อิเล็กทรอนิกส์กำลัง

อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (อังกฤษ: Power Electronics) เป็นการนำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ โซลิดสเตต ไปใช้ในการควบคุมและการแปลงพลังงานไฟฟ้า นอกจากนี้ยังหมายถึงหัวข้อของการวิจัยในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบ, การควบคุม, การใช้คอมพิวเตอร์, และการบูรณาการของระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในการประมวลพลังงานตามเวลาที่เปลี่ยนแบบ ไม่เชิงเส้น ด้วยไดนามิกของความเร็ว

หอสูง 16.8 ม. ติดตั้งวาล์วทายริสเตอร์แรงดัน DC สูง (อังกฤษ: high voltage DC (HVDC)) ในห้องโถงที่ Baltic Cable AB ในสวีเดน

บทนำ

 

เครื่องชาร์จแบตเตอรีคือรูปแบบหนึ่งการนำของอิเล็กทรอนิกส์กำลังไปใช้

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงตัวแรกคือ วาล์วปรอทประกายไฟโค้ง (อังกฤษ: mercury-arc valve) ในระบบสมัยใหม่ ​​การแปลงระบบไฟฟ้าจะดำเนินการโดยอุปกรณ์ สวิตช์ ที่ทำด้วย สารกึ่งตัวนำ เช่น ไดโอด, ทายริสเตอร์ (thyristors), และ ทรานซิสเตอร์ ซึ่งบุกเบิกโดย R.D. Middlebrook และคนอื่น ๆ เริ่มต้นในทศวรรษที่ 1950 อิเล็กทรอนิกส์กำลังจะทำงานตรงกันข้ามกับระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวกับการส่งและการประมวลผลของสัญญาณและข้อมูล ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์กำลัง พลังงานไฟฟ้าจำนวนมากจะถูกนำไปผ่านกระบวนการแปลงจาก AC ให้เป็น DC (อังกฤษ: AC/DC converter). วงจรเรียงกระแส (อังกฤษ: rectifier)​​ เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่พบมากที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคหลายชนิดเช่น เครื่องรับโทรทัศน์, เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล, เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ ฯลฯ ขนาดกำลังไฟฟ้าโดยทั่วไปจะมีตั้งแต่หลายสิบวัตต์จนถึงหลายร้อยวัตต์ ในภาคอุตสาหกรรม การประยุกต์ใช้ทั่วไปคือตัวขับความเร็วแปรได้ (อังกฤษ: Variable Speed Drive (VSD)) ที่ถูกใช้ในการควบคุมมอเตอร์เหนี่ยวนำ กำลังไฟฟ้าของ VSDs เริ่มต้นจากไม่กี่ร้อยวัตต์จนไปจบที่หลายสิบเมกะวัตต์

 

แหล่งจ่ายไฟในคอมพิวเตอร์ทั่วไปก็เป็นตัวอย่างหนึ่งของอิเล็กทรอนิกส์กำลังในเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านทั่วไป

ระบบการแปลงกำลังไฟฟ้าสามารถจำแนกตามชนิดของอินพุทและเอาต์พุตของกำลังไฟ ได้แก่

• AC to DC ตัวเรียงกระแส
• DC to AC อินเวอร์เตอร์
• DC-DC วงจรชอปเปอร์
• AC-AC วงจรควบคุมแรงดัน

ประวัติ

อิเล็กทรอนิกส์กำลังเริ่มต้นด้วยการพัฒนาของตัวเรียงกระแสที่ทำจากวาล์วปรอทประกายไฟโค้ง (อังกฤษ: Mercury-Arc Valve Rectifier) ที่ถูกประดิษฐ์คิดค้นโดยปีเตอร์ คูเปอร์ เฮวิตต์ในปี ค.ศ.1902 มันถูกใช้ในการแปลงไฟฟ้​​ากระแสสลับ (AC) ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่แรงดันสูง หลังปี 1920 มีการวิจัยต่อเนื่องโดยการใช้ thyratrons และปรอทวาล์วอาร์กแบบควบคุมด้วยกริดในการส่งกำลังไฟฟ้​​า (power transmission) จากนั้น Uno Lamm ได้พัฒนาวาล์วที่ทำด้วยขั้วไฟฟ้าเป็นชั้นๆมาแทนที่วาล์วปรอทในระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง ในปี ค.ศ.1933 วงจรเรียงกระแสด้วยซีลีเนียมก็ถูกประดิษฐ์ขึ้น

ในปี ค.ศ.1947 ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบ point contact ถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยวอลเตอร์ เอช Brattain และจอห์น Bardeen ภายใต้การดูแลของวิลเลียม Shockley ที่ห้องปฏิบัติการโทรศัพท์เบลล์ ในปี ค.ศ.1948 การประดิษฐ์ของทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบ junction (BJT) โดย Shockley ได้ปรับปรุงเสถียรภาพและประสิทธิภาพการทำงานของทรานซิสเตอร์และช่วยลดต้นทุนในการผลิต หลังปี 1950 พาวเวอร์ไดโอดสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าเริ่มถูกนำมาใช้แทนที่หลอดสูญญากาศ จากนั้นในปี ค.ศ.1956 ตัวเรียงกระแสควบคุมชนิดซิลิคอน หรือ Silicon-Controlled Rectifier (SCR) ถูกนำมาใช้โดย บริษัท General Electric ซึ่งทำให้มีการประยุกต์ใช้อิเล็กทรอนิกส์กำลังเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ในทศวรรษที่ 1960 ความเร็วในการสวิตช์ของ BJTs ถูกใช้สำหรับการแปลง AC ความถี่สูงให้เป็น DC ในปี ค.ศ.1976 power MOSFET ออกสู่ตลาด และในปี ค.ศ.1982 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) ถูกแนะนำในตลาด

อุปกรณ์

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังอาจถูกใช้เป็น สวิตช์ หรือเป็น ตัวขยายสัญญาณ สวิตช์ในอุดมคติจะทำงานเปิดหรือปิดวงจรและไม่กระจายความร้อน มันทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้และส่งผ่านกระแสทั้งหมดโดยไม่มีแรงดันตกคร่อม นั่นคือต้องไม่มีการสูญเสียพลังงานในสวิทช์เลย ในทางตรงกันข้าม ในกรณีของตัวขยายสัญญาณ กระแสที่ไหลผ่านต้วมันแปรผันอย่างต่อเนื่องตามอินพุทที่ควบคุมมันอยู่ แรงดันและกระแสที่ขั้วอุปกรณ์เป็นไปตามโหลดและพลังงานที่กระจายในตัวอุปกรณ์มีมากกว่าพลังงานที่ส่งไปยังโหลด

คุณลักษณะหลายประการเป็นตัวกำหนดวิธีการนำอุปกรณ์ที่ใช้ อุปกรณ์ เช่นไดโอด จะทำงานเมื่อมีแรงดันระหว่างขั้วทั้งสอง และไม่สามารถควบคุมจุดเริ่มต้นของการไหลของกระแสในแต่ละไซเคิลได้ อุปกรณ์ไฟฟ้าเช่น SCR และ thyristors (เช่นเดียวกับวาล์วปรอทและอดีต thyratron) สามารถควบคุมจุดเริ่มต้นของการไหลของกระแสได้ แต่ขึ้นอยู่กับการกลับขั้วของขาควบคุมเพื่อหยุดการทำงาน อุปกรณ์อื่น เช่นประตูปิด thyristors , bipolar junction ทรานซิสเตอร์ (BJT) และ MOSFET ควบคุมการเปิดปิดได้ดีกว่าโดยไม่คำนึงถึงทิศทางกระแสควบคุม อุปกรณ์ทรานซิสเตอร์ยังช่วยในการขยายสัญญาณ แต่ไม่ค่อยถูกนำมาใช้กับระบบที่ใชัพลังงานไม่กี่ร้อยวัตต์ ลักษณะการควบคุมของอินพุทของอุปกรณ์ส่งผลกระทบอย่างมากต่อการออกแบบ, บางครั้งอินพุทควบคุมมีแรงดันไฟฟ้าที่สูงมากเมื่อเทียบกับดินและต้องหามาจากแหล่งต่างหาก

เนื่องจากประสิทธิภาพเป็นที่ต้องการอย่างสูงในการแปลงอิเล็กทรอนิกส์กำลัง, การสูญเสียที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องทำให้ต่ำที่สุดเท่าที่เป็นไปได้

