सॉलिड-स्टेट ट्रांसफ़ोर्मर क्या है? 2025Tech, संरचना और सिद्धांत समझाए गए

1. सॉलिड-स्टेट ट्रांसफार्मर (SST) क्या है?

1.1 पारंपरिक ट्रांसफार्मरों की मूल बातें और सीमाएँ

लेख पहले पारंपरिक ट्रांसफार्मरों का इतिहास (जैसे, स्टेनले का 1886 का पेटेंट) और आधारभूत सिद्धांतों की समीक्षा करता है। विद्युत चुंबकीय प्रेरण पर आधारित, पारंपरिक ट्रांसफार्मर सिलिकॉन स्टील कोर, कॉपर या एल्यूमिनियम वाइंडिंग, और अवरोधन/शीतलन प्रणाली (खनिज तेल या ड्राइ-टाइप) से गठित होते हैं। वे निश्चित आवृत्तियों (50/60 Hz या 16⅔ Hz) पर, निश्चित वोल्टेज रूपांतरण अनुपात, शक्ति स्थानांतरण क्षमता, और आवृत्ति विशेषताओं के साथ काम करते हैं।

पारंपरिक ट्रांसफार्मरों के फायदे:

• कम लागत

• उच्च विश्वसनीयता (कार्यक्षमता >99%)

• शॉर्ट-सर्किट धारा सीमित करने की क्षमता

असुविधाएँ शामिल हैं:

• बड़ा आकार और भारी वजन

• हार्मोनिक्स और डीसी बायस के प्रति संवेदनशील

• ओवरलोड संरक्षण नहीं

• आग और पर्यावरणीय जोखिम

1.2 सॉलिड-स्टेट ट्रांसफार्मरों की परिभाषा और उत्पत्ति

एक सॉलिड-स्टेट ट्रांसफार्मर (SST) पारंपरिक ट्रांसफार्मरों का एक विकल्प है, जो शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स प्रौद्योगिकी पर आधारित है, जिसकी उत्पत्ति 1968 में मैकमरे के "इलेक्ट्रॉनिक ट्रांसफार्मर" अवधारणा तक पहुंचती है। SSTs मध्य-आवृत्ति (MF) अलगाव चरण के माध्यम से वोल्टेज रूपांतरण और गैल्वेनिक अलगाव प्राप्त करते हैं, साथ ही कई बुद्धिमान नियंत्रण कार्यों को प्रदान करते हैं।

एक SST की मूल संरचना शामिल है:

• मध्य-वोल्टेज (MV) इंटरफेस

• मध्य-आवृत्ति (MF) अलगाव चरण

• संचार और नियंत्रण लिंक

2. SSTs के डिजाइन चुनौतियाँ

2.1 चुनौती: मध्य-वोल्टेज (MV) का संभालना

मध्य-वोल्टेज स्तर (जैसे, 10 kV) मौजूदा अर्धचालक उपकरणों (Si IGBTs तक 6.5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV) के वोल्टेज रेटिंग से बहुत अधिक होते हैं। इसलिए, या तो एक मल्टी-सेल (मॉड्यूलर) या सिंगल-सेल (उच्च-वोल्टेज उपकरण) दृष्टिकोण को अपनाना चाहिए।

मल्टी-सेल समाधानों के फायदे:

• मॉड्यूलर और अतिरिक्त डिजाइन

• मल्टी-लेवल आउटपुट तरंग रूप, जो फिल्टर की आवश्यकताओं को कम करता है

• हॉट-स्वैपिंग और दोष टोलरेंस का समर्थन

सिंगल-सेल समाधानों के फायदे:

• सरल संरचना

• तीन-फेज प्रणालियों के लिए उपयुक्त

2.2 चुनौती: टोपोलॉजी चयन

SST टोपोलॉजी निम्नलिखित श्रेणियों में विभाजित की जा सकती हैं:

• Isolated Front-End (IFE): रेक्टिफिकेशन से पहले अलगाव

• Isolated Back-End (IBE): अलगाव से पहले रेक्टिफिकेशन

• मैट्रिक्स कन्वर्टर प्रकार: सीधा AC-AC रूपांतरण

• मॉड्यूलर मल्टीलेवल कन्वर्टर (M2LC)

2.3 चुनौती: विश्वसनीयता

पारंपरिक ट्रांसफार्मर अत्यंत विश्वसनीय होते हैं, जबकि SSTs कई अर्धचालक, नियंत्रण सर्किट, और शीतलन प्रणालियों को शामिल करते हैं, जिससे विश्वसनीयता एक महत्वपूर्ण चिंता बन जाती है। पेपर विश्वसनीयता ब्लॉक आरेख (RBD) और फेल रेट (λ in FIT) मॉडल पेश करता है, जो दिखाता है कि अतिरिक्तता सिस्टम की विश्वसनीयता को बहुत बढ़ा सकती है।

2.4 चुनौती: मध्य-आवृत्ति अलगाव पावर कन्वर्टर

सामान्य टोपोलॉजी शामिल हैं:

• दोहरा एक्टिव ब्रिज (DAB): फेज शिफ्ट के माध्यम से पावर फ्लो नियंत्रित, सॉफ्ट स्विचिंग की सुविधा प्रदान करता है

• हाफ-साइकल डिसकंटिन्यूअस मोड सीरीज रेजोनेंट कन्वर्टर (HC-DCM SRC): ZCS/ZVS प्राप्त करता है, "DC ट्रांसफार्मर" विशेषताओं को प्रदर्शित करता है

