนากระแส ซงการทางานคลายกบ GTO
แตสามารถหยดนากระแสไดเรวกวา สาหรบสญลกษณและกราฟความสมพนธของกระแสและแรงดนของไทร
สเตอรทงสามชนดในทางปฏบตและในอดมคตแสดงไดดงรปท 1.10 สาหรบการใชงาน GTO เรามกจะนยมใชในการ
แปลงผนกาลงงานทตองการใหมการทางานแบบ Forced commutation
iG
iA
vAK
A
K
GTO
iG
iA
vAK
A
K
SITH
iA
vAK
A
K
G G G
MCT
(ก) สญลกษณของ GTO , SITH และ MCT
iA
vAK0
Off-state
Turn -on
Turn -off
iA
vAK0
On
Off
(ข) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดน
ของ GTO , SITH และ MCT ในทางปฏบต
(ค) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดน
ของ GTO , SITH และ MCT ในอดมคต
รปท 1.10 สญลกษณและความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของ GTO , SITH และ MCT
บทท 1 บทนา 13
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
รปท 1.11 ลกษณะตางๆของไทรสเตอรแบบ GTOs
ลกษณะของ GTO โดยทวๆไปแสดงไดดงรปท 1.11 ซงเราสามารถเลอกใชตามพกดกระแสและแรงดนไดถง
4000แอมแปร 6000โวลต สวน SITH จะมอตราทนกระแสและแรงดนตากวาคอประมาณ 300แอมแปร 1200โวลต ซง
นยมใชกบการแปลงผนกาลงงานระดบปานกลาง อปกรณทงสองชนดนสามารถใชงานไดทความถสงระดบหลายรอย
กโลเฮรตซ สวน MCT นนมอปกรณใชงานทพกดกระแสและแรงดนอยในระดบ 250A, 4500V ในปจจบน MCT ไม
เปนทนยมทงนเพราะขอเสยในดานชวงเวลาหยดนากระแสทใชเวลานานกวา GTO และ SITH
MTO เปนการรวมขอดของ GTO และ MOSFET(ซงจะกลาวถงตอไป) เขาดวยกน ทาใหสามารถลดขอจากด
ความสามารถในการหยดนากระแส(Turn off ability)ของ GTO ได โครงสรางจะมลกษณะคลายกบ GTO เพยงแต
สามารถใชกระแสและแรงดนสงๆได (ไดถง 4000แอมแปร 10000โวลต) จงสามารถนาไปใชควบคมกาลงไฟในยาน
1-20 MVA
ETO เปนการผสมระหวาง MOSFET และ GTO เชนกน แตอยในรปของวงจรผสม(Hybrid) โครงสรางจะม
เกท 2 เกท โดยเกทตวแรกจะทาหนาทเปนเกทธรรมดาใชควบคมการนากระแส สวนเกทตวทสองจะตอกบ MOSFET
ใชสาหรบควบคมการหยดนากระแส คาพกดกระแสและแรงดนสงสดคอ 4000แอมแปร 6000โวลต
IGCT เปนการรวม Gate-commutated thyristors (GTC) กบวงจรชดควบคมเกท(Gate driver circuit) แต
IGCT เปน GTO แบบ Hard switched ทมความเรวสง การทางานคลาย GTO คอ IGCT จะนากระแสดวยการปอน
กระแสทขาเกท และจะหยดนากระแสโดยใชวงจรควบคมเกท
14 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
1.3.3 ไบโพลารทรานซสเตอรกาลง ( Power Bipolar Transistors )
รปท 1.12 ลกษณะตางๆของไบโพลารทรานซสเตอรกาลงสง
ลกษณะของไบโพลารทรานซสเตอรกาลงมหลายรปแบบแสดงตวอยางไดดงรปท 1.12 อปกรณชนดนมขา
ใชงานสามขาคอ เบส (Base) อมตเตอร (Emitter) และ คอลเลกเตอร (Collector) โดยปกตแลวเราจะใชงานในรป
ของสวตชทตอแบบอมตเตอรรวม (Common-emitter configuration) ในการทางานเราจะตองไบอสตรง (Forward bias)
ทรอยตอของ เบส-อมตเตอร จงจะทาให BJT นากระแสได ซงขนอยกบชนดของ BJT วาเปนแบบ N-P-N หรอ P-N-P
ยกตวอยางเชน ใน BJT แบบ N-P-N เมอเราปอนศกดาทขาเบสใหสงกวาขาอมตเตอรในขณะทแรงดนทขาคอลเลก-
เตอรมคาสงกวาทขาอมตเตอร เพอเปนการไบอสใหทรานซสเตอรทางาน โดยทกระแสเบสจะตองมคาเพยงพอทจะ
ทาให BJT ทางานในโหมดอมตว (Saturation mode)
หมายเหต : ในวงจรสวตชงจะตองขบนา BJT ใหทางานอยในโหมดอมตวเสมอ โดย BJT เมอนากระแสแลว