อุปกรณ์ทั้งหลายมีความแตกต่างกันที่ความเร็วในการเปิดปิด บางไดโอดและบาง thyristors จะเหมาะสำหรับความเร็วค่อนข้างช้าและมีประโยชน์สำหรับการสวิทช์และการควบคุมความถี่, thyristors บางตัวเป็นประโยชน์ที่ไม่กี่กิโลเฮิรตซ์ อุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น MOSFETS และ BJTs สามารถสวิทช์ที่หมื่นกิโลเฮิร์ตซ์จนถึงไม่กี่เมกะเฮิรตซ์ แต่ระดับพลังงานลดน้อยลง พลังงานที่สูงมาก (ร้อยๆกิโลวัตต์) ที่ความถี่สูงมากๆ (ร้อยหรือหลายพันเมกะเฮิรตซ์) ยังคงเป็นพื้นที่ที่อุปกรณ์หลอดสูญญากาศครอบครองอยู่ การใช้อุปกรณ์สวิตชิ่งที่เร็วขึ้นช่วยลดการสูญเสียพลังงานในการปิดเปิดกลับไปกลับมา แต่อาจสร้างปัญหากับการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมา วงจรไดรฟ์ที่เกท (หรือเทียบเท่า) ต้องถูกออกแบบให้จ่ายกระแสไดรฟ์ที่พอเพียงเพื่อให้อุปกรณ์ทำหน้าที่สวิตช์ได้อย่างเต็มที่ อุปกรณ์ที่ไม่ได้รับการไดรฟ์เพียงพอที่จะเปลี่ยนอย่างรวดเร็วอาจจะถูกทำลายด้วยความร้อนส่วนเกิน

อุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงจะมีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมและมีการกระจายพลังงาน(รวมทั้งความร้อน)เมื่อเปิดและใช้เวลาในการทำงานจนกว่าจะถึงสถานะ "ปิด" ความสูญเสียเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งที่สำคัญในการสูญเสียของ converter

การจัดการพลังงานและการกระจายความร้อนของอุปกรณ์ยังเป็นปัจจัยที่สำคัญในการออกแบบ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังอาจจะต้องกระจายความร้อนทิ้งไปหลายสิบหรือหลายร้อยวัตต์ แม้การสวิตช์จะมีประสิทธิภาพเท่าที่เป็นไปได้ระหว่างสภาวะการนำกระแสและไม่นำกระแส ในโหมดสวิทชิ่ง พลังงานที่เอ้าท์พุทมีขนาดใหญ่กว่าพลังงานความร้อนที่กระจายไปในสวิตช์ เซมิคอนดักเตอร์พลังงานสูงจำเป็นต้องมี heat sink หรือระบบระบายความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิของ junction ไม่ให้สูงเกินไป เซมิคอนดักเตอร์ที่แปลกใหม่เช่นซิลิกอนคาร์ไบด์มีข้อได้เปรียบเหนือซิลิคอนธรรมดาในแง่นี้และเหนือเจอร์เมเนียม อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ solid-state ในปัจจุบันอาจถูกใช้น้อยลงเนื่องจากคุณสมบัติที่ไม่เอื้ออำนวยที่อุณหภูมิสูง

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่จะทำงานที่ไม่กี่กิโลโวลต์ในตัวเดี่ยว ๆ ในกรณีที่จะต้องทำงานกับแรงดันไฟฟ้าที่สูง ๆ ต้องใช้อุปกรณ์หลาย ๆ ตัวต่อกันแบบอนุกรม อีกครั้งที่ความเร็วในการสวิทช์เป็นปัจจัยสำคัญเนื่องจากอุปกรณ์ตัวที่สวิตช์ช้าที่สุดจะต้องทนต่อแรงดันไฟฟ้ารวม วาล์วปรอทในอดีตทำงานได้ถึง 100 กิโลโวลต์ในเครื่องเดียว ทำให้เป็นการง่ายในการนำไปประยุกต์ใช้ใน ระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง หรือ HVDC

อัตรากระแสที่ใช้งานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จะถูกจำกัดโดยความร้อนที่เกิดภายในโครงสร้าง และความร้อนที่เกิดขึ้นในความต้านทานของจุดเชื่อมต่อของสายไฟ(สายลีด) อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จะต้องได้รับการออกแบบเพื่อให้กระแสมีการกระจายอย่างเท่าเทียมกันข้ามรอยต่อภายในของตน (หรือช่อง); เมื่อ "hot spot" เกิดขึ้น breakdown effect สามารถทำลายอุปกรณ์ได้อย่างรวดเร็ว SCRs บางตัวในปัจจุบันมีอัตรากระแสถึง 3000 แอมแปร์ในเครื่องเดียว