2.5 चुनौती: मध्य-आवृत्ति ट्रांसफार्मर डिजाइन

मध्य-आवृत्ति ट्रांसफार्मर kHz-स्तर की आवृत्तियों पर काम करते हैं, जो निम्नलिखित चुनौतियों का सामना करते हैं:

• छोटा चुंबकीय कोर आयतन

• अवरोधन और थर्मल प्रबंधन के बीच टकराव

• लिट्ज वायर में असमान धारा वितरण

2.6 चुनौती: अलगाव समन्वय

मध्य-वोल्टेज इकाइयों को जमीन के लिए उच्च अवरोधन की आवश्यकता होती है, जिसमें निम्नलिखित का ध्यान रखना आवश्यक है:

• संयुक्त 50 Hz शक्ति आवृत्ति और मध्य-आवृत्ति विद्युत क्षेत्र तनाव

• डाइएलेक्ट्रिक नुकसान और स्थानीय अतिताप का जोखिम

2.7 चुनौती: विद्युत चुंबकीय हस्तक्षेप (EMI)

MV स्विचिंग के दौरान उत्पन्न सामान्य-मोड धाराएँ परजीवी क्षमता के माध्यम से जमीन पर फ्लो कर सकती हैं और उन्हें सामान्य-मोड चोक का उपयोग करके दबाया जाना चाहिए।

2.8 चुनौती: संरक्षण

SSTs को ओवरवोल्टेज, ओवरकरंट, बिजली की चपेट, और शॉर्ट सर्किट संभालना होता है। पारंपरिक फ्यूज और सर्ज आरेस्टर अभी भी लागू होते हैं, लेकिन उन्हें इलेक्ट्रॉनिक करंट लिमिटिंग और ऊर्जा अवशोषण रणनीतियों के साथ संयोजित किया जाना चाहिए।

2.9 चुनौती: नियंत्रण

SST नियंत्रण प्रणालियाँ जटिल होती हैं और एक वरिष्ठ संरचना की आवश्यकता होती है:

• बाहरी नियंत्रण: ग्रिड इंटरक्शन, शक्ति डिस्पैच

• आंतरिक नियंत्रण: वोल्टेज/करंट नियंत्रण, अतिरिक्तता प्रबंधन

• यूनिट-स्तर का नियंत्रण: मॉड्युलेशन और संरक्षण

2.10 चुनौती: मॉड्युलर कन्वर्टरों का निर्माण

व्यावहारिक MV मॉड्युलर सिस्टमों का निर्माण शामिल है:

• अवरोधन डिजाइन

• शीतलन प्रणाली

• संचार और सहायक शक्ति

• मैकेनिकल संरचना और हॉट-स्वैपेबल समर्थन

2.11 चुनौती: MV कन्वर्टरों का परीक्षण

MV परीक्षण सुविधाएँ जटिल होती हैं और निम्नलिखित की आवश्यकता होती है:

• उच्च-वोल्टेज, उच्च-शक्ति स्रोत/लोड

• उच्च-परिशुद्धता मापन उपकरण (जैसे, उच्च-वोल्टेज डिफरेंशियल प्रोब)

• बैकअप परीक्षण रणनीतियाँ (जैसे, बैक-टू-बैक परीक्षण)

3. SSTs की योग्यता और उपयोग के मामले

3.1 ग्रिड अनुप्रयोग

SSTs शक्ति ग्रिड में निम्नलिखित के लिए उपयोग किए जा सकते हैं:

• वोल्टेज नियंत्रण और रिएक्टिव शक्ति संतुलन

• हार्मोनिक फिल्टरिंग और शक्ति गुणवत्ता सुधार

• DC इंटरफेस एकीकरण (जैसे, ऊर्जा संचय, प्रकाश-विद्युत)

हालांकि, पारंपरिक लाइन आवृत्ति ट्रांसफार्मर (LFTs) की तुलना में, SSTs को "कार्यक्षमता की चुनौती" का सामना करना पड़ता है:

• LFT कार्यक्षमता 98.7% तक पहुंच सकती है

• SSTs आमतौर पर बहु-चरणीय रूपांतरण के कारण केवल ~96.3% प्राप्त करते हैं

• आकार और वजन में सीमित कमी (~2.6 m³ vs. 3.4 m³)

• सांगत्यात्मक रूप से अधिक लागत (>52.7k USD vs. 11.3k USD)

3.2 ट्रैक्शन अनुप्रयोग

ट्रैक्शन प्रणालियों (जैसे, विद्युत लोकोमोटिव) में आकार, वजन, और कार्यक्षमता के लिए दृढ़ आवश्यकताएँ होती हैं, जहाँ SSTs स्पष्ट फायदे प्रदान करते हैं:

• उच्च संचालन आवृत्तियों (जैसे, 20 kHz) के माध्यम से ट्रांसफार्मर के आकार में सांगत्यात्मक रूप से कमी

• कार्यक्षमता और आयतन कमी के दोहरे अनुकूलन

3.3 DC-DC अनुप्रयोग

DC प्रणालियों (जैसे, समुद्री वायु ऊर्जा संग्रह, डेटा सेंटर) में, SSTs ग्रिड आवृत्ति द्वारा सीमित न होने वाली ऑपरेटिंग आवृत्ति को स्वतंत्र रूप से चु