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दीवार के आउटलेट से आने वाली AC को बैटरी की DC में बदलना, उस बैटरी की DC को वापस मोटर की तीन-फेज AC में बदलना, सोलर पैनल के वोल्टेज को ग्रिड के वोल्टेज से मिलाना—ये सभी काम पावर इलेक्ट्रॉनिक्स करता है। प्रतिरोधक के माध्यम से वोल्टेज को ऊष्मा में परिवर्तित करके कम करने के बजाय, यह MOSFET और IGBT जैसे सेमीकंडक्टर स्विचों को उच्च गति से चालू करता है, और आवश्यक तरंगरूप को संश्लेषित करने के लिए इंडक्टरों और संधारित्रों में अस्थायी रूप से ऊर्जा संग्रहित करता है।

तीन-तार आउटनर BLDC मोटरBLDC मोटर का उदाहरण
PID फीडबैक कंट्रोल ब्लॉक डायग्रामकंट्रोल-लूप का उदाहरण

चित्र: Outrunner (1sfoerster, CC BY-SA 3.0) / PID कंट्रोलर ब्लॉक डायग्राम (Arturo Urquizo, CC (BY-SA 3.0), विकिमीडिया कॉमन्स। मोटर और नियंत्रक के प्रतिनिधि उदाहरण।

0. 30-सेकंड का सारांश

  • एक पावर सेमीकंडक्टर "शक्ति बढ़ाने वाला घटक" नहीं है — यह एक इलेक्ट्रॉनिक स्विच है जो उच्च गति पर यह निर्धारित करता है कि धारा प्रवाहित होगी या अवरुद्ध होगी।

  • यदि D स्विचिंग अवधि का वह अंश है जिस पर T_s व्यतीत होता है, तो एक आदर्श बक कनवर्टर V_o=D V_{in} देता है। एक वास्तविक उपकरण में, चालन हानि, स्विचिंग हानि और चुंबकीय घटकों में होने वाली हानियाँ सभी मायने रखती हैं।

  • एक इन्वर्टर PWM का उपयोग करके DC को छोटे-छोटे टुकड़ों में विभाजित करता है, जिससे औसत के रूप में एक साइन तरंग उत्पन्न होती है। एक मोटर में, टॉर्क और गति को नियंत्रित करने के लिए वोल्टेज, आवृत्ति और चरण को परिवर्तित किया जाता है।

  • SiC और GaN ऐसी सामग्रियां हैं जो उच्च वोल्टेज सहनशीलता, उच्च गति स्विचिंग और उच्च तापमान संचालन को लक्षित कर सकती हैं, लेकिन गेट ड्राइव, परजीवी प्रेरकत्व, ईएमआई और लागत डिजाइन को कठिन बना देते हैं।

  • एक पावर कनवर्टर केवल दक्षता के आधार पर ही पूर्ण उत्पाद नहीं होता — थर्मल प्रतिरोध, इन्सुलेशन, शॉर्ट-सर्किट सुरक्षा, नियंत्रण सॉफ्टवेयर, ग्रिड मानक और रखरखाव क्षमता का भी इसमें योगदान होना आवश्यक है।

1. स्विचिंग के माध्यम से "औसत मान" का निर्माण

एक स्विच S को एक डीसी स्रोत V_{in} के साथ श्रृंखला में लगाएं, और इसे प्रत्येक अवधि T_s में से DT_s समय के लिए चालू करें। यदि लोड में पर्याप्त बड़ा इंडक्टर लगा हो, तो लोड द्वारा देखा जाने वाला औसत वोल्टेज

V_o=\frac{1}{T_s}\int_0^{T_s}v_o(t)dt=D V_{in}

भले ही स्विच स्वयं केवल 0 V या V_{in} आउटपुट देता हो, इंडक्टर की धारा वोल्टेज में उतार-चढ़ाव को सुचारू बनाती है, और कैपेसिटर का वोल्टेज औसत मान बनाए रखता है। यही पावर इलेक्ट्रॉनिक्स का मूल सिद्धांत है।

Diagram 1 · Use the button to switch views
Concept of a PWM buck converterThe flow of switching a DC input and using an inductor and capacitor to build an average voltage VinDC sourceSwitch SPWM, DL, CEnergy smoothingLoadVoOn time DTs / Period Ts