อุปกรณ์ solid state

อุปกรณ์	รายละเอียด	Ratings
ไดโอด	ขั้วเดียว, ไม่สามารถควบคุมได้, ใช้เป็นอุปกรณ์สวิทชิ่งที่ใช้ในงานเช่นวงจรเรียงกระแสและวงจรควบคุมทิศทางการไหลของกระแส, การป้องกันแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับโดยการต่ออนุกรมกับโวลเตจซอสทำตัวเป็นสวิทช์ มีโวลเตจตกคร่อมประมาณ 0.7 VDC (ขึ้นอยู่กับชนิดของสารที่ทำไดโอด)	ทำงานได้ถึง 3000 amperes และ 5000 volts ในตัวเดียว ถ้าสูงกว่านี้ ต้องนำไดโอดหลายตัวมาต่ออนุกรมกัน
ตัวเรียงกระแสควบคุมชนิดซิลิคอน (SCR)	เป็นอุปกรณ์กึ่งควบคุมจะ "เปิด" ให้กระแสไหลเมื่อมีพั้ลส์มาเปิดประตูและขั้วแอโหนดเป็นบวกเมื่อเทียบกับขั้วแคโทด กระแสจะไหลได้ทางเดียวเหมือนกับไดโอด และจะไม่หยุดไหลจนกว่าจะลดหรือตัดความดันที่ขั้วแอโหนดออก อุปกรณ์จึงจะ "ปิด" ความดันที่ประตูไม่สามารถ"ปิด"อุปกรณ์ได้	ทำงานได้ถึง 3000 แอมแปร์, 5000 โวลต์ในอุปกรณ์ซิลิคอนเดียว
ทายริสเตอร์	เป็นอุปกรณ์สามขั้วในเครือเดียวกับ SCRs, GTOs และ MCTs ส่วนใหญ่จะยอมให้กระแสไหลผ่านเมื่อมีพั้ลส์ที่มีค่าๆหนึ่งมาเปิดประตูและจะปิดประตูเมื่อแรงดันที่แอโหนดลดลงถึงจุดหนึ่ง ซึ่งค่าดังกล่าวถูกกำหนดโดยบริษัทผู้ผลิต เมื่อมัน"Off" มันจะทำตัวเป็นอุปกรณ์ที่ปิดกั้นการไหลของกระแสเนื่องจากมีความดันกลับด้าน
ทายริสเตอร์ที่ปิดประตูได้ (GTO)	ไม่เหมือน SCR, gate turn-off thyristor สามารถเปิดและปิดด้วยพั้ลส์ที่ประตู แต่พั้ลส์ที่มาปิดประตูจะมีขนาดและกระแสสูงกว่าพั้ลส์ที่มาเปิดประตูมาก แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ปิดประตูนี้คือแรงดันเชิงลบจากประตูไปยังซอส ซึ่งปกติแล้วจะปรากฏเพียงระยะสั้นๆ แต่มีขนาดประมาณ 1/3 ของกระแสที่แอโหนด วงจร snubber จึงจำเป็นต้องมีเพื่อสร้างสัญญาณสวิทชิ่งที่อุปกรณ์นี้ใช้งาน ถ้าไม่มีวงจร snubber, GTO จะไม่สามารถปิดการทำงานของอินดักทีฟโหลดได้ อุปกรณ์ในตระกูลเดียวกันเหล่านี้ไม่เป็นที่นิยมนำมาใช้ในงานนอิเล็กทรอนิกส์กำลังอีกแล้ว หลังจากที่มีการพัฒนาในด้านเทคโนโลยี IGCT. อุปกรณ์เหล่านี้ถูกพิจารณาว่าเป็นตัวบล็อกแรงดันไฟฟ้าแบบขั้วเดียวหรือสองขั้วที่ควบคุมได้
ไตรแอค	triac เป็นทายริสเตอร์แบบควบคุมด้วยเฟส ภายในชิปเดียวกันมี SCR สองตัวต่อกลับหัวกัน พั้ลส์ที่มาเปิดประตูไม่ว่าจะเป็นบวกหรือลบก็จะเปิดประตู SCR ตัวใดตัวหนึ่งได้เสมอ กระแสจึงไหลได้ทั้งสองทาง ทำงานเหมือน SCR คือเมื่อมันเปิดแล้ว มันจะปิดไม่ได้ มันมีความสามารถในการป้องกันการ reverse bias ได้ด้วย
ทรานซิสเตอร์	Bipolar Junction Transister, BJT หรือทรานซิสเตอร์ทั่วไป ไม่สามารถใช้ที่พลังงานที่สูงๆได้ มันทำงานได้ช้ากว่าและมีความสูญเสียเนื่องจากความร้อนสูงกว่าเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ MOSFET. BJTs กับ MOSFETs เป็นแบบ unipolar ไม่สามารถปิดกั้นแรงดันย้อนกลับได้ดียกเว้นในกรณีที่ติดตั้งคู่กับไดโอดป้องกัน BJT มี gain ของกระแสต่ำในงานพลังงานสูงๆ, จึงต้อง config ให้เป็นแบบดาร์ลิงตัน เพื่อรับมือกับกระแสที่ใช้โดยวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง	การ config ให้ใช้ทรานซิสเตอร์หลายๆตัว ทำให้ได้ สวิทชิ่งไทม์ประมาณ 0.1 ถึง 1 microseconds อุปกรณ์มีเรตติ้งที่สูงสุดประมาณ 1500 V และเรตติ้งของกระแสค่อนข้างสูง มันสามารถนำมาต่อขนานกันเพื่อเพิ่มความสามารถในการรองรับกำลังที่สูงขึ้น แต่จำกัดให้ประมาณ 5 ตัวอุปกรณ์สำหรับการแบ่งปันกระแส
Power MOSFET	ประโยชน์หลักของ Power MOSFET คือกระแสที่เบสสำหรับ BJT สูงมากแต่เมื่อเทียบเกือบกระแสที่ประตูเป็นศูนย์สำหรับ MOSFET เนื่องจาก MOSFET เป็นอุปกรณ์ที่ใช้แรงดันไฟฟ้าไม่ใช่กระแสในการเปิดปิดประตูให้กระแสไฟฟ้าไหลจากเดรนมาซอส gate ไม่ได้ช่วยอะไรกับกระแสที่ เดรนและซอส กระแสที่มาเปิด gate เป็นศูนย์ซึ่งทำให้ความร้อนที่เกิดจะมาจากการปิดและเปิด ความสูญเสียใน MOSFETs ส่วนใหญ่จะมาจากความต้านทานช่วงที่เปิด, เวลาที่ใช้ในการปิดเปิดมีตั้งแต่ 10 nanosec ไปจนถึง 100 microseconds ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์. ความต้านทานที่เดรนของ MOSFET จะเพิ่มขึ้นเมื่อกระแสที่ไหลผ่านอุปกรณ์สูงขึ้น ความถี่ที่สูงขึ้นก็เพิ่มความต้านทานนี้เช่นกัน นี่ทำให้ BJT น่าสนใจกว่า Power MOSFET สามารถนำมาต่อขนานกันเพื่อเพิ่มกระแสและกำลังงานโดยรวม อุปกรณ์ใหม่ๆอาจมีคุณสมบัติดีกว่านี้ MOSFET ไม่จ่ายกระแสสองทางและไม่สามารถทำ reverse blocking ได้	โวลเตจที่ทำงานได้จะน้อยกว่า 1000 V เล็กน้อยและกระแสที่ประมาณ 100 A
Insulated gate bipolar transistor (IGBT)	เป็นอุปกรณ์ที่รวมลักษณะที่ดีที่สุดของ MOSFETs และ BJTs. เช่นเหมือน MOSFET ที่มีความต้านทานที่เกทสูงจึงต้องการกระแสต่ำ และเหมือน BJTs ที่แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมในช่วง"เปิด"ต่ำ ความสูญเสียพลังงานจึงต่ำ และทำงานคล้ายกับ GTO ที่สามารถป้องกันแรงดันไฟฟ้าได้ทั้งบวกและลบ IGBT มี input capacitance น้อยกว่า MOSFET ซึ่งจะปรับปรุง Miller feedback effect ระหว่างการปิดเปิดที่มี dv/dt สูง	กระแสที่ทำงานค่อนข้างสูงกว่า 1500 A และแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 3,000 โวลต์
MOS-controlled thyristor (MCT)	ทำงานเหมือนทายริสเตอร์ที่สามารถ trigger ให้เปิดหรือปิดด้วยพัลส์ที่เกท เนื่องจากอินพุทเป็นเทคโนโลยีแบบ MOS จึงมีกระแสไหลน้อยมากจึงใช้สัญญาณควบคุมการทำงานที่ต่ำมาก อุปกรณ์มี MOSFET input 2 ขา และ BJT output 2 ขา อินพุทถูกออกแบบมาให้ทำงานทั้งช่วงบวกและช่วงลบของสัญญาณ เอ้าท์พุทก็ปล่อยให้กระแสไหลได้ 2 ทิศทางเช่นกัน และทำ reverse blocking ได้ด้วย	ปิดเปิดได้เร็ว รองรับแรงดันและกระแสสูง ประมาณ 100 A หรือมากกว่า
Integrated gate-commutated thyristor(IGCT)	คล้ายกับ GTO แต่ไม่ต้องการกระแสสูงเพื่อเปิดหรือปิดเกท IGCT อุปกรณ์มีความต้านทานของอินพุตสูงมากเพราะใช้เกทไดรเวอร์ทำด้วย MOSFET. IGCT มีเอาต์พุตความต้านทานต่ำที่ไม่ต้องเสียพลังงานมากและรวดเร็วมากเหมือนอย่างคู่แข่งเช่น BJTs. บริษัท ABB มีการเผยแพร่เอกสารข้อมูลสำหรับอุปกรณ์ชนิดนี้และให้รายละเอียดของการทำงานภายใน อุปกรณ์ประกอบด้วยเกทที่สามารถเลือกให้แยกออกจากอินพุทได้, เอ้าท์พุทเป็น BJT ความต้านทานต่ำเพื่อให้มีความสูญเสียต่ำที่แรงดันและกระแสสูง	สามารถรองรับการทำงานที่มากกว่า 5,000 VAC, 5,000 A ที่ความถี่สูงกว่าที่ GTO ทำได้

DC to AC Inverter (อินเวอร์เตอร์)

ตัวที่แปลง DC เป็น AC เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Inverter ตัวอย่างการใช้งานได้แก่ ตัวขับที่เปลี่ยนความเร็วได้ (อังกฤษ: Adjustable Speed Drive (ASD)), Uninterrupted Power Supply (UPS), active filter, Flexible AC transmission systems (FACTS), voltage compensators, และ photovoltaic generator Topologies สำหรับตัวแปลงเหล่านี้สามารถแยกออกได้เป็นสองประเภทที่แตกต่างกันคือ:

1. อินเวอร์เตอร์แบบแหล่งแรงดัน (อังกฤษ: Voltage source inverter (VSI)) เอาต์พุต AC ที่ควบคุมได้อย่างอิสระเป็นรูปคลื่นของแรงดัน
2. อินเวอร์เตอร์แบบแหล่งกระแส (อังกฤษ: Current source inverter (CSI)) เอาต์พุต AC ที่ควบคุมได้อย่างอิสระเป็นรูปคลื่นของกระแส

การแปลงไฟฟ้า DC ให้เป็น AC เป็นการแปลงแบบไม่มีส่วนเคลื่อนไหว มันทำงานด้วยอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ไฟฟ้า ซึ่งเป็นแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่ควบคุมได้อย่างเต็มที่ รูปคลื่นที่เอาต์พุตจึงมีค่าไม่ต่อเนื่อง ทำให้เกิดการแปลงที่รวดเร็วแทนที่จะเป็นการแปลงอย่างราบรื่น ความสามารถในการสร้างรูปคลื่นใกล้เคียงกับรูปซายน์ที่มีความถี่ใกล้ๆความถี่พื้นฐานจะถูกบังคับโดยใช้เทคนิคการมอดดูเลชั่นที่มีการควบคุมเมื่อ, และตลอดเวลาที่, ลิ้นไฟฟ้าเปิดและปิด เทคนิคการมอดดูเลชั่นธรรมดาจะได้แก่ carrier-based technique หรือ pulse-width modulation, space-vector technique และ selective-harmonic technique