จะมแรงดนตกครอมระหวางรอยตอคอลเลกเตอรและอมตเตอรเพยง 0.5 ถง 1.5V เนองจาก BJTแบบกาลงถกสรางจาก
สารซลกอน (Silicon) และถาเราหยดการไบอสทขาเบสของ BJT จะทาให BJT หยดนากระแสไดอยางรวดเรว
บทท 1 บทนา 15
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
iB
iC
vCE
C
E
B
vBE
iC
vCE0
I
vCE(sat)
iB1
iB2
iB3
iB4
iB5
iB=0
iC
vCE0
On
Off
(ก) (ข) (ค)
รปท 1.13 (ก) สญลกษณของ BJT กาลงชนด N-P-N
(ข) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของBJT กาลงในทางปฏบต
(ค) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของ BJT กาลงในอดมคต
ซงสญลกษณและกราฟความสมพนธของกระแสและแรงดนของ BJT ชนด N-P-N ในทางปฏบตและใน
อดมคตแสดงไดดงรปท 1.13 โดยปกตแลว BJT กาลง ทวๆไปจะนยมใชงานในการแปลงผนกาลงงานทมความถใน
การสวทชต ากวา 10 กโลเฮรตซ และมพกดกระแสและแรงดนอยท 600แอมแปร 1500โวลต
1.3.4 มอสเฟตกาลง ( Power MOSFET )
ลกษณะของมอสเฟตแบบตางๆแสดงไดดงรปท1.14 อปกรณชนดนมขาใชงานสามขาคอ เกท (Gate) เดรน
(Drain) และ ซอส (Source) ในการขบนาใหเกดการนากระแสหรอหยดนากระแสขนอยกบชนดของ MOSFET ซงแบง
ไดเปนสองชนดคอ แบบ N-channel หรอเรยกวา NMOS และ แบบ P-channel หรอเรยกวา PMOS โดยการทางาน
คลายกบ BJT แตแตกตางกนทการไบอส MOSFET จะทาการไบอสดวยแรงดนและมความตองการกระแสเฉลยทขา
เกทตา (ทางอดมคต iG=0) ซงสญลกษณและกราฟความสมพนธของกระแสและแรงดนของ MOSFET แบบ N-
channel ในทางปฏบตและในอดมคตแสดงไดดงรปท 1.15 MOSFET เปนอปกรณทนยมนามาใชในการแปลงผน
กาลงงานสาหรบวงจรทมความถการสวตชสงๆ(หลายสบกโลเฮรตซ) โดยมพกดกระแสและแรงดนสงสด 100
แอมแปร 1000โวลต
16 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
รปท 1.14 ลกษณะตางๆของมอสเฟต
iD
vDS
D
S
G
vGS
iD
vDS0
vGS= 7V
6V
5V
4V
On
Off
iD
vDS0
On
Off
iD
vDS
D
S
GvGS
(ก) (ข) (ค)
รปท 1.15 (ก) สญลกษณของมอสเฟตกาลงแบบ N-channel
(ข) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของมอสเฟตกาลงแบบ N-channel ในทางปฏบต
(ค) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของมอสเฟตกาลงแบบ N-channel ในอดมคต
1.3.5 ไอจบท ( IGBT )
อปกรณประเภทนมรปรางคลาย BJT และ MOSFET โดยขาทงสามของอปกรณ คอ เกท คอลเลกเตอร และ
อมตเตอร ในการควบคมการทางานจะตองปอนแรงดนควบคมเขาทางดานขาเกทเชนเดยวกนกบ MOSFET สวน
ทางดานขาคอลเลกเตอรและอมตเตอรจะเหมอนกบ BJT ดงนนเราจงสามารถเรยก IGBT ไดวาเปน
ทรานซสเตอรกาลงทควบคมไดดวยแรงดน (Voltage-controlled power transistor) ซงสญลกษณและกราฟ
ความสมพนธของกระแสและแรงดนในทางปฏบตและในอดมคตแสดงไดดงรปท 1.16 เนองจากรปแบบดาน
โครงสรางดานขาเกททาให IGBT เปนอปกรณทมความเรวสงกวา BJT แตไมเทากบ MOSFET ดงนน IGBT จงม
พกดกระแสและแรงดนสงสด 1000แอมแปร 1700โวลต และใชงานทความถการสวตชไดถง 20 กโลเฮรตซ
บทท 1 บทนา 17
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
iC
G
vGE 0 0
Off
On
G
C C
E E
iC iC
vCE vCE
vCE
vGE
iC
vGE
(ก) (ข) (ค)
รปท 1.16 (ก) สญลกษณของ IGBT
(ข) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของ IGBT ในทางปฏบต
(ค) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของ IGBT ในอดมคต
1.3.6 เอสไอท ( SIT )
SIT เปนอปกรณทเหมาะกบการใชงานทกาลงงานสง และความถสง ดงนนจงจาเปนทตองมคณสมบตเปน
