อิเล็กทรอนิกส์กำลังกับงานไฟฟ้ากำลังสูง (Power Electronics and High Power Applications)

ยุทธชัย ศิลปวิจารณ์
สาขาวิชาครุศาสตร์ไฟฟ้า คณะครุศาสตร์อุตสาหกรรม
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี

 

     ปัจจุบันอิเล็กทรอนิกส์กำลังเกี่ยวข้องโดยตรงกับงานควบคุมกำลังและการแปลงผันกำลังไม่ว่าจะเป็นงานที่มีส่วนเกี่ยวข้องในชีวิตประจำวันของผู้คนโดยตรงเช่นแหล่งจ่ายกำลังในคอมพิวเตอร์, โทรทัศน์,หรือเครื่องประจุแบตเตอรี่โทรศัพท์มือถือ ซึ่งมักจะมีกำลังไม่สูงนัก (หลักวัตต์จนถึงหลักร้อยวัตต์) หรือจะเป็นงานที่เกี่ยวข้องกับผู้คนในทางอ้อมเช่น การขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC Drives)

การขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Drives),หรือการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าด้วยไฟตรง (HVDC) ที่มักจะมีกำลังตั้งแต่ไม่สูงนักจนถึงสูงมาก ๆ ในระดับเมกะวัตต์ (MW) หรือเมกะวีเอ (MVA) เป็นต้น ซึ่งกำลังไฟฟ้าที่สามารถควบคุมได้นี้จะแปรผันโดยตรงกับขนาดพิกัด (แรงดัน, กระแส) ของสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลัง (Power Semiconductor Switches) หรืออาจจะกล่าวได้ว่าขนาดพิกัดของสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังเป็นตัวชี้วัดถึงขนาดของการควบคุมกำลังไฟฟ้า

     ในอดีตเมื่อหลายสิบปีที่ผ่านมา ศาสตร์ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังเพิ่งเริ่มจะพัฒนา พิกัดของสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังจะมีขนาดที่ต่ำมาก ๆ ในระดับกำลังเป็นร้อยวัตต์ ดังนั้นงานควบคุมกำลังไฟฟ้าขนาดสูง ๆ ก็ยังจำเป็นต้องใช้วิธีดั้งเดิมอยู่ แต่เนื่องด้วยข้อดีของการใช้อิเล็กทรอนิกส์กำลังในการควบคุมกำลังไฟฟ้า ทำให้สิ่งเหล่านี้เป็นแรงกระตุ้นให้เกิดการพัฒนาด้านสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังอย่างต่อเนื่องจนสามารถพัฒนาให้สวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังมีพิกัดกำลังในระดับหลายสิบเม็กกะวีเอดังเช่นในปัจจุบัน

    
สวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลัง
 สวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังที่ใช้ในงานกำลังสูง ในปัจจุบันมีหลายชนิด โดยสามารถจำแนกออกมาเป็นประเภทได้ดังนี้
1. Diodes
2. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Junction Transistors)
3. SCRs (Silicon Controlled Thyristors)
4. GTOs (Gate Turn Off Thyristors)
5. LTTs (Light Triggered Thyristors)
6. IGCTs (Integrated Gated-Commutated Thyristors) หรือ GCTs (Gated Commutated Turn-off Thyristors)

 

1. Diodes
    Diodes นั้นนับว่าเป็นสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังที่มีลักษณะพื้นฐานที่สุด แต่ก็เป็นสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังที่ใช้มากที่สุดเช่นเดียวกัน

     Diodes เป็นสารกึ่งตัวนำกำลังที่ไม่มีการควบคุม หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือไม่สามารถควบคุมมันได้ และมีสองขาคือ แอโนด (Anode) และ แคโทด (Cathode) การนำกระแสของมันจะขึ้นอยู่กับศักดิ์ไฟฟ้าของขั้วแอโนด และแคโทด กล่าวคือ ถ้าให้ขั้วแอโนดมีศักดิ์ไฟฟ้าเป็นบวกเมื่อเทียบกับขั้วแคโทด Diodes ก็จะนำกระแสได้

     
    