Voltage source inverters มีการใช้จริงทั้งในงานเฟสเดียวและงานสามเฟส VSIs เฟสเดียวใช้รูปแบบ half-bridge and full-bridge และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับ แหล่งจ่ายไฟ, UPS เฟสเดียว และรูปแบบพลังงานสูงที่ละเอียดซับซ้อนมันจะถูกนำมาใช้ในรูปแบบของกลุ่มเซลล์. VSIs สามเฟสจะถูกใช้ในงานที่ต้องใช้แรงดันไฟฟ้ารูปคลื่นซายน์ เช่น ASDs, ยูพีเอสและบางชนิดของอุปกรณ์ FACTS เช่น STATCOM. พวกมันยังถูกใช้ในงานที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีกฏเกณฑ์อย่างในกรณีของ active filter และ voltage compensators

Current source inverters ถูกนำมาใช้ในการผลิตกระแส AC จากแหล่งจ่ายกระแส DC อินเวอร์เตอร์แบบนี้ในทางปฏิบัติจะใช้สำหรับงานไฟฟ้าสามเฟสที่ต้องการรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าคุณภาพสูง

ตัวแปลงหลายระดับ (อังกฤษ: Multilevel inverter) เป็นอินเวอร์เตอร์รุ่นใหม่ที่ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง การทำงานปกติของ CSIs และ VSIs ถูกจัดว่าเป็นอินเวอร์เตอร์สองระดับเนื่องจากความจริงที่ว่าสวิทช์ไฟฟ้าต่าง ๆ จะเชื่อมต่อกับบัสแรงดันไฟฟ้าตรงไม่ขั้วบวกก็ขั้วลบ แต่ถ้าเอ้าท์พุทของอินเวอร์เตอร์มี AC Voltage หลายระดับ, AC เอาต์พุตจะสามารถทำให้เป็น sine wave ได้ดีกว่า มันจึงเป็นเหตุผลที่ว่า multilevel inverters แม้ว่ามันจะซับซ้อนและแพงกว่า มันก็ยังให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า

อินเวอร์เตอร์แต่ละประเภทแตกต่างกันในการเชื่อมโยงแบบ DC ที่ใช้ และพวกมันมีความจำเป็นต้องใช้ freewheeling diodes หรือไม่ ไม่ว่าแบบไหน พวกมันสามารถถูกทำให้ทำงานในโหมด square-wave หรือ pulse-width modulation (PWM) อย่างใดอย่างหนึ่งได้ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ในการใช้งาน โหมด Square-wave ให้ความเรียบง่าย ในขณะที่โหมด PWM สามารถนำไปใช้ได้หลายวิธีและสร้างรุปคลื่นที่มีคุณภาพสูงกว่า

คุณภาพที่ต้องการของรูปคลื่นของกระแสที่เอาต์พุตเป็นตัวกำหนดเทคนิคการมอดดูเลชัน เอาต์พุตของ VSI ประกอบด้วยรูปคลื่นที่ไม่ติดกัน เพื่อให้ได้รูปคลื่นกระแสที่ราบเรียบ โหลดจะต้องเป็นแบบเหนี่ยวนำที่ความถี่ฮาร์โมนิคที่เลือก ถ้าปราศจากการกรองแบบเหนี่ยวนำบางชนิดระหว่างแหล่งจ่ายกับโหลด โหลดแบบตัวเก็บประจุจะทำให้โหลดได้รับรูปคลื่นกระแสแบบถูกสับเป็นช่วงๆและมีกระแสเป็นรูปหนามขนาดใหญ่และบ่อย ๆ

VSIs มีสามประเภทหลักคือ:

1. Single-phase half-bridge inverter
2. Single-phase full-bridge inverter
3. Three-phase voltage source inverter

Single-phase half-bridge inverter

 

รูปที่ 1: รูปคลื่นที่ป้อนให้กับ ASD

 

รูปที่ 2: วงจร Single-Phase Half-Bridge Voltage Source Inverter

single-phase voltage source half-bridge inverters ใช้กับงานที่ใช้แรงดันต่ำ ปกติใช้ใน power supply รูปที่ 2 แสดงรูปแบบของวงจรนี้

ฮาร์โมนิคของกระแสในลำดับต่ำจะถูกป้อนกลับไปที่แหล่งผลิตโดยการทำงานของอินเวอร์เตอร์. ตามรูปตัวเก็บประจุใหญ่ๆสองตัวถูกนำมาใช้ทำหน้าที่เป็นตัวกรอง สวิทช์สองตัวที่อยู่ในรูปจะสลับการทำงานในแต่ละขาของอินเวอร์เตอร์ ตัวเก็บประจุจะผลัดกันต่อคร่อมโหลดเพื่อ bypass ฮาร์โมนิคส์ดังกล่าวตลอดเวลา

Single-phase full-bridge inverter

 

รูปที่ 3: Single-Phase Voltage Source Full-Bridge Inverter

 

รูปที่ 4: Carrier and Modulating Signals for the Bipolar Pulsewidth Modulation Technique

อินเวอร์เตอร์แบบเต็มรูปมีความคล้ายคลึงกับอินเวอร์เตอร์แบบครึ่งรูป แต่มีขาเพิ่มขึ้นใช้ในการเชื่อมต่อ neutral กับโหลด. รูปที่ 3 แสดงแผนผังวงจรอินเวอร์เตอร์เต็มรูป

เพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจรของแหล่งแรงดัน, S1+ และ S1- จะต้องไม่ close พร้อมกัน และ S2+ และ S2- ก็จะต้องไม่ close พร้อมกันเช่นกัน สวิทช์ด้านบนหรือด้านล่างตัวใดตัวหนึ่งในแต่ละขาเท่านั้นที่ close ในเวลาใดเวลาหนึ่ง amplitude สูงสุดของสัญญาณ output จะเท่ากับ Vi และเป็นสองเท่า amplitude ของเอาต์พุตที่ทำได้สูงสุดของระบบครึ่งรูป

Three-phase voltage source inverter

 

รูปที่ 5: Three-Phase Voltage Source Inverter Circuit Schematic

 

รูปที่ 6:Three-Phase Square-Wave Operation a) Switch State S1 b) Switch State S3 c) S1 Output d) S3 Output

VSIs เฟสเดียวใช้ในงานพลังงานต่ำ ในขณะที่ VSIs สามเฟสครอบคลุมการใช้งานทั้งขนาดพลังงานกลางและสูง รูปที่ 5 แสดงแผนผังวงจรสำหรับสามเฟส VSI

สวิทช์ในขาใด ๆ ของสามขาของอินเวอร์เตอร์ต้องไม่ถูก switch-off พร้อมกัน เพราะจะส่งผลให้แรงดันไปขึ้นกับขั้วของกระแส States 7 และ 8 สร้างแรงดัน AC ที่เส้นศูนย์ ซึ่งเป็นผลให้กระแสไหลอย่างอิสระผ่านอุปกรณ์ด้านบนหรือด้านล่างด้านใดด้านหนึ่ง อย่างไรก็ตาม แรงดัน state 1 ถึง 6 สร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ประกอบด้วยค่าที่ไม่ติดกันต่อกันเนื่องของ Vi, 0 หรือ -Vi.

สำหรับ Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) แบบสามเฟส สัญญาณที่ใช้มอดดูเลตจะมี 120 องศาเอ้าท์ออฟเฟสซึ่งกันและกัน จะถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแรงดันแรงดันไฟฟ้าที่โหลด เพื่อที่จะรักษาคุณลักษณะ PWM ด้วยการใช้สัญญาณพาหะเดียว ความถี่กลาง mf, จะต้องมีผลคูณของสาม ซึ่งจะทำให้ขนาดของแรงดันไฟฟ้าทุกเฟสเหมือนกัน แต่เฟสต่างกัน 120 องศา. แอมพลิจูดสูงสุดของแรงดันเฟสที่ทำได้แบบเชิงเส้น, เมื่อ ma น้อยกว่าหรือเท่ากับหนึ่ง, คือ vphase = vi / 2 แอมพลิจูดสูงสุดของแรงดันลายน์ที่ทำได้ Vab1 = vab •√ 3/2

วิธีเดียวที่จะควบคุมแรงดันไฟฟ้าโหลดคือโดยการเปลี่ยนสัญญาณแรงดันอินพุท DC

Current source inverters

Current source invertersแปลงรูปคลื่นกระแสตรงเป็นรูปคลื่น AC ในงานที่ต้องใช้รูปคลื่นซายน์ AC ขนาดความถี่และเฟสจะต้องมีการควบคุม. CSI มีการเปลี่ยนแปลงของกระแสสูงไปตามเวลา ดังนั้นตัวเก็บประจุจึงถูกนำมาใช้งานด้าน AC, ในขณะที่ inductors ถูกนำมาใช้งานด้านดีซี. เนื่องจากไดโอดที่สามารถควบคุมการไหลของกระแสไม่ได้ถูกใช้งาน ขนาดและน้ำหนักจึงลดลง และมีแนวโน้มที่จะน่าเชื่อถือมากกว่า VSIs. แม้ว่ารูปแบบเฟสเดียวสามารถนำไปใช้งานได้ แต่ CSI สามเฟสถูกนำไปใช้จริงมากกว่า