อปกรณโซลดสเตทจาพวก triode vacuum tube และมลกษณะคลายกบ JFET นอกจากนยงเปนอปกรณทมสญญาณ
รบกวนตา ความผดเพยนตา และมความสามารถในการสงกาลงงานในระดบสญญาณออดโอความถสง (High-audio-
frequency power) ในการทางานของ SIT ขณะนากระแสและหยดนากระแสจะเกดขนไดอยางรวดเรวดวยเวลา
ประมาณ 0.25 ไมโครวนาทเทานน แตจะมคาแรงดนตกครอมอปกรณในขณะนากระแสคอนขางสงกวาอปกรณชนด
อนๆ ดงนนในการออกแบบใชงาน SIT ในการแปลงผนกาลงงาน จงตองคานงถงลกษณะเฉพาะในขณะนากระแส
และแรงดนตกครอมของ SIT เปนหลกดวย ซงสญลกษณและกราฟความสมพนธของกระแสและแรงดนของ SIT
ในทางปฏบตและในอดมคตแสดงไดดงรปท 1.17 โดยทวๆไปแลวอปกรณประเภท SIT จะมพกดกระแสและแรงดน
ไดถง 300แอมแปร 1200โวลต ในขณะทความถการสวตชสามารถเพมไดในระดบ 100 กโลเฮรตซ เราจงพบวา SIT
เปนทนยมใชในงานทตองการกาลงงานสงๆ ทความถคาสงดวย เชน งานออดโอ, VHF/UHF, เครองขยายไมโครเวฟ
(Microwave amplifier)
18 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
iD
vDS
D
S
G
vGS
iD
vDS0
vGS
= 0V
On
Off
iD
vDS0
On
Off
vGS1
< vGSn
vGSn
(ก) (ข) (ค)
รปท 1.17 (ก) สญลกษณของ SITs
(ข) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของ SITs ในทางปฏบต
(ค) ความสมพนธระหวางกระแสและแรงดนของ SITs ในอดมคต
จากคณสมบตตางๆของอปกรณขางตน คอ ไดโอด, เอสซอาร, GTOs, BJTs, MOSFETs, IGBTs, MCTs
ฯลฯ เราสามารถแสดงตวอยางความสามารถของอปกรณบางชนดในการใชงานในระดบกาลงงานและความถตางๆได
ดงตารางท1.1
ตารางท 1.1 แสดงตวอยางความสามารถของอปกรณบางชนดในการใชงานในระดบกาลงงานและความถตางๆ
ชนดและรปแบบ อตรากระแสและ
แรงดน
ความถสงสด
( เฮรตซ )
เวลาในการสวตช
( ไมโครวนาท )
ความตานทานในขณะ
นากระแส (โอหม)
Diodes General purpose
High speed
5000 V / 5000 A
3000 V / 1000 A
1k
10k
100
2-5
0.16m
1m
Forced-turned-off
Thyristors
Reverse blocking (1)
High speed
Reverse blocking (2)
Reverse conducting
GATT
Light triggered
5000 V / 5000 A
1200 V / 1500 A
2500 V / 400 A
2500 V / 1000 A
1200 V / 400 A
6000 V / 1500 A
1k
10k
5k
5k
20k
400
200
20
40
40
8
200-400
0.25m
0.47m
2.16m
2.1m
2.24m
0.53m
TRIACs
1200 V / 300 A 400 200-400 0.53m
Self-turned-off
Thyristors
GTOs
SITHs
4500 V / 3000 A
4000 V / 2200 A
10k
20k
15
6.5
2.5m
5.75m
บทท 1 บทนา 19
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
Power
Transistors
Single
Darlington
400 V / 250 A
400 V / 40 A
630 V / 50 A
1200 V / 400 A
20k
20k
25k
10k
9
6
1.7
30
4m
31m
15m
10m
SITs
1200 V / 300 A 100k 0.55 1.2
Power MOSFETs Single 500 V / 8.6 A
1000 V / 4.7 A
500 V / 50 A
100k
100k
100k
0.7
0.9
0.6
0.6
2
0.4m
IGBTs Single
1700 V / 1000 A 20k 2.3 60m
MCTs Single 600 V / 60 A 20k 2.2 18m
รปท 1.18 การนาอปกรณสารกงตวนาไปใชในงานตางๆ
20 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
จากการศกษาในเบองตนนเราจะเหนวาอปกรณในอดมคตทางอเลกทรอนกสกาลงควรจะมลกษณะดงน
1) มแรงดนขณะนากระแสเปนศนย
2) ทนแรงดนขณะหยดนากระแสไดไมจากด
3) สามารถนากระแสไดในปรมาณไมจากด
4) มชวงเวลาทใชในการเรมนากระแสหรอหยดนากระแสเปนศนย และ