आरेख: डस्ककॉइल। स्विच की आयताकार तरंग को L और C द्वारा सुचारू किया जाता है, जिससे औसत वोल्टेज प्राप्त होता है। लोड। स्विचिंग आवृत्ति बढ़ाने से निष्क्रिय घटकों का आकार कम हो जाता है, लेकिन हानि और ईएमआई बढ़ जाती है।

2. प्रतिनिधि टोपोलॉजी का चयन

बक, बूस्ट, बक-बूस्ट

बक (स्टेप-डाउन) का उपयोग, उदाहरण के लिए, बैटरी से 12 वोल्ट रेल बनाने के लिए किया जाता है; बूस्ट (स्टेप-अप) सौर सेल या ईंधन सेल के कम वोल्टेज को उच्च डीसी लिंक में बदलता है; बक-बूस्ट इनपुट वोल्टेज से ऊपर या नीचे परिवर्तित करता है। आदर्श निरंतर-चालन मोड में, संबंध इस प्रकार हैं:

V_{Buck}=D V_{in},\qquad V_{Boost}=\frac{V_{in}}{1-D},\qquad V_{BB}=-\frac{D}{1-D}V_{in}

जैसे-जैसे ड्यूटी चक्र D 1 के करीब पहुंचता है, आदर्श बूस्ट वोल्टेज अनंत तक पहुंच जाता है, लेकिन एक वास्तविक उपकरण में, स्विच वोल्टेज रेटिंग, डायोड रिवर्स रिकवरी, इंडक्टर संतृप्ति और नियंत्रण अस्थिरता, ये सभी इससे पहले ही सीमाएं निर्धारित कर देते हैं। उच्च वोल्टेज और उच्च शक्ति पर, साधारण एकल-चरण रूपांतरण के बजाय, इंटरलीविंग, आइसोलेटेड एलएलसी या डीएबी (डुअल एक्टिव ब्रिज) जैसी टोपोलॉजी का चयन किया जाता है। इसके बजाय।

रेक्टिफायर और पावर फैक्टर करेक्शन

डायोड ब्रिज के साथ एसी को रेक्टिफाई करने पर, कैपेसिटर-इनपुट सप्लाई वोल्टेज वेवफॉर्म के शिखर के पास एक बड़ा करंट पल्स उत्पन्न करती है। खराब पावर फैक्टर से डिस्ट्रीब्यूशन इक्विपमेंट को अधिक करंट प्रवाहित करना पड़ता है, इसलिए इनपुट करंट को साइन वेव के करीब लाने के लिए बूस्ट-टाइप पीएफसी (पावर फैक्टर करेक्शन) सर्किट का उपयोग किया जाता है। डेटा-सेंटर पावर सप्लाई, ईवी फास्ट चार्जर और औद्योगिक इन्वर्टर सभी को एक ही समय में दक्षता और हार्मोनिक नियमों का पालन करना होता है।

इन्वर्टर और थ्री-फेज मोटर

एक थ्री-फेज टू-लेवल इन्वर्टर 6 स्विच (ऊपरी और निचला) को एक पूरक पैटर्न में संचालित करता है, जिससे डीसी-लिंक वोल्टेज से थ्री-फेज वोल्टेज उत्पन्न होता है। ऊपरी और निचले स्विच को एक ही समय में चालू करने से डीसी बस शॉर्ट-सर्किट हो जाएगी, इसलिए कुछ सौ नैनोसेकंड से लेकर कुछ माइक्रोसेकंड तक का डेड टाइम डाला जाता है। प्रतिनिधि मॉड्यूलेशन योजनाओं में साइनसोइडल पीडब्ल्यूएम शामिल है, जो एक संदर्भ साइन वेव की तुलना एक त्रिकोणीय कैरियर से करता है। औसत वोल्टेज और स्पेस-वेक्टर पीडब्ल्यूएम (एसवीपीडब्ल्यूएम) का निर्माण करें, जो डीसी वोल्टेज उपयोग को बढ़ाने के लिए तीनों चरणों में शून्य-अनुक्रम घटक इंजेक्ट करता है।

स्थायी चुंबक सिंक्रोनस मोटर में, रोटर फ्लक्स के लंबवत अक्षीय धारा टॉर्क उत्पन्न करती है। सरलीकृत टॉर्क समीकरण इस प्रकार है:

जहां ध्रुव युग्मों की संख्या, स्थायी चुंबक फ्लक्स और अक्षीय धारा है। धारा लूप को कुछ किलोहर्ट्ज़ पर नियंत्रित किया जाता है, और रोटर कोण स्थिति सेंसर या सेंसर रहित अनुमान के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। इलेक्ट्रिक वाहन (ईवी) में, यही इन्वर्टर कम गति पर उच्च टॉर्क, उच्च गति पर क्षेत्र कमजोर करने और पुनर्योजी ब्रेकिंग के बीच स्विच करता है।

3. Si, SiC और के बीच चयन GaN

सिलिकॉन MOSFETs/IGBTs परिपक्व हो चुके हैं और लागत एवं विश्वसनीयता के मामले में उत्कृष्ट हैं। SiC MOSFETs उच्च वोल्टेज सहनशीलता, कम हानि और उच्च तापमान पर संचालन के लिए उपयुक्त हैं, और इलेक्ट्रिक वाहन (EV) मुख्य ड्राइव इनवर्टर, सौर और भंडारण के लिए PCS इकाइयों और रेलवे सहायक बिजली आपूर्ति में इनका उपयोग तेजी से बढ़ रहा है। GaN HEMTs उच्च गति स्विचिंग और कम गेट चार्ज में उत्कृष्ट हैं, और उन क्षेत्रों में मजबूत हैं जहां उच्च आवृत्ति और छोटा आकार फायदेमंद होता है - सौ वोल्ट श्रेणी के AC एडेप्टर, सर्वर बिजली आपूर्ति, वायरलेस बिजली हस्तांतरण।

स्विच हानि को मोटे तौर पर दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है।

P_{cond}\simeq I_{rms}^2R_{on},\qquad P_{sw}\simeq \frac{1}{2}V I(t_{on}+t_{off})f_s

R_{on} ऑन-रेसिस्टेंस है, t_{on/off} ट्रांजिशन समय है, और f_s स्विचिंग आवृत्ति है। आवृत्ति बढ़ाने से चुंबकीय घटक सिकुड़ जाते हैं, लेकिन स्विचिंग हानि, गेट-ड्राइव हानि और EMI सभी बढ़ जाते हैं। चूंकि SiC/GaN उपकरणों का परजीवी वायरिंग इंडक्टेंस जितनी तेजी से स्विच करता है, उतनी ही आसानी से वोल्टेज ओवरशूट में परिवर्तित हो जाता है, इसलिए डिजाइन में पैकेज, लेआउट, गेट प्रतिरोध और स्नबर्स सभी को एक साथ ध्यान में रखना होता है।

4. थर्मल डिजाइन, इन्सुलेशन और सुरक्षा उत्पाद का निर्धारण करते हैं

जंक्शन तापमान T_j, केस तापमान T_c और थर्मल प्रतिरोध R_{th,jc} के साथ, स्थिर अवस्था सन्निकटन है

T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc}

कोल्ड प्लेट, थर्मल ग्रीस, हीट सिंक और शीतलक प्रवाह दर को शामिल करते हुए, T_j को सबसे खराब स्थिति में इसके रेटेड मान से नीचे रखना होगा। एक ईवी इन्वर्टर में, शीतलक इनलेट तापमान, अल्पकालिक ओवरलोड, पुनर्जनन से उत्पन्न ऊष्मा, और यहां तक कि खारा पानी और कंपन भी जीवनकाल को प्रभावित करते हैं।

एक उच्च-वोल्टेज बैटरी में, क्रीपेज और क्लीयरेंस दूरी, इन्सुलेशन निगरानी, प्री-चार्ज, फ्यूज, कॉन्टैक्टर और एक डिस्चार्ज रेसिस्टर को एक साथ जोड़ा जाता है। शॉर्ट-सर्किट सुरक्षा केवल "जितनी जल्दी उतना बेहतर" नहीं है - इसके लिए समय समन्वय की आवश्यकता होती है जो रुकावट से बचाता है। सेमीकंडक्टर के नष्ट होने से पहले ही, गलत ट्रिगर पर भी विश्वसनीय रूप से बिजली कटौती करते हुए संचालन सुनिश्चित करना। नियंत्रण सॉफ़्टवेयर वॉचडॉग, दोहरी धारा संवेदन और कार्यात्मक सुरक्षा मानक (ISO 26262, IEC 61508, आदि) भी सर्किट के हिस्से के रूप में डिज़ाइन किए गए हैं।