 

รูปที่ 7: Three-Phase Current Source Inverter

 

รูปที่ 8: Synchronized-Pulse-Width-Modulation Waveforms for a Three-Phase Current Source Inverter a) Carrier and Modulating Signals b) S1 State c) S3 State d) Output Current

ในรูปแบบทั่วไปมากที่สุด สามเฟส CSI ใช้ลำดับการทำงานเหมือนกับวงจร rectifier แบบ 6 พั้ลส์. ณ เวลาใด ๆ มีเพียงหนึ่งสวิทช์แบบ common-cathode และหนึ่ง common-anode เท่านั้นที่ on

ผลที่ได้ก็คือ กระแสลายน์ใช้ค่าที่ไม่ติดกันของ -ii, 0 และ ii state จะถูกเลือกเพื่อที่จะได้รูปแบบของคลื่นที่ต้องการออกมาทางเอ้าท์พุท การคัดเลือกนี้มีพื้นฐานของเทคนิคการมอดดูเลต, ซึ่งรวมถึง carrier-based PWM, การกำจัดฮาร์โมนิคที่คัดเลือกไว้และเทคนิคปริภูมิเวกเตอร์.

Carrier-based techniques ที่ถูกใช้กับ VSIs ยังสามารถนำมาใช้กับ CSI ได้ ซึ่งจะมีผลทำให้ line current ใน CSI ทำงานในลักษณะเดียวกับ line voltage ใน VSI วงจรดิจิตอลที่ถูกใช้สำหรับสัญญาณมอดดูเลตประกอบด้วย switching pulse generator, shorting pulse generator, shorting pulse distributor, และ switching and shorting pulse combiner. สัญญาณที่ใช้เปิด gate ถูกสร้างขึ้นอยู่กับ carrier current และสามสัญญาณมอดดูเลต.

Multilevel inverters

 

รูปที่ 10:Three-Level Neutral-Clamped Inverter โดยขาอินพุทมีแรงดันต่างระดับกัน

รูปแบบค่อนข้างใหม่ที่เรียกว่าอินเวอร์เตอร์หลายระดับได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง การทำงานปกติของ CSI และ VSI สามารถจัดเป็นอินเวอร์เตอร์สองระดับเพราะสวิทช์ไฟเชื่อมต่อกับ DC บัสบวกหรือบัสลบ. หากมีมากกว่าสองระดับแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตจะเป็นคลื่น AC รูปคลื่นไซน์ที่ดีกว่า. ด้วยเหตุนี้อินเวอร์เตอร์หลายระดับแม้ว่าที่ซับซ้อนมากขึ้นและแพงกว่าแต่ให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า Three-Level Neutral-Clamped Inverter จะแสดงในรูปที่ 10

วิธีการควบคุมอินเวอร์เตอร์สามระดับก็เพียงแต่ช่วยให้สวิทช์สองในสี่ของสวิทช์ในแต่ละขาพร้อมกันเปลี่ยนสถานะการนำไฟฟ้า แบบนี้จะช่วยให้การแลกเปลี่ยนทำได้อย่างราบรื่นและหลีกเลี่ยงการยิงผ่านโดยเฉพาะการเลือก state ที่ถูกต้อง. สังเกตว่าเนื่องจากบัสแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ใช้ร่วมกันอย่างน้อยสองวาล์ว ดังนั้นอัตราแรงดันไฟฟ้าจะน้อยกว่าแบบสองระดับ

การใช้งานอินเวอร์เตอร์

โดยทั่วไปอินเวอร์เตอร์ถูกนำมาใช้ในงานที่ต้องการแปลงโดยตรงจากพลังงานไฟฟ้า DC ไปเป็น AC หรือทางอ้อมจากการแปลง AC ไป AC. การแปลง Dc ไป AC จะเป็นประโยชน์สำหรับหลายสาขารวมทั้งเครื่องปรับสภาพไฟฟ้​​า, เครื่องชดเชยฮาร์มอนิค, เครื่องขับมอเตอร์และ grid-integration ของพลังงานทดแทน

การแปลง AC/AC

การแปลงไฟ AC เป็น AC ช่วยในการควบคุมแรงดันไฟฟ้า, ความถี่และเฟสของรูปคลื่นที่จ่ายให้กับโหลดจากแหล่งจ่ายไฟ AC มีสองประเภทหลักที่สามารถใช้ในการแยกชนิดของการแปลง คือมีการเปลี่ยนความถี่ของรูปคลื่นหรือไม่ ตัวแปลง AC/AC ที่ไม่ยอมให้ผู้ใช้เปลี่ยนความถี่เรียกว่า AC Voltage Controller หรือ AC Regulators ตัวแปลง AC/AC ที่ยอมให้ผู้ใช้เปลี่ยนความถี่ได้เรียกว่าตัวแปลงความถึ่สำหรับการแปลง AC/AC ภายใต้ตัวแปลงความถึ่ มีตัวแปลงอยู่ 3 ประเภทคือ cycloconverter, matrix converter, DC link converter (หรือตัวแปลง AC/DC/AC)

AC voltage controller: หรือ AC Regulator ใช้ปรับแรงดัน RMS ที่ตกคล่อมโหลดแต่ความถี่ไม่เปลี่ยน มี 3 วิธีที่ได้รับการยอมรับโดยทั่วไปคือ ON/OFF Control, Phase-Angle Control, and Pulse Width Modulation AC Chopper Control (PWM AC Chopper Control) มีใช้ทั้งแบบ เฟสเดียวและ 3 เฟส

• ON/OFF Control: โดยทั่วไปจะใช้สำหรับให้ความร้อนโหลดหรือการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ โดยการเปิดสวิทช์ n รอบและปิดสวิทช์ m รอบ การเปิดสวิทช์และปิดเช่นนี้ทำให้เกิดฮาร์โมนิคที่ไม่พึงประสงค์ ดังนั้นจะต้องเปิด/ปิดสวิทช์ระหว่างสภาวะความดันและกระแสเป็นศูนย์ (zero crossing) เพื่อลดความเพี้ยน

• Phase-Angle Control: ได้แก่วงจรเช่น half-wave และ full-wave control ซึ่งใช้อุปกรณ์ไดโอด, SCR และ Triac ผู้ใช้สามารถหน่วงมุมการยิง ซึ่งทำให้บางส่วนของรูปคลื่นเท่านั้นที่ออกมาที่เอ้าท์พุท

• PWM AC Chopper Control: อีกสองวิธีที่การควบคุมมักจะมีฮาร์มอนิคออกมาไม่ดี, คุณภาพของกระแสที่เอ้าท์พุทไม่ดีและpower factor ที่อินพุทไม่ดี เพื่อปรับปรุงค่าเหล่านี้ PWM สามารถใช้แทนวิธีการอื่น ๆ สิ่งที่ PWM AC Chopper ทำก็คือให้สวิทช์เปิด-ปิดหลายครั้งในช่วงครึ่งรอบของแรงดัน AC ของอินพุท

Matrix converters and cycloconverters: Cycloconverters ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมสำหรับการแปลง AC ไปเป็น AC สำหรับการประยุกต์ใช้ในงานที่ใช้พลังงานสูง การแปลงจะแปลงความถี่โดยตรงซึ่งจะถูก synchronise โดยซัพพลายลายน์ รูปคลื่นของแรงดันที่เอาต์พุตของ cycloconverters จะเป็นฮาร์โมนิคที่ซับซ้อนโดยที่ฮาร์โมนิคในลำดับสูงๆจะถูกกรองออกโดยอินดักแตนท์ของเครื่อง ฮาร์โมนิคส่วนที่เหลือจะทำให้เกิดความสูญเสียและพั้ลส์แรงบิดสร้างกำลังงาน พึงสังเกตว่าใน cycloconverter, ซึ่งแตกต่างจากตัวแปลงอื่น ๆ, ไม่มีตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุหรืออุปกรณ์จัดเก็บพลังงานแต่อย่างใด ด้วยเหตุนี้กระแสไฟฟ้าอินพุทและเอาต์พุตมีค่าเท่ากันในทุกชั่วขณะ

• Single-Phase to Single-Phase Cycloconverters: การแปรงแบบนี้เริ่มได้รับความสนใจเร็วๆนี้ เนื่องจากการลดลงทั้งขนาดและราคาของสวิทช์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ไฟฟ้า ac ความถี่สูง เฟสเดียวสามารถมีรูปคลื่นเป็นซายน์หรือรูปทรงสี่เหลี่ยมคางหมูอย่างใดอย่างหนึ่ง ซึ่งนี้อาจจะเป็นช่วงแรงดันที่ศูนย์โวลท์เพื่อจุดประสงค์ในการควบคุมหรือช่วงการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์