รูปที่ 1 สัญลักษณ์ของ Diodes

 
2. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Junction Transistors)
     IGBTs นั้นเป็นสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังที่แตกต่างจาก Diodes เพราะเราสามารถควบคุมการนำกระแสและหยุดนำกระแสของมันได้ โดย IGBTs จะเป็นสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังที่มีสามขา คือ คอลเล็กเตอร์ (Collector), อีมิตเตอร์ (Emitter), และ เกต (Gate) โดยขาที่ใช้ในการควบคุมการนำและหยุดนำกระแสของ IGBTs ก็คือขาเกตนั่นเอง

     IGBTs ถูกพัฒนามาจาก BJTs (Bipolar Junction Transistors) และ MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) ทำให้มันเป็นอุปกรณ์ที่รวมข้อดีของอุปกรณ์ทั้งสองตัวรวมเข้าด้วยกัน โดย BJT มีข้อดีที่การสูญเสียในขณะนำกระแส (Conduction Loss) ต่ำ, พิกัดกำลังสูง แต่ก็มีข้อเสียที่เกิดการพังทลายแบบ Secondary Breakdown ได้, เปลี่ยนสถานะ (นำ-ไม่นำกระแส) ได้ช้า ทำให้ไม่สามารถใช้ในงานกำลังที่ความถี่สูงมากได้

 และขับนำ (Drives) ด้วยกระแส ในขณะที่ MOSFETs มีข้อดีที่เปลี่ยนสถานะ (นำ-ไม่นำกระแส) ได้รวดเร็ว ทำให้สามารถใช้ในงานกำลังที่ความถี่สูงมากได้, ขับนำด้วยแรงดัน แต่ก็มีข้อเสียที่การสูญเสียในขณะนำกระแสมีค่าสูง และมีพิกัดกำลังต่ำ

 ดังนั้น IGBTs จึงเป็นอุปกรณ์ที่รวมข้อดีของ BJTs และ MOSFETs ไว้ด้วยกัน โดยมันจะมีการสูญเสียในขณะนำกระแสมีค่าต่ำ, พิกัดกำลังสูง, เปลี่ยนสถานะ (นำ-ไม่นำกระแส) ได้รวดเร็ว ทำให้สามารถใช้ในงานกำลังที่ความถี่สูงได้ (ในระดับหลักกิโลเฮิรตซ์สำหรับงานกำลังสูง), ขับนำ (Drives) ด้วยแรงดัน ถึงแม้ว่าข้อดีทั้งหมดที่กล่าวมาจะไม่ดีเท่ากับ BJTs และ MOSFETs เช่นการขับนำที่ยังยุ่งยากกว่า MOSFETs เล็กน้อย

 แต่ก็ยังดีกว่า BJTs มาก (ยกเว้นพิกัดกำลังของ IGBTs ที่ปัจจุบันได้รับการพัฒนาจนมีขนาดสูงกว่า BJTs) แต่มันก็ดีเพียงพอที่จะทำให้สามารถแทนที่ BJTs และ MOSFETs ในงานอิเล็กทรอนิกส์กำลังได้แทบจะทั้งหมด ดังนั้นการเกิดของ IGBTs ทำให้ BJTs และ MOSFETs นั้นแทบจะสูญพันธุ์จากการใช้งานที่กำลังสูง ซึ่งในปัจจุบันยังคงมีใช้เฉพาะงานที่กำลังไม่สูงนัก (ระดับหลายร้อยหรือหลายกิโลวัตต์เท่านั้น) 

รูปที่ 2 สัญลักษณ์ของ IGBTs (แบบ N Channel)

 

รูปที่ 3 ตัวอย่างของ IGBTs [1]

 

รูปที่ 4 ตัวอย่างของ IGBTs ขนาดใหญ่ [2]

 

3. SCRs (Silicon Controlled Rectifiers)
    SCRs เป็นสวิตช์ที่มีสามขาเช่นเดียวกันกับ IGBTs โดยประกอบไปด้วย แอโนด (Anode), แคโทด (Cathode) และเกต (Gate) และอยู่ในกลุ่มของสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังที่มีสารกึ่งตัวนำสี่ชั้นที่เรียกว่าไทริสเตอร์ (Thyristors) แต่อย่างไรก็ตาม เราสามารถใช้ขาเกตในการควบคุมการนำกระแสได้เพียงอย่างเดียว โดยที่เราไม่สามารถใช้ขาเกตในการควบคุมการหยุดนำกระแสได้ โดย SCRs ถือว่าเป็นอุปกรณ์ที่มีขนาดพิกัดใหญ่ที่สุดของสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังที่ควบคุมได้

