แนะนำอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (Power Electronics) บทที่ 9 แนะนำอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (Power Electronics) อุปกรณ์ power electronics คุณลักษณะของ SCR วงจรเรียงสัญญาณแบบควบคุมเฟส วงจรควบคุมแรงดันไฟสลับ วงจรแปลงผัน dc-dc

Power Electronics เป็นศาสตร์ที่ว่าด้วยการใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ในการควบคุมการแปลงผันพลังงานไฟฟ้า (energy conversion) จากแหล่งจ่ายไฟ (ซึ่งมักจะคือ AC line)ไปยังโหลด เนื่องจากการควบคุมการแปลงผันไฟฟ้าแบบเชิงเส้น จะทำให้เกิดความสูญเสีย (loss) ในอุปกรณ์ในวงจรมากซึ่งจะเป็นการสิ้นเปลืองพลังงานและทำให้เกิดความร้อนสูง ในปัจจุบันเราจึงนิยมให้อุปกรณ์ในวงจรทำงานเป็นสวิตช์

ประเภทของวงจร Power Electronics 1. AC-DC Converters (controlled rectifiers) 2. AC-AC Converters (AC Voltage Controllers) 3. DC-DC Converters (DC choppers) 4. DC-AC Converters (Inverters) ตัวอย่างของการใช้งาน Power Electronics ได้แก่ Air Conditioning, Alarms, Battery charger, Clothes dryer, Conveyor, Electric Dryers, Electric fans, Elevators, Induction Heating, Light Dimmers, Motor Control/Drives, Power Supplies, TV deflections, Voltage regulators.

อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำกำลัง (power semiconductor device) สามารถแบ่งออกตามโครงสร้างได้เป็น 5 ประเภทใหญ่ ๆ คือ Power Diode Thyristor มีหลายชนิด อาทิ SCR, Triac, Gate-turn-off (GTO) Power BJT Power MOSFET Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) ทั้งนี้เราจะเรียก Power BJT, Power MOSFET, IGBT และ GTO รวม ๆ ว่าเป็น Controllable Switches เพราะเราสามารควบคุมการปิดเปิดของอุปกรณ์เหล่านี้ได้ด้วยสัญญาณควบคุม

สัญลักษณ์ของ Thyristor ประเภทต่าง ๆ GTO Triac SCR

SCR Thyristors ถ้า vAK > 0 จะทำให้ J1 และ J3 ถูก forward bias ส่วน J2 ถูก reverse bias ดังนั้น iA ~ 0 (ย่าน forward blocking หรือ off-state) แต่ถ้า vAK มีค่าสูงมากพอ จะเกิด avalanche breakdown ขึ้นใน J2 ทำให้ iA ไหลได้ (ย่าน on-state)

จากสถานะ off -> on (1) การเปลี่ยนสถานะจะเกิดขึ้นได้เมื่อกระแส iA ในช่วงนั้นมีค่ามากกว่า IL (latching current) เมื่ออยู่ในสถานะ on แรงดันที่ตกคร่อม SCR จะมีค่าค่อนข้างคงที่ (~ 1 V)

จากสถานะ off -> on (2)

จากสถานะ on -> off SCR อยู่ในสถานะ on จะเปลี่ยนสถานะเป็น off เมื่อ iA มีค่าลดลงต่ำกว่า IH (holding current)

SCR Characteristics

ถ้ามีกระแส iG ไปทริกที่ขาเกต จะทำให้ SCR เปลี่ยนสถานะจาก off (เปิดวงจร) เป็น on (ปิดวงจร) ได้ถึงแม้ว่า vAK < VBO iG ยิ่งมากจะทำให้การเปลี่ยนสถานะเกิดเร็วขึ้น

Ideal SCR

วงจรแปลงผัน ac-dc ที่มีโหลดเป็นตัวต้านทาน Controlled Rectifier วงจรแปลงผัน ac-dc ที่มีโหลดเป็นตัวต้านทาน มีการทริกที่ขาเกต กรณีนี้กระแสและแรงดันของโหลดจะมีเฟสตรงกัน

กรณีที่มีโหลดเป็นตัวต้านทานและขดลวดเหนี่ยวนำ กรณีนี้กระแสและแรงดันของโหลดจะมีเฟสต่างกัน ทำให้แรงดันเฉลี่ยของ vL มีค่าต่ำลง

เราสามารถเพิ่มค่าเฉลี่ยของ vL ได้โดยการต่อ freewheeling diode

AC Voltage Controller เราสามารถควบคุมค่า rms ของไฟสลับได้โดยการต่อ Thyristor ระหว่างแหล่งจ่ายกับโหลดดังนี้ การควบคุมแบบนี้ถูกนำไปใช้มากในงานที่มีความเฉี่อยทางกล (mechanical interia) และค่าคงที่ทางความร้อน (thermal time constant) สูง เช่นใน industrial heating และการควบคุมความเร็วมอเตอร์)

DC-DC Converters

ให้ t = L/R

ถ้าให้ T << t จะพบว่า เมื่อ d = t1/T (duty cycle)

DC-DC Converters: Buck Converter เราใช้ BJT ในการสร้างสวิตช์ S1 ส่วนไดโอดจะทำหน้าที่เสมือนสวิตช์ S2 ตัวเก็บประจุ C ใส่เพื่อคงระดับแรงดันเอาต์พุตเมื่อโหลดมีการเปลี่ยนแปลง เราสามารถแสดงได้ว่า