• Three-Phase to Single-Phase Cycloconverters: มีสองชนิดคือ: 3φ ไป 1φ cycloconverters ครึ่งคลื่น, และ 3φ ไป 1φ cycloconverters bridge. ทั้งสองแบบสามารถแปลงในแรงดันได้ทั้งค่าบวกและค่าลบ นั่นคือตัวแปลงค่าบวกจะให้กระแสบวกเท่านั้น และการแปลงค่าลบจะให้แต่กระแสลบเท่านั้น

ด้วยความก้าวหน้าล่​​าสุดของอุปกรณ์ รูปแบบใหม่ของ cycloconverters มีการพัฒนาเช่นเมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ การเปลี่ยนแปลงครั้งแรกที่สังเกตเห็นตอนแรกคือเมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ใช้สวิทช์สองทิศทาง, สวิทช์ bipolar. เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์เฟสเดียว-เฟสเดียวประกอบด้วยเมทริกซ์ของ 9 สวิทช์ที่เชื่อมต่อสามอินพุทเฟสเข้ากับสามเอ้าท์พุทเฟส ในช่วงเวลาใดๆ อินพุทเฟสใดๆสามารถต่อเข้ากับเอ้าท์พุทเฟสใดๆก็ได้ แต่ต้องไม่ต่อเข้ากับเฟสเดิมด้วยเพราะจะทำให้ลัดวงจร เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์มีน้ำหนักเบา, กะทัดรัดมากขึ้นและหลากหลายกว่าโซลูชั่นอื่น ๆ เป็นผลรูปแบบนี้มีความสามารถที่จะบรรลุระดับที่สูงขึ้นของการอินทีเกรชั่น, การทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น, ความถี่ของเอ้าท์พุทที่กว้างและมีการไหลของพลังงานสองทิศทางที่เป็นธรรมชาติ เหมาะสมเพื่อฟื้นฟูพลังงานกลับไปยังยูทิลิตี้

เมทริกซ์คอนเวอร์เตอร์ถูกแบ่งออกเป็นสองประเภทคือ: แปลงโดยตรงและโดยอ้อม แปลงเมทริกซ์โดยตรงกับอินพุตสามเฟสและเอาต์พุตสามเฟส, สวิทช์ในการแปลงเมทริกซ์จะต้องมีสองทิศทางนั่นคือมันจะต้องสามารถ block แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วใดขั้วหนึ่งและนำกระแสในทิสทางใดทิศทางหนึ่ง กลยุทธ์นี้จะทำให้ได้แรงดันเอาต์พุตสูงสุดและลดปฏิกิริยากระแส line-side ดังนั้นกระแสไฟฟ้าที่ผ่านการแปลงสามารถย้อนกลับได้ เนื่องจากปัญหาการแลกเปลี่ยนและการควบคุมที่ซับซ้อนทำให้มันไม่ถูกใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม

ซึ่งแตกต่างจากเมทริกซ์แปลงโดยตรง เมทริกซ์แปลงทางอ้อมมีฟังก์ชันการทำงานเดียวกัน แต่ใช้การแยกส่วนอินพุทและเอ้าท์พุทซึ่งมีการเชื่อมต่อผ่าน dc link โดยไม่มีอุปกรณ์จัดเก็บ การออกแบบรวมถึง four-quadrant current source rectifier และ a voltage source inverter. ส่วนของอินพุทประกอบด้วยสวิทช์สองทิศทางแบบ bipolar กลยุทธ์การสลับทางสามารถนำมาใช้โดยการเปลี่ยนสถานะของส่วนอินพุตในขณะที่ส่วนเอ้าท์พุทอยู่ในโหมดอิสระเสรี อัลกอริทึมการแลกเปลี่ยนนี้เป็นความซับซ้อนน้อยกว่าและความน่าเชื่อถือที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับแปลงเมทริกซ์การแปรงโดยตรง.

DC link converters: ยังถูกเรียกว่า AC/DC/ AC เป็นการแปลงไฟฟ้​​ากระแสสลับขาเข้าเพื่อการส่งออก AC ด้วยการใช้การเชื่อมโยงด้วย DC ในช่วงกลาง หมายความว่าพาวเวอร์จะถูกแปลงให้เป็น DC ด้วยวงจร rectifier และจากนั้นจะถูกแปลงกลับไปเป็น AC ด้วยอินเวอร์เตอร์ ผลลัพธ์ที่ได้คือเอาต์พุตที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำลงและความถี่ (สูงขึ้นหรือต่ำลง) ที่ปรับได้ เนื่องจากมีพื้นที่การใช้ที่กว้างขวาง ตัวแปลง AC/DC/AC จึงเป็นโซลูชั่นที่ร่วมสมัยที่พบบ่อยที่สุด ข้อดีอื่น ๆ ของต้วแปลง AC/DC/AC คือความเสถียรในสภาวะโอเวอร์โหลดและไม่มีโหลดและสามารถที่จะถูกปลดออกจากโหลดโดยไม่เกิดความเสียหายอีกด้วย

Hybrid matrix converter: การแปลงแบบนี้ค่อนข้างใหม่สำหรับการแปลง AC/AC โดยรวมการออกแบบ AC/DC/AC กับการออกแบบแปลงเมทริกซ์ ตัวอย่างเช่นตัวแปรงที่ใช้สวิทช์ทางเดียงกับตังแปรงสองขั้นตอนโดยไม่มี dc-link, โดยไม่ต้องมีตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำที่จำเป็นสำหรับ dc-link, น้ำหนักและขนาดของตัวแปลงก็จะลดลง. สองประเภทย่อยที่มีอยู่จากแปลงไฮบริดชื่อ hybrid direct matrix converter (HDMC) และ hybrid indirect matrix converter (HIMC). HDMC แปลงแรงดันและกระแสในขั้นตอนหนึ่ง, ในขณะที่ HIMC ใช้ขั้นตอนที่แยกต่างหาก, เช่น การแปลง AC/DC/AC, แต่โดยไม่ต้องใช้องค์ประกอบการจัดเก็บพลังงานระหว่างขั้นตอนตรงกลาง.

การประยุกติใช้งาน: ด้านล่างนี้เป็นรายการของการประยุกติใช้งานทั่วไปที่ตัวแปลงแต่ละตัวถูกนำมาใช้:

• AC Voltage Controller; ควบคุมการให้แสงสว่าง, การให้ความอบอุ่นในชุมชนและอุตสาหกรรม, การควบคุมความเร็วของพัดลม, ปั๊มหรือรอก, ซอฟท์สตาร์ทของมอเตอร์เหนี่ยวนำ, สวิทช์ AC แบบไม่มีส่วนเคลื่อนไหว (การควบคุมอุณหภูมิ, การเปลี่ยนแทปหม้อแปลงไฟฟ้​​า ฯลฯ )
• Cycloconverter: ขับมอเตอร์ AC พลังงานสูงความเร็วต่ำกลับทางได้; พาวเวอร์ซัพพลายความถี่คงที่ ปรับความถี่อินพุทได้, เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ควบคุม VAR ได้สำหรับแก้ไขพาวเวอร์แฟกเตอร์; ระบบ AC สำหรับเชื่อมโยงสองระบบผลิตไฟฟ้าอิสระระหว่างเมือง
• Matrix Converter: ในปัจจุบันการประยุกต์ใช้ตัวแปลงเมทริกซ์จะถูกจำกัดเนื่องจากจำนวนที่ไม่แน่นอนของ bilateral monolithic switches ที่มีความสามารถทำงานที่ความถี่สูง รวมทั้งการดำเนินงานตามกฎหมายควบคุมที่ซับซ้อน, การแลกเปลี่ยนและเหตุผลอื่น ๆ. หากปราศจากการจำกัดเหล่านี้ตัวแปลงเมทริกซ์สามารถใช้ทดแทน cycloconverters ในหลายพื้นที่
• DC Link: สามารถใช้งานได้สำหรับงานสร้างเครื่องจักรและการก่อสร้างที่มีโหลดเฉพาะตัวหรือหลายโหลดพร้อมกัน

แบบจำลองของการใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง

 

แรงดันขาออกของวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นกับ thyristors ควบคุม

วงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลังมีการจำลองการใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์จำลองเช่น PSIM และ MATLAB / Simulink วงจรมีการจำลองก่อนที่จะมีการผลิตเพื่อทดสอบว่าวงจรการตอบสนองภายใต้เงื่อนไขบางประการ นอกจากนี้ยังมีการสร้างแบบจำลองเป็นทั้งที่ถูกกว่าและเร็วกว่าการสร้างต้นแบบที่จะใช้สำหรับการทดสอบ.