5) สามารถใชงานไดทกๆคาความถ
แตในทางปฏบตจะมขดจากดของอปกรณอยซงเราแสดงแผนภาพตวอยางของการนาอปกรณสารกงตวนา
ตางๆไปออกแบบใชงานไดดงรปท 1.18
1.4 หมอแปลง ( Transformer )
v1
i1
i2
v2
N1
N2
1
1'
2
2'
Lµ
iµ
v1
i1
i2
v' v2
Ll1
Ll2
N1:N
2
i'i1
i'i2
v1
v'v2
(ก) (ข)
รปท 1.19 (ก) วงจรสมมลของหมอแปลงอดมคต
(ข) วงจรสมมลของหมอแปลงในทางปฏบตซงประกอบดวยคาความเหนยวนาแมเหลก
( Magnetizing inductance ; Lµ ) และ ความเหนยวนารวไหล ( Leakage inductance, Ll1 และ Ll2 )
หมอแปลงเปนอปกรณแยกโดดทางไฟฟา (Electrical isolation) สาหรบไฟกระแสสลบ โดยอาจจะเปนแบบ
เพมแรงดนหรอเพมกระแส (Step up) หรออาจเปนการลดแรงดนหรอลดกระแส (Step down) หรออาจทาหนาทเพยง
แยกโดด (Isolation) วงจรออกจากกนเทานนกได ลกษณะของหมอแปลงในอดมคตแสดงไดดงรปท 1.19 (ก) ซง
ประกอบดวยขดลวดสองขด คอ N1 และ N2 (จานวนรอบ) โดยมดอต (Dot) เปนตวกาหนดทศทางจากการพนของ
ขดลวดทงสอง เมอมแรงดนปรากฎทดอตของขดลวดใดขดลวดหนงมคาเปนบวก จะทาใหแรงดนทปรากฎทจดของ
ขดลวดขดอนๆ (กรณมากกวา 2 ขด) มคาเปนเปนบวกดวย ซงเราสามารถเขยนสมการความสมพนธของหมอแปลง
อดมคตในรปท 1.19(ก) ไดคอ
บทท 1 บทนา 21
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
1 1
2 2
= v N
v N ... (1.1)
1 2
2 1
= -i N
i N ... (1.2)
หมายเหต สมการ (1.1) และ (1.2) เปนสมการทสรางจากทศทางของแรงดนและกระแสทกาหนดตามรปท
1.19 (ก)
ในหมอแปลงอดมคต เราจะเหนวา หากมคาอมพแดนซ (Impedance) Z1 ตออยทขว 1-1’ เราสามารถวดคา
อมพแดนซทปรากฏทขว 2-2’ ไดเทากบ Z2 โดยมความสมพนธคอ
2
22 1
1
= N
Z ZN
... (1.3)
2
2 1 = Z n Z ... (1.4)
เมอ n คอคาอตราสวนระหวางจานวนขดลวด N2 ตอ N1 ( Turn ratio , 2
1
= N
nN
)
และจากสมการ (1.1) และ (1.2) จะไดวา v1 i1 = - v2 i2 นนคอคากาลงฉบพลน (Instantaneous power , p(t) )
ทใสเขาไปในพอรตใดๆของหมอแปลงอดมคตจะเทากบกาลงฉบพลนทพอรตอน เนองจากหมอแปลงอดมคตจะไมม
การสญเสยและไมสะสมพลงงาน
หมอแปลงจะยงคงเปนอดมคตหากกระแสและแรงดนเปนไปตามสมการ (1.1) และ(1.2) แตในทางปฏบต
มกจะเกดการสญเสยในการสงผานพลงงานของหมอแปลงอนเนองมาจาก คาความตานทานของขดลวด คาเสนแรง
แมเหลกรวไหล( Leakage flux ) ชองวางอากาศ วสดทใชเปนแกน ฯลฯ ดงนนจงไมสามารถใชตวแปรดงสมการ
(1.1) และ (1.2) ได เพอใหการวเคราะหหมอแปลงไดผลสมบรณยงขนเราสามารถเขยนวงจรสมมลของหมอแปลงทม
การสญเสยไดดงรปท 1.19(ข) ซงประกอบดวยหมอแปลงอดมคตตอรวมกบตวเหนยวนาทงทางดานปฐมภมและทตย
ภม จะเหนไดวากระแสจรง i’1 และ i’2 ไมสามารถใชสมการ (1.2) ได เนองจากกระแส i’1 ถกแบงผานตวเหนยวนาซง
ตอขนานอยเราเรยกวา ความเหนยวนาแมเหลก (Magnetizing inductance ; Lµ) โดยกระแส iµ เราจะเรยกวา
กระแสเหนยวนาแมเหลก (Magnetizing current) สวนแรงดนจรง v’1 และ v’2 กไมสามารถใชสมการ (1.1) ได
เชนกน เนองจากมแรงดนบางสวนตกครอมตวเหนยวนารวไหล (Leakage inductance, Ll1 และ Ll2) แตอยางไรกตาม
22 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
ในสวนของกระแส i1 , i2 และแรงดน v1 , v2 ในรปท 1.19(ข) ยงคงใชสมการ (1.1) และ (1.2) ไดเชนเดยวกนกบรปท
1.19(ก) เนองจากเปนหมอแปลงอดมคต โดย 1
2
NnN
=
Lµv1
i1 i2
v' v2
Ll1 Ll2
N1:N2
i'i1 i'i2
v1 v'v2n2
v1
i1 i2
v' v2
N1:N2
i'i1 i'
v1 v'v2
Ll1 n2Ll2 i2