5. इसका उपयोग कहाँ होता है

क्षेत्र इनपुट रूपांतरण वास्तविक मान प्रदान किया गया
इलेक्ट्रिक वाहन/रेलवे उच्च-वोल्टेज बैटरी, कैटेनरी डीसी-डीसी, त्रि-चरण इन्वर्टर, पुनर्जनन टॉर्क नियंत्रण, रेंज, पुनर्जनित शक्ति
सौर ऊर्जा/भंडारण पीवी, बैटरी एमपीपीटी, पीसीएस, द्विदिशात्मक डीसी-डीसी ग्रिड इंटरकनेक्शन, पीक शिफ्टिंग, प्रतिक्रियाशील शक्ति
डेटा सेंटर एसी पीएफसी, पृथक डीसी-डीसी, 48 वोल्ट वितरण दक्षता, अतिरेक, शक्ति घनत्व
रोबोटिक्स एसी/डीसी सर्वो एम्पलीफायर, डीसी लिंक स्थिति/वेग/टॉर्क प्रतिक्रिया

औद्योगिक हीटिंग | एसी | उच्च-आवृत्ति इन्वर्टर | इंडक्शन हीटिंग, तापमान नियंत्रण |

घरेलू उपकरण | एसी/डीसी | इन्वर्टर, कनवर्टर | ऊर्जा बचत, शांत संचालन, परिवर्तनीय गति |

6. वर्तमान अनुसंधान को समझने का एक दृष्टिकोण

अनुसंधान केवल "स्विच को तेज़ बनाने" पर केंद्रित नहीं है। SiC गेट की विश्वसनीयता और शॉर्ट-सर्किट प्रतिरोध, GaN की गतिशील ऑन-रेज़िस्टेंस, 3D पावर मॉड्यूल में थर्मल पथ, चुंबकीय पदार्थों में उच्च-आवृत्ति हानि, डिजिटल नियंत्रण में पूर्वानुमानित क्षतिपूर्ति और वाइड-बैंडगैप उपकरणों के लिए EMI में कमी जैसे क्षेत्रों में एक साथ प्रगति हो रही है। सिस्टम-स्तर का अनुसंधान भी महत्वपूर्ण है — मल्टी-फेज़ इंटरलीविंग जो कन्वर्टर्स को मॉड्यूलर बनाता है ताकि विफलता के बाद भी संचालन जारी रहे, V2G जो वाहनों को ग्रिड से जोड़ता है, डीसी वितरण और वायरलेस पावर ट्रांसफर।

किसी शोध पत्र में दक्षता ग्राफ पढ़ते समय, केवल रेटेड ऑपरेटिंग पॉइंट ही नहीं, बल्कि लोड अंश, इनपुट वोल्टेज, शीतलन स्थितियाँ, स्विचिंग आवृत्ति और मापन बैंडविड्थ की भी जाँच करें। वही 99% का आंकड़ा 100 गुना अधिक प्रदर्शन दर्शाता है। 1 मेगावाट इन्वर्टर में 1 किलोवाट पावर सप्लाई की तुलना में अधिक ऊष्मा हानि होती है। उत्पाद का चयन करते समय, केवल पीक दक्षता के बजाय वास्तविक लोड प्रोफाइल, जीवनकाल, रखरखाव क्षमता और ईएमआई परीक्षण परिणामों की तुलना में भारित औसत दक्षता को प्राथमिकता देना बेहतर है।

7. सारांश

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स विद्युत शक्ति को "सेमीकंडक्टर ऑन/ऑफ", "चुंबकीय घटकों में ऊर्जा भंडारण", "कैपेसिटर द्वारा स्मूथिंग" और "नियंत्रण सॉफ्टवेयर में फीडबैक" में विभाजित करता है, और उन्हें आवश्यकतानुसार वोल्टेज, करंट और आवृत्ति में पुनर्व्यवस्थित करता है। बक समीकरण या पीडब्ल्यूएम को याद करना केवल प्रारंभिक बिंदु है - अंतिम प्रदर्शन हानि, ऊष्मा, इन्सुलेशन, ईएमआई, सुरक्षा, मानकों और नियंत्रण-लूप टाइमिंग के संयोजन द्वारा निर्धारित होता है।

अपनी समझ की जाँच करें
क्या स्विच ऑन-रेसिस्टेंस को कम करना पर्याप्त है?

चालन और स्विचिंग हानियाँ भिन्न होती हैं। इच्छित परिचालन स्थितियों पर आवृत्ति, धारा, तापीय व्यवहार, नियंत्रण और ईएमआई का मूल्यांकन करें।

संदर्भ

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