การประยุกต์ใช้

การประยุกต์ใช้อิเล็กทรอนิกส์กำลังมีขนาดในช่วงตั้งแต่ แหล่งจ่ายไฟแบบสลับโหมด ใน เอซีอะแดปเตอร์, ตัวชาร์จแบตเตอรี่, เครื่องขยายเสียง, บัลลาสต์หลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ ไปจนถึง ตัวขับความถี่แปรได้ และตัวขับดีซีมอเตอร์ที่ใช้ในการหมุนปั๊ม, พัดลมและเครื่องจักรการผลิต จนถึงระบบส่งไฟฟ้าแรงสูงกระแสตรงขนาดกิกะวัตต์ที่ใช้ในการเชื่อมต่อเข้ากับกริด ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังจะพบได้ในเกือบทุกอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวอย่างเช่น:

• DC/DC converters ใช้ในโทรศัพท์เคลื่อนที่มากที่สุด (โทรศัพท์มือถือ, PDA ฯลฯ ) เพื่อรักษาระดับแรงดันไว้ที่ค่าค่าหนึ่งไม่ว่าระดับแรงดันของแบตเตอรี่จะมีค่าเท่าใดก็ตาม ตัวแปลงแบบนี้ยังใช้สำหรับการแยกวงจรออกต่างหากและใช้ในการแก้พาวเวอร์แฟกเตอร์ power optimizer ก็เป็นตัวแปลงดีซี/ดีซีชนิดหนึ่งที่พัฒนาขึ้นมาเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานจากระบบเซลล์แสงอาทิตย์และกังหันลมให้ได้มากที่สุด
• AC/DC converters (วงจรเรียงกระแส) จะใช้ทุกครั้งที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เสียบเข้ากับปลั๊กไฟบ้าน (คอมพิวเตอร์, โทรทัศน์, ฯลฯ ) อาจทำแค่เพียงการแปลง AC ให้เป็น DC หรือเปลี่ยนระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการทำงานภายในอุปกรณ์นั้น
• AC/AC converters จะใช้ในการเปลี่ยนทั้งระดับแรงดันไฟฟ้าหรือความถี่ (เช่นอะแดปเตอร์ไฟต่างประเทศ, ไฟหรี่แสง) ในเครือข่ายการกระจายไฟฟ้า การแปลง AC/AC อาจจะใช้ในการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างกริดพลังงานที่มีความถี่สาธารณูปโภคที่ 50 Hz และความถี่สาธารณูปโภคที่ 60 Hz
• DC/AC converters (อินเวอร์เตอร์) จะใช้เป็นหลักใน UPS หรือระบบ พลังงานทดแทน หรือระบบแสงสว่างฉุกเฉิน ในสภาวะปกติไฟฟ้าสายเมนจะชาร์จแบตเตอรี่ DC เมื่อไฟฟ้าสายเมนล้มเหลว อินเวอร์เตอร์จะผลิตไฟฟ้าเอซีที่ระดับแรงดันเมนจากแบตเตอรี่ DC Solar inverter ทั้งแบบแถวขขนาดเล้กและแบบส่วนกลางขนาดใหญ่ รวมทั้ง solar micro-inverter จะถูกใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์โดยเป็นชิ้นส่วนหนึ่งของระบบเซลล์แสงอาทิตย์

ตัวขับมอเตอร์จะพบได้ในปั๊ม, เครื่องเป่าลมและตัวขับเครื่องสีสำหรับโรงงานทอผ้า, กระดาษ, ซีเมนต์และสิ่งอำนวยความสะดวกอื่น ๆ ตัวขีบอาจจะใช้สำหรับการแปลงพลังงานและการควบคุมการเคลื่อนไหว สำหรับมอเตอร์ AC, การประยุกติใช้จะรวมถึงตัวขับแปรความถี่ได้, soft starters ของมอเตอร์ และระบบการกระตุ้น

ในยานพาหนะไฟฟ้าแบบไฮบริด (HEVs) อิเล็กทรอนิกส์กำลังถูกใช้ในสองรูปแบบ: ไฮบริดอนุกรมและไฮบริดคู่ขนาน ความแตกต่างระหว่างทั้งสองแบบเป็นความสัมพันธ์ของมอเตอร์ไฟฟ้ากับเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) อุปกรณ์ที่ใช้ในยานพาหนะไฟฟ้าจะประกอบด้วยตัวแปลง DC/DC เป็นส่วนใหญ่สำหรับชาร์จแบตเตอรี่และตัวแปลง DC/AC เพื่อจ่ายไฟให้มอเตอร์ขับเคลื่อน รถไฟไฟฟ้าใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้าเช่นเดียวกับสำหรับการควบคุมด้วยเวกเตอร์โดยใช้วงจรเรียงกระแสแบบ pulse-width modulation (PWM) รถไฟไฟฟ้าได้รับกำลังไฟฟ้าจากสายไฟฟ้า การใช้งานใหม่อีกทางหนึ่งสำหรับอิเล็กทรอนิกส์กำลังอยู่ในระบบลิฟท์ ระบบเหล่านี้อาจใช้ thyristors, อินเวอร์เตอร์, มอเตอร์แม่เหล็กถาวร หรือระบบไฮบริดต่าง ๆ ที่รวมระบบ PWM ระบบและมอเตอร์มาตรฐานเข้าด้วยกัน

สมาร์ทกริด

สมาร์ทกริด คือ กริด (ไฟฟ้า) ที่ถูกทำให้ทันสมัย มันใช้ เทคโนโลยีข้อมูลข่าวสาร เพื่อเก็บรวบรวมข้อมูลและตอบสนองต่อข้อมูลนั้น เช่นข้อมูลเกี่ยวกับพฤฒิกรรมของผู้ผลิตและผู้บริโภค ข้อมูลจะแสดงในรูปแบบภาพเคลื่อนไหว (อังกฤษ: automated fashion) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ เพิ่มความน่าเชื่อถือ ความประหยัดและความยั่งยืนในการผลิตและจำหน่ายกระแสไฟฟ้า

พลังงานไฟฟ้าสามารถผลิตขึ้นจากการหมุนของ กังหันลม และกังหัน ไฟฟ้าพลังน้ำ ป้อนเข้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำ แต่น่าเสียดายที่อุปกรณ์เหล่านี้สามารถก่อให้เกิดความแปรปรวนในความถี่ ณ จุดการผลิต อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังจะถูกนำมาใช้ในระบบเหล่านี้เพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่สร้างขึ้นให้เป็นกระแสตรงแรงดันสูง (HVDC) กระแสไฟฟ้า HVDC สามารถแปลงได้ง่ายกว่าให้เป็นกำลังไฟสามเฟสที่สอดคล้องกับกระแสไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายอื่นบนกริดที่มีอยู่ ด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังดังกล่าว พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานทดแทนที่ถูกจัดส่งไปโดยระบบกริดจึงสะอาดและมี power factor ที่สูงขึ้น ในระบบพลังงานลม แรงบิดที่เหมาะสมที่สุดในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะได้รับผ่านกล่องเกียร์หรือเทคโนโลยีการขับแบบโดยตรงอย่างใดอย่างหนึ่งที่สามารถลดขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังได้

พลังงานไฟฟ้าก็สามารถสร้างขึ้นจาก เซลล์แสงอาทิตย์ โดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง จากนั้นพลังงาน DC ที่ผลิตได้มักจะถูกแปลงโดย โซลาร์อินเวอร์เตอร์ อินเวอร์เตอร์จะถูกแบ่งออกเป็นสามประเภทที่แตกต่างกันคือ: ตัวแปลงแบบส่วนกลาง (อังกฤษ: central converter), แบบโมดูลย์รวม (อังกฤษ: module-integrated converter), และแบบแถว (อังกฤษ: string converter) ตัวแปลงแบบส่วนกลางสามารถเชื่อมต่อได้ทั้งในแบบขนานหรือแบบอนุกรมทางฝั่ง DC ของระบบ สำหรับฟาร์มแสงอาทิตย์, ตัวแปลงส่วนกลางเพียงตัวเดียวสามารถใช้ได้ทั้งระบบ ตัวแปลงแบบโมดูลย์รวมมีการเชื่อมต่อแบบอนุกรมทั้งบนฝั่ง DC หรือฝั่ง AC. ปกติจะใช้หลายโมดูลภายในระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ เนื่องจากระบบต้องการตัวแปลงเหล่านี้ในทั้งขั้ว DC และขั้ว AC. ตัวแปลงแบบแถวจะใช้ในระบบที่ใช้เซลล์แสงอาทิตย์ที่หันหน้าไปในทิศทางที่แตกต่างกัน มันถูกใช้ในการแปลงพลังงานที่สร้างขึ้นจากแต่ละแถวหรือสาย ในที่ซึ่งในเซลล์แสงอาทิตย์กำลังมีปฏิสัมพันธ์กับดวงอาทิตย์