     SCRs เป็นสวิตช์ที่มีลักษณะการนำกระแสค้าง กล่าวคือหลังที่ได้จุดชนวนที่ขาเกตหรือสั่งให้ SCRs นำกระแสแล้ว สามารถนำสัญญาณจุดชนวนที่เกตออกได้ โดยที่ SCRs ยังคงนำกระแสต่อไปได้ ลักษณะเช่นนี้ทำให้ไม่ต้องค้างสัญญาณจุดชนวนที่เกตของ SCRs แต่อย่างไรก็ตามการสั่งให้ SCRs หยุดนำกระแสนั้นจะยุ่งยากกว่า IGBTs เนื่องจากไม่สามารถใช้ขาเกตในการควบคุมการหยุดนำกระแสได้ ดังนั้นจึงต้องใช้วิธีการอื่น ๆ เพื่อทำให้ SCRs หยุดนำกระแส ซึ่งถือว่าเป็นสิ่งที่ไม่สะดวกนักในการใช้งาน และนอกจากนี้การใช้ SCRs ยังจำกัดอยู่ที่ความถี่ต่ำ (หลักร้อยเฮิรตซ์) เท่านั้น เพราะมีความเร็วในการสวิตช์ต่ำ

     แม้ว่า SCRs จะมีข้อเสียดังกล่าว แต่อย่างไรก็แล้ว SCRs ถือว่าอุปกรณ์ที่มีพิกัดกำลังสูงที่สุดในกลุ่มของสวิตช์สารกึ่งตัวนำจำพวกที่สามารถควบคุมได้ ดังนั้นงานที่มีกำลังสูง ๆ มาก ๆ ระดับหลายสิบเมกะวัตต์ เช่น การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าด้วยไฟตรง (HVDC) ก็คงยังจำเป็นต้องใช้ SCRs อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

 

รูปที่ 5 ตัวอย่างของ SCRs ขนาดใหญ่ [3]

 

4. GTOs (Gate Turn Off Thyristors)
     จากข้อด้อยของ SCRs ที่มีอยู่ ทำให้วิศวกรพยายามที่จะคิดค้นสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังที่คล้ายกับ SCRs ในแง่ของพิกัดกำลังที่มีค่าสูง แต่สามารถที่จะควบคุมการหยุดนำกระแสได้ด้วยขาเกต และผลที่ได้ก็คือสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังที่มีชื่อว่า GTOs

     GTOs เป็นสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังที่เป็นไทริสเตอร์และมีสามขาเช่นเดียวกับ SCRs คือ แอโนด (Anode), แคโทด (Cathode) และเกต (Gate) และมีค่าพิกัดกำลังสูงใกล้เคียงกับ SCRs แต่มีข้อได้เปรียบตรงที่สามารถควบคุมการหยุดกระแสได้ด้วยขาเกต ดังนั้นจึงนับว่าเป็นข้อได้เปรียบเป็นอย่างมากเนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้วงจรบังคับให้ GTOs หยุดนำกระแส หรือไม่ถูกจำกัดให้ใช้เฉพาะกับงานที่มีลักษณะของการบังคับให้หยุดนำกระแสโดยธรรมชาติ เช่น การใช้งานกับไฟสลับที่เป็นรูปไซน์ (ดังเช่นการนำเอามาใช้กับวงจรเรียงกระแสควบคุม)

     ถึงแม้ GTOs จะมีคุณสมบัติที่เหนือกว่า SCRs แทบจะทุกด้าน แต่อย่างไรก็ตาม GTOs ก็ยังมีข้อด้อยหลายจุดดังเช่น การขับนำที่ต้องการกระแสเกตจำนวนหนึ่งตลอดเวลาที่ต้องการให้ GTOs นำกระแส (SCRs ต้องการกระแสจุดชนวนช่วงแรกเท่านั้น แต่หลังจากนั้นก็สามารถนำกระแสเกตออกได้) ดังนั้นในการขับนำ GTOs จะต้องให้กระแสเกตค้างอยู่ที่ค่า ๆ หนึ่ง หลังจากที่ผ่านการจุดชนวนไปแล้ว ซึ่งถ้าหากมีการนำเอากระแสเกตออก หรือลดกระแสเกตให้มีค่าต่ำเกินไป GTOs อาจจะหยุดนำกระแส หรือจะเกิดลักษณะของการนำกระแสเป็นบางจุด และจะเกิดความร้อนเป็นบางจุด (Hot Spot) ซึ่งเป็นสาเหตุทำให้ GTOs พังเสียหายได้ในที่สุด

