อุปกรณ์ Power Electronic ตอนที่ 1

           อุปกรณ์ในงานอิเล็กทรอนิกส์กำลัง จะต้องมีคุณสมบัติและการทำงานรวมทั้งหลักการประยุกต์ เพื่อใช้คำนวณในเครื่องคอมพิวเตอร์ เนื้อหาที่จะกล่าวถึง ได้แก่ Diode, SCR, Triac, BJT, MOSFET, GTO, IGBT, การเปรียบเทียบอุปกรณ์ Power Electronic รวมทั้งการคำนวณหาค่า Power loss ของอุปกรณ์ Power Electronic ซึ่งเป็นการคำนวณที่สำคัญสำหรับการควบคุมอุปกรณ์ Switching

1. ประเภทของอุปกรณ์ Power Electronic

1.1 Diode

          รูปที่ 1.1 (a) แสดงสัญลักษณ์ของ Diodeเมื่อ Diode นำกระแส (forward Bias) Voltage ที่ตกคร่อมจะมีค่าต่ำ (~1[V]) ในทางตรงกันข้ามเมื่อเกิด Reverse Bias กระแสจะไหลผ่านได้น้อยมาก (~1[μA]) จากรูปที่ 1.1(b) เมื่อ Reverse Voltage มีค่าสูงเกิน Reverse Blacking region จะทำให้ Diode พังและจะนำกระแสอย่างมาก รูปที่1.1(c) แสดง Modeling ของ Diode ที่ใช้ในการ Simulate โดยให้ forward Bias voltage = 0 และไม่มี Reverse Blacking region

รูปที่1.1 แสดงสัญลักษณ์ของ Diode (a) symbol, (b) i-v characteristic, (c) idealized characteristics

    


ประเภทของ Diode ที่สำคัญ

1. Schottky Diode มีค่า forward bias ต่ำ (0.3[V]) ใช้กับไฟแรงดันต่ำ (50 ~100[V])
2. Fast-Recovery Diode ออกแบบมาใช้กับวงจร Switching เพราะใช้งานกับความถี่สูงและมีค่า Reverse-recovery time (trr*) ต่ำ ([nS]) 
3. Line-frequency diode มีค่า trr สูงจึงใช้ในความถี่ต่ำ (50[Hz]) แต่ rated ของกระแสและ Voltage มีค่าสูงมาก

Note trr: (Reverse-recovery time)

รูปที่1.2 แสดงการเกิดของ Reverse-recovery time (trr) ขณะที่ Diode Off

          จากรูปที่ 1.2 จะเห็นว่าเมื่อ Diode กำลังจะ Turn Off กระแสจะไหลจากบวกไปเป็น 0 แต่ Diode ต้องการกระแสบางส่วนที่เป็นลบเพื่อที่จะทำให้ตัวมัน Off ในช่วงเวลานี้กระแสจะไหลเป็นลบ (หรือมี Reverse Current) และช่วงเวลาที่มี Reverse current คือค่า trr ของ Diode นั่นเอง ในงานของ Switching นั้นค่า trr จะต้องมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับคาบเวลาของความถี่ Switching เพื่อลด Power loss ของอุปกรณ์ให้น้อยที่สุด

1.2 Thyristor

รูปที่ 1.3 Thyristor (SCR) (a) symbol, (b) i-v characteristic, (c) idealized characteristics

          รูปที่ 1.3 แสดงสัญลักษณ์ของ Thyristor แบบ SCR (Silicon Controlled Rectifier), Thyristor มีคุณสมบัติคล้าย Diode แต่มีขา gate (G) เพื่อกระตุ้น (Trig) ให้ Diode ที่อยู่ข้างใน On ในช่วงเวลาที่ต้องการ ส่วนการ Off นั้นจะต้องให้ Reverse Bias เหมือน Diode ธรรมดาเนื่องจาก SCR มีโครงสร้างคล้าย Diode กระแสจึงได้ในทิศทางเดียวเท่านั้น

รูปที่ 1.4 Thyristor (Triac) (a) equivalent of Triac ,(b) symbol, (c) i-v characteristic

รูปที่ 1.4 แสดงสัญลักษณ์ของ Thyristor แบบ Triac (Triode AC Switch), วงจรภายในของ Triac จะประกอบด้วย SCR 2 ตัวขนานกัน แต่จะสลับขั้วกันเพื่อให้กระแสไหลผ่านได้ 2 ทาง ด้วยเหตุนี้เองจึงนิยมนำ Triac มาควบคุมในระบบ AC เช่นวงจรหรี่ไฟ

การ Trig ของ Triac นั้นจะเป็นการควบคุมให้ On ได้อย่างเดียว ส่วนการ Off นั้นจะไม่สามารถควบคุมโดยการ Trig สัญญาณได้ Triac จะ Off ได้ก็ต่อเมื่อให้ Reverse bias เหมือน Diode ธรรมดาเท่านั้น

1.3 BJT (Bipolar Junction Transistor)

          รูปที่1.5 แสดงสัญลักษณ์ของ BJT แบบ NPN, BJT จะใช้กระแส iB เพื่อนำไปควบคุมกระแสของ iC โดยมีความสัมพันธ์ดังนี้

IC = IB * hFE          ...............(1.1)

รูปที่ 1.5 BJT (a) symbol, (b) i-v characteristic, (c) idealized characteristics

         ค่า hFE ของ Power BJT อยู่ระหว่าง 5-10 ซึ่งมีค่าต่ำและเมื่อต้องการทำให้ค่า hFE สูงขึ้นนิยมต่อแบบ Darlington หรือ Triple Darlington โดยที่ค่า hFE สูงขึ้นตามการคูณค่า hFE ของ BJT แต่ละตัวดังแสดงใน รูปที่ 1.6 การใช้ BJT เป็น Switch จะต้องป้อนกระแส iB ให้มากจนอิ่มตัว (Saturated) เพื่อพอที่จะขับ load ได้และจะต้องป้อน iB ตลอดเวลาที่ On, BJT มีค่าOn-voltage ประมาณ 0.1-0.2[V]

รูปที่ 1.6 การเพิ่มค่า hFE ของ Power BJT

วงจร พื้นฐานของ BJT

รูปที่ 1.7 วงจร พื้นฐานของ BJT

**** บทความนี้เป็นของ ดร. กฤษ เฉยไสย