Lµ
( ก ) ( ข )
รปท1.20(ก) วงจรสมมลของหมอแปลงทางปฏบตทมตวเหนยวนาแมเหลกอยทางดานขดลวด N2
(ข) วงจรสมมลของหมอแปลงในทางปฏบตซงรวมคาความเหนยวนารวไหล Ll1 และผลการสะทอนของ Ll2 คอ n2Ll2
จากรปท 1.19 (ข) จะเหนวา Lµ ปรากฎอยทางดานขดลวด N1 เราสามารถสะทอนผลใหมาปรากฎอยในฝง
ของขดลวด N2 ไดโดยผานหมอแปลงอดมคตตามสมการท (1.4) ไดดงรปท 1.20(ก) ถาหากวาแรงดนทตกครอม Ll1
และ Ll2 นนมคานอยกวาแรงดนท Lµ มากๆแลวคาความเหนยวนารวไหล Ll1 และ Ll2 นนสามารถนามารวมกนโดย
เขยนวงจรสมมลโดยประมาณไดดงรปท 1.20(ข)
นอกจากนเรายงสามารถใชประโยชนของการสะทอนของหมอแปลงอดมคตในการวเคราะหวงจรใหงายขน
ดงรปท 1.21 จะเหนวาเราทาการยาย CO และ RO ทางดานขด N2 ของหมอแปลงในรปท 1.21(ก) สะทอนมาปรากฏ
ทางดานขด N1 และใชสมการ (1.1) และ (1.2) ในการวเคราะหกระแสและแรงดนของหมอแปลง ดงนนจงสามารถตด
หมอแปลงออกจากการวเคราะหวงจรไดดงวงจรรปท 1.21(ข) แตการทาเชนนวงจรจะเสมอนไมมการแยกโดด
(Isolation) ของทงสองดาน
ในกรอบเสนประของรปท 1.19(ข) และรปท 1.20 เปนรปวงจรสมมลของหมอแปลงทจะใชตลอดในตารา
เลมนซงจะมหมอแปลงอดมคตทมขดลวด N1 และ N2 ตออยเปนตวแยกโดด โดยสญลกษณของหมอแปลงอดมคตจะ
มเสนทบสองเสนขนานกนอยระหวางขดลวด N1 และ N2 ( แตในบางตาราลกษณะหมอแปลงเชนนอาจจะหมายถง
หมอแปลงทมแกนเปนเหลกกได)
บทท 1 บทนา 23
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
Lµv'
Lli'i1 i'i2
v1 v'v2N1 N2 CO RO n2Lµv'
Lli'i1
v1 nv'nv2
CO
n2RO
n2
i'i2
n
( ก ) ( ข )
รปท 1.21 (ก) วงจรสมมลของหมอแปลงทางปฏบตทม Lµ และโหลด RC อยทางดานขดลวด N2
(ข) วงจรสมมลของหมอแปลงในทางปฏบตซงทาการสะทอนอปกรณทางดานขดลวด N2
มาปรากฏทางดานขดลวด N1 และตดหมอแปลงออกในการวเคราะห
1.5 คณลกษณะของสวตชทควบคมได
อปกรณสารกงตวนาทใชเปนสวตชดงไดกลาวมาแลวขางตน มอปกรณหลายชนดทสามารถควบคมการ
ทางานใหนากระแสหรอหยดนากระแสได โดยการปอนสญญาณควบคมเขาไปยงขาควบคม เชน BJTs , MOSFETs ,
GTOs , IGBTs อปกรณเหลานสามารถแสดงสญลกษณทางไฟฟาไดดงรปท 1.22 ซงจากรปจะเหนวา เมอสวตชปด
(นากระแส) กระแสสามารถไหลผานสวตชไดท งสองทศทาง และเมอสวตชเปด (ไมนากระแส) จะไมมกระแสไหล
ผานสวตช ซงเราสามารถสรปคณสมบตของสวตชอดมคตแบบควบคมได ดงนคอ
1) ในขณะทสวตชไมทางานจะไมมกระแสไหลผานสวตชและสวตชสามารถทนแรงดนไดสองทศทางคอ
ทงแรงดนไปหนา และแรงดนยอนกลบ
2) เมอสวตชอยในสภาวะนากระแส จะสามารถนากระแสไดสองทศทางและมคาไมจากด โดยมคาแรงดน
ตกครอมสวตชในขณะนากระแสเปนศนย
3) สวตชสามารถนากระแสหรอหยดนากระแสไดในทนททไดรบสญญาณควบคม
4) สามารถละเลยคากาลงงานขนาดเลกทตองใชในการขบนาทขาควบคม
iT
vT
รปท 1.22 สวตชอดมคตแบบควบคมได
24 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
ในการใชงานจรงแลวอปกรณตางๆลวนไมมคณสมบตเปนอดมคต ดงนนกาลงงานสญเสยในรปความรอน
(Power dissipation) จงเปนสงทเกดขนในอปกรณทกๆตว ซงผททาการออกแบบวงจรแปลงผนตางๆจะตองคานงถง
จดนดวย เนองจากวาถาวงจรทออกแบบมกาลงงานสญเสยภายในอปกรณมากเกนไปจะเปนสาเหตใหตวอปกรณ
เสยหาย และอาจเปนสาเหตใหเกดความเสยหายตามมาในสวนอนๆของระบบกาลงอกดวย ซงกาลงงานสญเสยภายใน
ตวอปกรณสารกงตวนาแบบกาลงเปนลกษณะตามธรรมชาตของอปกรณชนดน ดงนนพนฐานทสาคญคอการศกษา
ทาความเขาใจการสญในรปความรอนกดขนภายในของตวอปกรณ เพอใหสามารถออกแบบระบบกาลงโดยพยายาม