     รูปที่ 6 สัญลักษณ์ของ GTOs

 

รูปที่ 7 ตัวอย่างของ GTOs ขนาดใหญ่ [4]

 

5. LTTs (Light Triggered Thyristors)
     LTTs เป็นไทริสเตอร์ที่มีลักษณะการทำงานเหมือนกับ SCRs ทุกอย่างยกเว้นการจุดชนวน โดยที่ SCRs นั้นจุดชนวนโดยใช้กระแสไฟฟ้า แต่ LTTs จะจุดชนวนโดยใช้แสง ทำให้ง่ายต่อการออกแบบวงจรควบคุมและวงจรจุดชนวน เพราะมันมีลักษณะของการแยกโดด (Isolation) โดยธรรมชาติอยู่แล้ว

LTTs มีพิกัดกำลังที่ใกล้เคียงกับ SCRs และโดยทั่วไป มักนิยมใช้ LTTs ในงาน HVDC [5] 

     รูปที่ 8 สัญลักษณ์ของ LTTs

 

6. IGCTs (Integrated Gated-Commutated Thyristors) หรือ GCTs (Gated Commutated Turn-off Thyristors) หรือ Hard Driven GTOs
     IGCTs หรือ GCTs (ต่อไปนี้จะเรียกว่า IGCTs) คือไทริสเตอร์ที่พัฒนามาจาก GTOs และถือว่าเป็นตระกูลเดียวกัน ดังนั้นมันจะมีโครงสร้างที่คล้ายกันมากและผู้ผลิตส่วนใหญ่จะใช้สัญลักษณ์เดียวกันกับ GTOs แต่สิ่งที่ปรับปรุงขึ้นอย่างเด่นชัดที่สุดคือการที่สามารถสั่งให้มันนำและหยุดนำกระแสได้โดยสัญญาณเกต, มีการสูญเสียในขณะนำกระแสต่ำกว่า GTOs และทนต่ออัตราการเปลี่ยนแรงดันต่อเวลาได้สูงกว่า ซึ่งหมายความว่าในการใช้งาน IGCTs กับงานทั่ว ๆ ไปจะไม่ต้องใช้วงจรสนับเบอร์

     โครงสร้างของ IGCTs จะคล้ายกับ GTOs มาก ๆ โดยที่กระแสสำหรับตัดวงจรที่เกตหรือกระแสเกตที่ใช้ควบคุมการหยุดกระแสแอโนด (Gate Turn-off Current) จะออกแบบให้มีค่ามากกว่ากระแสแอโนด ดังนั้นเวลาในการตัดวงจรของ IGCTs จะมีค่าน้อย (ประมาณ 1 ใน 10 ของ GTOs) แต่อย่างไรก็ตามเนื่องจากการที่กระแสเกตมีค่าสูงและมีค่าอัตราการเปลี่ยนแปลงเทียบกับเวลาสูง สายไฟที่นำมาใช้เป็นสายเกตจึงไม่สามารถใช้สายธรรมดา ๆ ทั่วไปได้

ดังนั้นแผ่นวงจรพิมพ์ของวงจรขับนำเกตจึงต้องถูกผนวกรวมเข้ากับ IGCTs โดยมันจะถูกออกแบบให้ IGCTs อยู่ตรงกลางของแผ่นวงจรพิมพ์ และใช้ตัวนำที่มีขนาดพื้นที่หน้าตัดมาก ๆ ต่อเข้ากับ IGCTs ที่ตรงขอบ ๆ ของมัน การทำให้ตัวนำมีขนาดใหญ่และสั้นจะทำให้ลดขนาดความต้านทานและขนาดค่าความเหนี่ยวนำลงไปได้ [6]

     เนื่องด้วยค่าเวลาการตัดวงจรของ IGCTs จะมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับ GTOs ดังนั้นมันจึงสามารถทำงานได้ถึงระดับหลายกิโลเฮิรตซ์ได้ แต่เนื่องจากการที่มันยังคงมีการสูญเสียเนื่องจากการเปลี่ยนสถานะ (Switching Loss) จึงทำให้มันถูกจำกัดการใช้งานไว้ที่ประมาณ 500 เฮิรตซ์

 

