บทนำ power e

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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)


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


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


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


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


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)


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


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


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)


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


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


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


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

Engineering

บทนำ power e