ลดกาลงงานสญเสยในรปความรอนนใหมคานอยทสด
ในการศกษา และ วเคราะหคาของกาลงงานสญเสยในรปความรอนทเกดในอปกรณสารกงตวนาชนดกาลง
เราจะใชวงจรงายๆซงประกอบดวย สวตชทควบคมได ไดโอดอดมคต แหลงจายกระแสไฟตรง IO และแหลงจาย
แรงดนไฟตรง Vd ดงรปท 1.23(ก) ในโมเดลวงจรแบบนเราจะพบไดคอนขางมากในวงจรกาลง เนองจากสวตชใน
วงจรกาลงมกจะมตวเหนยวนาอนกรมอย ดงนนกระแสทไหลผานสวตชจงเสมอนแหลงกระแสคงทเนองมาจากผล
ของพลงงานสะสมในตวเหนยวนา สวนไดโอดในวงจรเราสมมตใหเปนอดมคตกอนเพอศกษาผลทเกดขนบนตว
สวตชอยางเดยว แตในความเปนจรงแลวคาของ Reverse-recovery current ของไดโอดจะมผลตอความความเครยด
(stress) ทเกดบนตวสวตชดวย
เมอสวตชนากระแส กระแสทงหมดของแหลงจายกระแส IO จะไหลผานสวตชโดยมแรงดนตกครอมสวตช
นอยมาก (VOn → 0) และไดโอดถกไบอสยอนกลบอย สวนในขณะทสวตชหยดนากระแสแรงดนทตกครอมสวตชจะ
มคาเทากบแรงดนทแหลงจาย Vd และกระแสทงหมดจากแหลงจาย IO จะไหลผานไดโอด โดยสมมตใหแรงดนทตก
ครอมไดโอดมคาเปนศนย (ไดโอดอดมคต ) ซงเราสามารถเขยนรปคลนของกระแสผานสวตช และแรงดนตกครอม
สวตช ในชวงเวลา 1 คาบการสวตช ( TS = 1/ fS ) ไดดงรปท 1.23(ข) โดยเราสมมตใหรปคลนทไดจากการสวตชม
ความเปนเชงเสนเพอใหงายตอการพจารณา
บทท 1 บทนา 25
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
IO
Vd
vT
iT
อดมคตไดโอด
( ก )
On
Off Off
On
สญญาณควบคมการสวตช
t0
t0 t
ritfv
td(on)
Von
IO
Vd
td(off)
trv
tfi
tc(on)
tc(off)
vT
iT
ton
toff
TS=
1fS
t0
pT(t)
VdIO
Won
Wc(on)
≈ VdIOtc(on)
12
Wc(off)
≈ VdIOtc(off)
12
( ข )
รปท1.23 (ก) โมเดลวงจรสวตชอยางงายทมตวเหนยวอนกรมกบสวตช
(ข) รปคลนจากการสวตชและกาลงงานสญเสยฉบพลนทสวตช
การพจารณาคากาลงงานสญเสยในรปความรอนของสวตช เราสามารถวเคราะหไดทงในชวง เรมนากระแส
และชวงเรมหยดนากระแส โดยอนดบแรกเราสมมตใหในขณะทสวตชหยดนากระแสอย เราสามารถควบคมใหสวตช
นากระแสไดโดยปอนการควบคมเปนบวกใหกบสวตชดงรปท 1.23(ข) จะเกดชวงเวลา Turn-on delay time ; td(on)
26 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
สนๆคาหนง กอนทกระแสจะคอยๆเพมขนในขณะทสวตชกาลงนากระแสในชวงเวลา Current rise time ; tri และเมอ
สวตชนากระแสทงหมดของ IO แลวจะทาใหไดโอดเขาสการไบอสยอนกลบ แรงดนทตกครอมสวตชจะคอยๆลดลง
จนถงคา Von ภายในชวงเวลา Voltage fall time ; tfv ซงจากรปท 1.23(ข) จะเหนวาในชวงเวลาทรปคลนของกระแส
และแรงดนทสวตชตดกนในชวงกาลงนากระแส ; tc(on) คาของผลคณระหวางกระแสและแรงดนทสวตช VdIO มขนาด
ใหญมาก ดงนนคาของพลงงานสญเสยในรปความรอนทสวตชในขณะเรมนากระแสสามารถคานวณจากรปท 1.23(ข)
คอ
( ) = + c on ri fvt t t ... (1.5)
( ) ( )
1 =
2c on d O c onW V I t ... (1.6)
และจะเหนไดวาในชวงเวลา Turn-on delay time ; td(on) นนจะมพลงงานสญเสยในรปความรอนนอยมากเมอ
เทยบกบ Wc(on) ทาใหเราสามารถละเลยพลงงานสญเสยในชวงเวลา td(on) ได และเมอสวตชทาการนากระแส IO อยาง
สมบรณแลว แรงดนตกครอมสวตช Von จะมคาคอนขางตาซงขนอยกบชนดของอปกรณทนามาใชงาน โดยสวตชจะ
นากระแส IO ไปตลอดชวงเวลานากระแส ton ซงโดยปกตแลวชวงเวลานากระแสของวงจรกาลงจะมคามากกวาชวง
เปลยนสภาวะมากๆ ดงนนคาของพลงงานสญเสยในรปความรอนของสวตชในชวงนากระแสจะมคาเทากบ
= on on O onW V I t เมอ ( ) ( ) >> , on c on c offt t t ... (1.7)