รูปที่ 9 ตัวอย่างของ IGCTs ขนาดใหญ่ [7]

 

สถานการณ์การพัฒนาสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังในปัจจุบัน [8] - [11]

1. Diodes
บ. ABB ได้ผลิต Diodes กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงที่สุดจะอยู่ที่ 6,000 V/3,080 A ส่วนรุ่นที่ทนกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 2,800 V/7,385 A ดังตารางตัวอย่าง

 

บ. EUPEC (Infineon) ได้ผลิต Diodes กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงที่สุดจะอยู่ที่ 9,000 V/4,820 A ส่วนรุ่นที่ทนกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 5,000 V/13,000 A ดังตารางตัวอย่าง

 

บ. Mitsubishi ได้ผลิต Diodes กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงที่สุดจะอยู่ที่ 6,000 V/3,000 A ส่วนรุ่นที่ทนกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 5,000 V/5,000 A ดังตารางตัวอย่าง

 

บ. WESTCODE ได้ผลิต Diodes กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงที่สุดจะอยู่ที่ 6,000 V/1,520 A ส่วนรุ่นที่ทนกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 5,600 V/5,292 A ดังตารางตัวอย่าง

 

2. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Junction Transistors)
บ. ABB ได้ผลิต IGBTs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงที่สุดจะอยู่ที่ 6,500 V/600 A ส่วนรุ่นที่ทนกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 1,700 V/2,400 A ดังตารางตัวอย่าง

 

บ. EUPEC (Infineon) ได้ผลิต IGBTs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงที่สุดจะอยู่ที่ 6,500 V/600 A ส่วนรุ่นที่ทนกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 1,700 V/1,600 A ดังตารางตัวอย่าง

 

บ. Mitsubishi ได้ผลิต IGBTs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงที่สุดจะอยู่ที่ 6,500 V/600 A ส่วนรุ่นที่ทนกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 1,700 V/2,400 A ดังตารางตัวอย่าง

 

บ. Westcode ได้ผลิต IGBTs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันและกระแสสูงที่สุดจะอยู่ที่ 4,500 V/2,400 A ดังตารางตัวอย่าง

 

3. SCRs (Silicon Controlled Thyristors)
บ. ABB ได้ผลิต SCRs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงที่สุดจะอยู่ที่ 8,500 V/1,200 A ส่วนรุ่นที่ทนกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 1,800 V/6,100 A ดังตารางตัวอย่าง

 

บ. EUPEC (Infineon) ได้ผลิต SCRs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงและกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 8,000 V/6,060 A ดังตารางตัวอย่าง

 

บ. Mitsubishi ได้ผลิต SCRs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงที่สุดจะอยู่ที่ 12,000 V/1,500 A ส่วนรุ่นที่ทนกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 400 V/5,000 A ดังตารางตัวอย่าง

 4. GTOs (Gate Turn Off Thyristors)
บ. ABB ได้ผลิต SCRs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันและกระแสสูงที่สุดจะอยู่ที่ 4,500 V/4,000 A ดังตารางตัวอย่าง

 

บ. Mitsubishi ได้ผลิต GTOs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันและกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 6,000 V/6,000 A ดังตารางตัวอย่าง

 

บ. WESTCODE ได้ผลิต GTOs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงที่สุดจะอยู่ที่ 6,000 V/3,000 A ส่วนรุ่นที่ทนกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 4,500 V/4,000 A ดังตารางตัวอย่าง

 5. LTTs (Light Triggered Thyristors)
บ. EUPEC (Infineon) ได้ผลิต LTTs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงและกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 5,200 V/5,600 A ดังตารางตัวอย่าง

ในขณะที่ บ. Mitsubishi ได้ทำการพัฒนา LTTs ขนาด 8,000 V/3,600 A [12] ได้สำเร็จเช่นเดียวกัน

 6. IGCTs (Integrated Gated-Commutated Thyristors) หรือ GCTs (Gated Commutated Turn-off Thyristors)
บ. ABB ได้ผลิต IGCTs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันสูงที่สุดจะอยู่ที่ 6,500 V/4,200 A และรุ่นที่มีขนาดกระแสสูงที่สุดจะอยู่ที่ 4,500 V/5,500 A ดังตารางตัวอย่าง

 