การรักษาระดับแรงดันบนกริด

อิเล็กทรอนิกส์กำลังสามารถนำมาใช้เพื่อช่วยบริษัทสาธารณูปโภคในการปรับตัวเข้ากับการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของการผลิตไฟฟ้าจาก พลังงานแสงอาทิตย์ ที่กระจายไปให้ผู้ใช้แบบที่อยู่อาศัย/การพาณิชย์ เยอรมนีและหลายส่วนของฮาวาย, แคลิฟอร์เนียและรัฐนิวเจอร์ซีย์ต้องการให้มีการศึกษาก่อนที่จะอนุมัติให้มีการติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์ใหม่ อุปกรณ์ขนาดค่อนข้างเล็กแบบติดตั้งบนพื้นดินหรือบนเสาจะสร้างศักยภาพสำหรับโครงสร้างพื้นฐานที่มีการควบคุมแบบกระจายในการตรวจสอบและจัดการการไหลของพลังงาน ระบบไฟฟ้าเครื่องกลแบบดั้งเดิมเช่น ตัวเก็บประจุ หรือ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า ที่ สถานีไฟฟ้าย่อย สามารถใช้เวลาไม่กี่นาทีในการปรับแรงดันไฟฟ้าและสามารถอยู่ห่างไกลจากจุดติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์ที่เป็นต้นเหตุของปัญหา ถ้าแรงดันไฟฟ้าในวงจรเพื่อนบ้านมีค่าสูงเกินไป มันก็สามารถเป็นอันตรายต่อทีมงานสาธารณูปโภคและก่อให้เกิดความเสียหายให้กับอุปกรณ์ของทั้งลูกค้าและของสาธารณูปโภค ยิ่งไปกว่านั้นความผิดพลาเของกริดอาจเป็นสาเหตุที่ทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ปิดตัวลงทันที ส่งผลให้ความต้องการพลังงานของกริดพุ่งสูงขึ้น ตัวปรับแรงดันที่มีพื้นฐานจากสมาร์ทกริดสามารถควบคุมได้ดีกว่าอุปกรณ์ของผู้บริโภคทั้งหลายเป็นอย่างมาก

ในอีกวิธีหนึ่ง กลุ่ม 16 สาธารณูปโภคฝั่งตะวันตกที่เรียกว่าผู้นำอุตสาหกรรมไฟฟ้าตะวันตกเรียกร้องให้มีการบังคับใช้ "สมาร์ทอินเวอร์เตอร์" อุปกรณ์ตัวนี้จะแปลงกระแสตรงให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ในครัวเรือนและยังสามารถช่วยให้มีไฟฟ้าคุณภาพ อุปกรณ์ดังกล่าวอาจตัดทิ้งความจำเป็นต้องมีการอัพเกรดอุปกรณ์ยูทิลิตี้ที่มีราคาแพงให้มีค่าใช้จ่ายโดยรวมลดลงอย่างมาก

อ้างอิง

1. Thompson, M.T. "Notes 01". Introduction to Power Electronics. Thompson Consulting, Inc.
2. Kharagpur. "Power Semiconductor Devices". EE IIT. Retrieved 25 March 2012.
3. Muhammad H. Rashid,POWER ELECTRONICS HANDBOOK DEVICES, CIRCUITS, AND APPLICATIONS Third Edition Butterworth-Heinemann,2007 ISBN 978-0-12-382036-5
4. Hart, D. (2010). Power Electronics. McGraw-Hill Education. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-07-128930-6.
5. Hart, D. (2010). Power Electronics. McGraw-Hill Education. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-07-128930-6.
6. Mohan, N. (2003). Power Electronics Converters Applications and Design. Michigan: John Wiley and Sons. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-471-22693-2.
7. Bose, B (April 1992). "Evaluation of Modern Power Semiconductor Devices and Future Trends of Converters". IEEE Transactions on Industry Applications 28 (2).
8. Mohan, N. (2003). Power Electronics Converters Applications and Design. Michigan: John Wiley and Sons. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-471-22693-2.
9. Bose, B (April 1992). "Evaluation of Modern Power Semiconductor Devices and Future Trends of Converters". IEEE Transactions on Industry Applications 28 (2).
10. Mohan, N. (2003). Power Electronics Converters Applications and Design. Michigan: John Wiley and Sons. pp. Chapter 1. ISBN 978-0-471-22693-2
11. "semiconductor GTO". GTO. ABB. Retrieved 21 March 2012.
12. Rashid, M.H. (2001). Power Electronics Handbook. Academic Press. pp. 225–250.
13. Trzynadlowski, A.M. (2010). Introduction to Modern Power Electronics. Wiley. pp. 269–341.
14. Rashid, M.H. (2001). Power Electronics Handbook. Academic Press. pp. 225–250.
15. Trzynadlowski, A.M. (2010). Introduction to Modern Power Electronics. Wiley. pp. 269–341.
16. Rashid, M.H. (2001). Power Electronics Handbook. Academic Press. pp. 225–250.
17. Rashid, M.H. (2001). Power Electronics Handbook. Academic Press. pp. 225–250.
18. Rahsid, M.H. (2010). Power Electronics Handbook: Devices, Circuits, and Applications. Elsevier. pp. 147–564. ISBN 978-0-12-382036-5.
19. Skvarenina, T.L. (2002). The power electronics handbook Industrial electronics series. CRC Press. pp. 94–140. ISBN 978-0-8493-7336-7.
20. Rashid, M.H. (2005). Digital power electronics and applications Electronics & Electrical. Academic Press. ISBN 978-0-12-088757-6
21. Tolbert, L.M. "CYCLOCONVERTERS". University of Tennessee. Retrieved 23 March 2012.
22. Klumpner, C. "Power Electronics 2". Retrieved 23 March 2012.
23. Vodovozov, V (2006). Electronic engineering. ISBN 978-9985-69-039-0.
24. Lipo; Kim, Sul. "AC/AC Power Conversion Based on Matric Converter Topology with Unidirectional Switches". IEEE Transactions on Industry Applications 36 (1): 139–145.
25. Wheeler; Wijekoon, Klumpner (July 2008). "Implementation of a Hybrid AC/AC Direct Power Converter with Unity Voltage Transfer Ratio". IEEE Transactions on Power Electronics 23 (4): 1918–1986.
26. Vodovozov, V (2006). Electronic engineering. ISBN 978-9985-69-039-0.
27. Khader, S. "THE APPLICATION OF PSIM & MATLAB/ SIMULINK IN POWER ELECTRONICS COURSES". Retrieved 25 March 2012.
28. Bose, Bimal K. (September–October 1993). "Power Electronics and Motion Control - Technology Status and Recent Trends". IEEE. |access-date= requires |url= (help)
29. Bose, Bimal K. (February 2009). "Power Electronics and Motor Drives Recent Progress and Perspective". IEEE. |access-date= requires |url= (help)
30. Yano, Masao; Shigery Abe; Eiichi Ohno (2004). "History of Power Electronics for Motor Drives in Japan". IEEE. |access-date= requires |url= (help)
31. D. J. Hammerstrom; และคณะ. "Pacific Northwest GridWise™ Testbed Demonstration Projects, Part I. Olympic Peninsula Project" (PDF). สืบค้นเมื่อ 2014-01-15.
32. U.S. Department of Energy. "Smart Grid / Department of Energy". สืบค้นเมื่อ 2012-06-18.
33. Carrasco, Juan Manuel; Leopoldo Garcia Franquelo; Jan T. Bialasiewecz; Eduardo Galvan; Ramon C. Portillo Guisado; Ma. Angeles Martin Prats; Jose Ignacio Leon; Narciso Moreno-Alfonso (August 2006). "Power-Electronic Systems for the Grid Integration of Renewable Sources: A Survey". IEEE. 53 (4): 1002. doi:10.1109/tie.2006.878356. |access-date= requires |url= (help)
34. LaMonica, Martin (2014-01-21). "Power Electronics Could Help Grid and Solar Power Get Along | MIT Technology Review". Technologyreview.com. สืบค้นเมื่อ 2014-01-22.