และเมอเราตองการใหสวตชหยดนากระแส สญญาณควบคมแบบลบจะถกปอนใหกบขาควบคมและเมอ
วงจรไดรบสญญาณควบคมแบบลบ วงจรจะใชเวลาชวงหนงกอนทแรงดนจะเรมเพมขนคอ Turn-off delay time ; td(off)
หลงจากนนแรงดนจะคอยๆเพมขนจนถงคา Vd ภายในชวงเวลา Voltage rise time ; trv เมอแรงดนตกครอมมคาเทากบ
Vd แลวในชวงเวลานจะมการสบเปลยนกระแสระหวางสวตชกบไดโอดเพราะไดโอดจะถกไบอสไปหนาและเรม
นากระแส IO อกครง ทาใหกระแสในสวตชคอยๆลดลงเปนศนยในชวงเวลา Current fall time; tfi ซงจากรปท 1.23(ข)
จะเหนวา ในชวงเวลาทรปคลนของกระแสและแรงดนทสวตชตดกนในชวงกาลงหยดนากระแส ( tc(off) ) คาของผลคณ
ระหวางกระแสและแรงดนทสวตช VdIO มขนาดใหญมากเชนเดยวกน ดงนนคาของพลงงานสญเสยทสวตชในขณะ
เรมหยดนากระแสสามารถคานวณจากรปท 1.23(ข) คอ
( ) = + c off rv fit t t ... (1.8)
( ) ( )
1 =
2c off d O c offW V I t ... (1.9)
และในทานองเดยวกนเราสามารถละเลยคาพลงงานสญเสยในชวงเวลา td(off) ไดเนองจากมคานอยกวา
พลงงานสญเสย Wc(off) มาก
บทท 1 บทนา 27
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
จากรปท 1.23(ข) จะเหนไดอยางชดเจนวาคาของกาลงงานทสญเสยในรปความรอนฉบพลนทสวตชนนคอ
pT(t) = vTiT มขนาดใหญมากในชวงเวลาทเรมนากระแส และเรมหยดนากระแส และคาความถการสวตช fS จะเปนคา
ทบงบอกถงอตราการ นากระแส และหยดนากระแสในหนงหนวยวนาท ดงนนคากาลงงานสญเสยในรปความรอน
เฉลย PS ทเกดขนในขณะสวตชเนองจากสภาวะการทางานดงกลาวสามารถประมาณไดจากสมการ (1.6) และ (1.9) คอ
( ) ( )
1 = +
2S d O S c on c offP V I f t t ... (1.10)
ซงสงสาคญทไดจากสมการ(1.10) จะเหนวากาลงงานสญเสยในรปความรอนของอปกรณสารกงตวนาทเกด
จากการสวตชนนแปรตามคาความถการสวตช (Switching frequency) และชวงเวลาทเกดการสวตช (Switching time)
อยางเปนเชงเสน ดงนนจะเหนวาถาเราสามารถลดคาของชวงเวลาทเกดการสวตชใหมคานอยลง เราจะสามารถเพม
ความถในการสวตชเพอใหขนาดของวงจรกรองในวงจรกาลงมขนาดทเลกลงได โดยทกาลงงานสญเสยในรปความ
รอนทเกดขนในอปกรณสารกงตวนาทเปนสวตชมคาไมเกนทจากดไว
เราพบวา กาลงงานสญเสยในในรปความรอนของอปกรณสารกงตวนาทเปนสวตชอกคาหนงซงม
ความสาคญมากเชนกนคอ คาเฉลยของกาลงงานสญเสยในรปความรอนทเกดในขณะทสวตชกาลงนากระแส Pon ซงม
คาแปรตามคาของแรงดนตกครอมสวตชในขณะนากระแส ซงสามารถหาไดจากสมการ (1.7) คอ
= on on O on SP V I t f ... (1.11)
ซงจากสมการ (1.11) จะเหนวาเราควรจะมคาของแรงดนตกครอมสวตช Von ในขณะนากระแสนอยทสด
เทาทจะเปนไปได เพอลดกาลงงานสญเสยในรปความรอนของอปกรณสารกงตวนาทเปนสวตช
เนองจากในขณะทสวตชทควบคมไดหยดนากระแส ในทางปฏบตกระแสรวไหล (Leakage current) ทตว
อปกรณสารกงตวนาทใชเปนสวตชจะมคาตามากจนกระทงเราละเลยทงไปได โดยเราจะถอวาในขณะทอปกรณสาร
กงตวนาทใชเปนสวตชอยในสภาวะหยดนากระแสจะไมเกดการสญเสยกาลงงาน ดงนนคากาลงงานสญเสยในรป
ความรอนเฉลยทงหมด PT ในอปกรณสารกงตวนาทใชเปนสวตชกาลงจะเกดจากผลรวมระหวาง คากาลงงานสญเสย
ในรปความรอนเฉลย PS ทเกดขนในขณะสวตช และ คาเฉลยของกาลงงานสญเสยในรปความรอนทเกดในขณะท
สวตชกาลงนากระแส Pon
= + T S onP P P ... (1.12)
จากการวเคราะหผลกาลงงานสญเสยในรปความรอนของสวตชกาลงทควบคมไดทาใหเราสรปคณลกษณะท
สาคญๆของสวตชกาลงไดดงนคอ
28 พนฐานอเลกทรอนกสกาลง