บ. Mitsubishi ได้ผลิต GCTs กำลังสูงออกสู่ท้องตลาด โดยรุ่นที่มีขนาดแรงดันและกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ 6,500 V/1,500 A ดังตารางตัวอย่าง

ตัวอย่างการใช้งานสารกึ่งตัวนำกำลังกับงานกำลังสูง (High Power Applications)
1. การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าด้วยไฟตรง (HVDC)
    

รูปที่ 10 แสดงอาคาร Thyristors (Value Hall) สำหรับระบบ HVDC ขนาด 500 kV, 1,500 MW ที่ Chandrapur-Padghe ประเทศอินเดีย โดย บ. ABB ในปี ค.ศ. 1999

นอกจากนี้ยังมีระบบ HVDC ในประเทศไทย โดยเป็นระบบ HVDC ที่มีขนาดแรงดัน 300 kV, 300 MW ที่ดำเนินการโดยการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (EGAT) และการไฟฟ้ามาเลเซีย (Tenaga National Berhard: TNB) โดยมีสถานีไฟฟ้าในฝั่งประเทศไทยอยู่ที่ สถานีคลองแงะ จังหวัดสงขลา กับสถานีกูรูน รัฐเคห์ด้า ประเทศมาเลเซีย โดยมีระยะทาง 24 กม. ในระยะแรก ระบบ HVDC จะใช้เป็นแบบ Monopolar ซึ่งจะทำให้ส่งกำลังไฟฟ้าได้ 300 MW (300 kV, 1,000 A)

รายละเอียดของระบบ HVDC ของประเทศไทยมีดังต่อไปนี้ [14]

ตัวเหนี่ยวนำกรองกระแส                 100 มิลลิเฮนรี่, แกนเดี่ยว (Single Core)

หม้อแปลงสำหรับ Converter          3*116 เมกกะวีเอ, 1 เฟส 3 ขด

                                                     230/122.24/122.24 กิโลโวลต์

ระบบไฟฟ้ากระแสสลับ                   ไทย: EGAT 230 กิโลโวลต์; 50 เฮิรตซ์

                                                     มาเลเซีย: TNB 275 กิโลโวลต์, 50 เฮิรตซ์

แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง                   +/- 300 กิโลโวลต์

ขนาดของไทริสเตอร์                       8 กิโลโวลต์, 1,550 แอมป์

จำนวนของไทริสเตอร์                      1,152 ตัว

 

 2. การขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Drives)

    รูปที่ 11 แสดงตัวอย่างของระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับขนาดใหญ่ (มีขนาดตั้งแต่ 2 MW-72 MW) ของ บ. ABB ที่ใช้ไทริสเตอร์ โดยมีอุตสาหกรรมที่ใช้งานมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับขนาดใหญ่ เช่น เหมืองแร่, โรงงานซีเมนต์, โรงงานเคมี, โรงงานน้ำมัน, โรงงานโลหะ, โรงงานกระดาษ, โรงกำเนิดไฟฟ้า, และประปา เป็นต้น

 

รูปที่ 11 ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับขนาดใหญ่ (MEGADRIVE) ของ บ. ABB [15]

 

3. การขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC Drives)

     รูปที่ 12 แสดงตัวอย่างของระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงขนาด 1 MW ที่ใช้ IGBTs ของ บ. Westcode โดยมีอุตสาหกรรมที่ใช้งานมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เช่น โรงงานผลิตอาหารและเครื่องดื่ม, โรงงานซีเมนต์, โรงงานโลหะ, โรงงานกระดาษ, เครื่องรีดพลาสติก, และรถไฟฟ้า เป็นต้น

 

 

รูปที่ 12 แสดงตัวอย่างของระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงขนาด 1 MW ที่ใช้ IGBTs ของ บ. Westcode [16]

 

4. การขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับสำหรับรถไฟ (Traction Converters)

รูปที่ 13 แสดงตัวอย่างของระบบการขับเคลื่อนสำหรับมอเตอร์ที่ใช้ในรถไฟขนาด 750 kW ของ บ. ABB โดยเป็นระบบที่ใช้ IGBTs 

รูปที่ 13 แสดงตัวอย่างของระบบการขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับสำหรับรถไฟฟ้าขนาด 750 kW ที่ใช้ IGBTs ของ บ. ABB [17]

 
บทสรุป
    จากตัวอย่างของงานกำลังสูงที่ได้กล่าวมาจะเห็นได้ว่าอิเล็กทรอนิกส์กำลังได้เข้ามามีบทบาทกับงานกำลังสูงจนเรียกได้ว่าแทบจะทั้งหมด ตัวอย่างเช่น เหมืองแร่,โรงงานซีเมนต์,โรงงานเคมี,โรงงานน้ำมัน,โรงงานโลหะ,โรงงานกระดาษ,โรงกำเนิดไฟฟ้า,โรงประปา,โรงงานผลิตอาหารและเครื่องดื่ม,เครื่องรีดพลาสติก,และรถไฟฟ้าเป็นต้นยิ่งมีการพัฒนาสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังให้มีขนาดพิกัดกำลังสูงมากแค่ไหน กำลังที่สามารถควบคุมได้ก็จะยิ่งสูงมากเท่านั้น

     ปัจจุบันสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังมีขนาดกำลังอยู่ในช่วงขนาดหลายสิบเมกะวีเอแต่ในอนาคตการออกแบบสร้างสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังในระดับหลายร้อยเมกะวีเอหรือระดับกิกะวีเอ(GVA) คงเป็นสิ่งที่ไม่ไกลจนเกินไป และอีกแนวทางหนึ่งในการพัฒนาคือการออกแบบสร้างสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังที่สามารถทำงานที่ความถี่สูงได้ซึ่งข้อดีที่จะได้รับคืออุปกรณ์สะสมพลังงาน(ตัวเก็บประจุ (Capacitor) และตัวเหนี่ยวนำ (Inductor))ที่ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลังจะมีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และราคาต่ำตามไปด้วย

 

เอกสารอ้างอิง
[1] B. Backlund, R. Schnell, U. Schlapbach, R. Fischer, and E Tsyplakov, “Applying IGBTs” , Application note: ABB Switzerland Ltd, 37 Page(s), May 07
[2] “Press-Pack IGBTs”, Expanded Product Brief: Westcode Semiconductors UK, 2 Page(s), May 2006
[3] “The Work-Horse of Power Conversion: Phase Control and Bi-directionally Controlled Thyristors”, ABB Switzerland Ltd, 4 Page(s), April 2007
[4] “Gate Turn-off Thyristors”, Product Brief: Westcode Semiconductors UK, 2 Page(s), September 2007
[5] H.-J. Schulze1, F.-J. Niedernostheide, U. Kellner-Werdehausen, J. Przybilla2, M. Uder, “High-voltage Thyristors for HVDC and Other Applications: Light-triggering Combined with Self-protection Functions”
[6] “IGCT” [online], Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/IGCT [2008, August 30]
[7] T. Setz, M. L?scher, “Applying IGCTs”, Application note: ABB Switzerland Ltd, 43 Page(s), October 2007
[8] “High Power Semiconductors: Shot Form Catalogue 2008”, Catalogue: ABB Switzerland Ltd, 28 Page(s), January 2008
[9] “Power Semiconductors For Industrial Applications?Short Form Catalog?2007”, Catalog: Infineon Technolgies AG Germany, 142 Page(s), 2007
[10] “Power Devices General Catalog”,  Catalog: Mitsubishi Japan
[11] “Products” [Online], Available from: http://www.westcode.com/products.html [2008, August 30]
[12] T. Nakagawa, K. Satoh, M. Yamamoto, K. Hirasawa, K. Ohta, “8kV/3.6kA Light Triggered Thyristor”,  Proceedings of 1995 Intemational Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs Yokohama, pp. 175 – 180, 1995
[13] “HVDC Valve hall in the Chandrapur - Padghe HVDC Transmission” [Online], Available from: http://www.abb.com/cawp/GAD02181/C1256D71001E0037C1256A18002B574D.aspx  [2008, August 30]
[14] 300 MW THAILAND – MALAYSIA, HVDC INTERCONNECTION SYSTEM [online].  Available from: http://www2.egat.co.th/hvdc/INTRODUCTION.HTML [2008, August 30]
[15] “MEGADRIVE-LCI: Medium voltage AC drive for control and soft starting  of large synchronous motors”, ABB Switzerland Ltd, 16 Page(s), 2006
[16] “Power Electronics Traction Services”, Product Brief: Westcode Semiconductors UK, 2 Page(s), February 2007
[17] “BORDLINE? -CC750: AC  Converters for rail vehicles with AC grid supply” 750kW Compact converter” ABB Switzerland Ltd, 2 Page(s)