1) มกระแสรวไหลนอยในขณะหยดนากระแส ( Ileakage → 0 )
2) มแรงดนตกครอมสวตชในขณะนากระแสตา ( Von → 0 ) เพอลดคากาลงงานสญเสย
3) มชวงเวลาในการเรมนากระแส และ เรมหยดนากระแสตา ซงจะสงผลทาใหสวตชกาลงสามารถใชงาน
ทความถการสวตชสงๆได
4) มอตราทนแรงดนไปหนา (Forward voltage blocking) และ ทนแรงดนยอนกลบ (Reverse voltage
blocking) คาสงๆ เพอลดการใชสวตชทเปนอปกรณสารกงตวนาแบบกาลงอนกรมกนหลายๆตว ซงจะ
สงผลใหเกดคาแรงดนตกครอมสวตชในขณะนากระแสรวม ( ∑=1
n
m
onn
V ) มคาสง และทาใหเกดกาลงงาน
สญเสยทสงขน ในวงจรแปลงผนสวนใหญเราจะพบการตอไดโอดครอมอยกบอปกรณสารกงตวนาท
เปนสวตช ซงจะทาใหกระแสสามารถไหลยอนกลบได ซงในวงจรเหลานสวตชกาลงจะไมสามารถทน
แรงดนยอนกลบได
5) มคากระแสในสภาวะนากระแสสง ซงจะชวยลดปญหาจากการแบงของกระแสเนองจากการตอสวตช
กาลงแบบขนานหลายๆตว
6) มคาสมประสทธของคาอณหภม ตอ คาความตานทานภายในของสวตชกาลงในสภาวะนากระแสเปน
แบบบวก เพอชวยใหมการกระจายการนากระแสไดอยางเทาเทยมกนในกรณทมการตอใชงานสวตช
กาลงแบบขนาน
7) ใชกาลงในการควบคมสวตชกาลงตา เพอใหสามารถออกแบบวงจรควบคมไดงาย
8) มความสามารถทนแรงดนและกระแสตามอตราในขณะเกดการสวตชได เพอลดการใชวงจรปองกน
ภายนอกทตอครอมสวตชเชน วงจรสนบเบอร (Snubber circuit)
9) มคาอตรา dv/dt และ di/dt สงๆ เพอจะใหสามารถลดวงจรทใชในการจากด dv/dt และ di/dt ทจะ
ปองกนความเสยหายตอสวตชกาลง
1.6 การแบงกลมของตวแปลงผนในอเลกทรอนกสกาลง
ระบบของอเลกทรอนกสกาลง มกจะประกอบดวยตวแปลงผนทางอเลกทรอนกสกาลง (Power electronic
converter) หนงตวหรอมากกวา ซงตวแปลงผนนจะประกอบขนจากอปกรณสารกงตวนาชนดกาลงทถกควบคมดวย
วงจรรวมทางอเลกทรอนกส ดงนนเราอาจกลาวไดวาตวแปลงผนเปนโครงสรางพนฐานของระบบอเลกทรอนกส
กาลง โดยทวๆไปแลวตวแปลงผนจะทาหนาทปรบเปลยนและควบคมคณสมบตทางไฟฟา เชน ขนาด Vi ความถ fi
และ เฟส mi ทางดานขาเขาใหมการเปลยนแปลงเปน ขนาด Vo ความถ fo และ เฟส mo ทางดานขาออก ซงลกษณะ
การเปลยนแปลงคณสมบตทางไฟฟาดงกลาวทาใหตวแปลงผนในทางอเลกทรอนกสกาลงมอยหลายชนด เชน ตว
แปลงผนไฟตรง/ไฟตรง (DC/DC converter) ตวแปลงผนไฟสลบ/ไฟตรง (AC/DC converter) และ ตวแปลงผนไฟ
สลบ/ไฟสลบ (AC/AC converter) ซงเราจะไดศกษารปแบบและฟงกชนตอไปในบทท2
บทท 1 บทนา 29
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
เราสามารถแบงกลมของตวแปลงผนตางๆทมใชงานดงกลาวขางตนได โดยการพจารณาหลากหลายวธ เชน
ชนดของอปกรณทใชในตวแปลงผน รปแบบและฟงกชนการทางาน ลกษณะการสวตชของอปกรณกาลงในตวแปลง
ผน ฯลฯ ดงนนถาเราใชลกษณะการสวตชของอปกรณกาลงในตวแปลงผนเปนตวแบงแยกกลม เราจะไดกลมของตว
แปลงผน 2 กลมใหญๆคอ
1) ตวแปลงผนตามความถของสายกาลง (Line frequency converter) ตวแปลงผนในลกษณะน ในขณะท
สวตชกาลงนากระแสรปคลนของตวแปรทางดานขาออกจะตรงกบรปคลนของตวแปรสายกาลง สวน
การหยดนากระแสของสวตชกาลงจะอาศยรปคลนของตวแปรในสายกาลงในการบงคบ ดงนนอปกรณ
สวตชในตวแปลงผนชนดนจะมการสวตชดวยความถเทากบความถของสายกาลง เชน 50 เฮรตซ หรอ
60 เฮรตซ
2) ตวแปลงผนแบบสวตชง (Switching converter) ตวแปลงผนชนดนจะใชวงจรอเลกทรอนกสในการ
ควบคมการนา หรอหยดนากระแสของสวตชกาลง ซงความถทใชในการสวตชมกจะมคาสงกวา
คาความถของสายกาลงมาก แตตวแปรทปรากฏทางดานขาออกของตวแปลงผน ( v หรอ i ) อาจจะม
คาคงท (ไฟตรง) หรอมความถเทากบสายกาลงได