क्या सोलिड-स्टेट ट्रान्सफार्मर है? 2025Tech, संरचना और सिद्धांत समझाया गया है

कठोर राज्य ट्रान्सफार्मर (SST) क्या है?

पारंपरिक ट्रान्सफार्मरों की मूलभूत सिद्धांत और सीमाएँ

लेख पहले पारंपरिक ट्रान्सफार्मरों का इतिहास (उदाहरण के लिए, स्टेनले का 1886 का पेटेंट) और मूल सिद्धांतों की समीक्षा करता है। विद्युत चुंबकीय प्रेरण पर आधारित, पारंपरिक ट्रान्सफार्मर सिलिकॉन स्टील कोर, कॉपर या अल्युमिनियम वाइंडिंग, और अवरोध/शीतलन प्रणाली (खनिज तेल या ड्राई-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 संचालित होते हैं।

पारंपरिक ट्रान्सफार्मरों की फायदे:

• सस्ता

• उच्च विश्वसनीयता (कार्यक्षमता >99%)

• शॉर्ट-सर्किट धारा सीमित करने की क्षमता

हानियाँ शामिल हैं:

• बड़ा आकार और भारी वजन

• हार्मोनिक्स और DC बायस के प्रति संवेदनशील

• ओवरलोड संरक्षण नहीं

• आग और पर्यावरणीय जोखिम

कठोर राज्य ट्रान्सफार्मर (SST) की परिभाषा और उत्पत्ति

कठोर राज्य ट्रान्सफार्मर (SST) एक पारंपरिक ट्रान्सफार्मर का विकल्प है जो शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स प्रौद्योगिकी पर आधारित है, जिसकी उत्पत्ति 1968 में मैकम्युरे के "इलेक्ट्रॉनिक ट्रान्सफार्मर" अवधारणा तक पहुंचती है। SSTs मध्य आवृत्ति (MF) अलगाव चरण के माध्यम से वोल्टेज रूपांतरण और गैल्वेनिक अलगाव प्राप्त करते हैं, साथ ही बहुत सारे बुद्धिमत्ता नियंत्रण कार्यों को भी प्रदान करते हैं।

एक SST की मूल संरचना शामिल है:

• मध्य वोल्टेज (MV) इंटरफेस

• मध्य आवृत्ति (MF) अलगाव चरण

• संचार और नियंत्रण लिंक

SSTs के डिजाइन चुनौतियाँ

चुनौती: मध्य वोल्टेज (MV) का संभालना

मध्य वोल्टेज स्तर (उदाहरण के लिए, 10 kV) मौजूदा अर्धचालक उपकरणों (Si IGBTs तक 6.5 kV, SiC MOSFETs ~10–15 kV) के वोल्टेज रेटिंग से बहुत ऊपर हैं। इसलिए, या तो एक बहु-सेल (मॉड्यूलर) या एकल-सेल (उच्च वोल्टेज उपकरण) दृष्टिकोण को अपनाना आवश्यक है।

बहु-सेल समाधानों के फायदे:

• मॉड्यूलर और रिडंडेंट डिजाइन

• बहु-स्तरीय आउटपुट तरंग रूप, जो फिल्टर की आवश्यकता को कम करता है

• हॉट-स्वैपिंग और फ़ॉल्ट टोलरेंस का समर्थन

एकल-सेल समाधानों के फायदे:

• सरल संरचना

• तीन-फेज सिस्टम के लिए उपयुक्त

चुनौती: टोपोलॉजी चयन

SST टोपोलॉजियों को निम्नलिखित श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है:

• अलगाव फ्रंट-एंड (IFE): रेक्टिफिकेशन से पहले अलगाव

• अलगाव बैक-एंड (IBE): अलगाव से पहले रेक्टिफिकेशन

• मैट्रिक्स कन्वर्टर प्रकार: सीधा AC-AC रूपांतरण

• मॉड्यूलर मल्टीलेवल कन्वर्टर (M2LC)

चुनौती: विश्वसनीयता

पारंपरिक ट्रान्सफार्मर अत्यंत विश्वसनीय हैं, जबकि SSTs बहुत सारे अर्धचालक, नियंत्रण सर्किट, और शीतलन प्रणालियों को शामिल करते हैं, जिससे विश्वसनीयता एक महत्वपूर्ण चिंता बन जाती है। पेपर विश्वसनीयता ब्लॉक डायग्राम (RBD) और फेल्यूर रेट (λ in FIT) मॉडल्स पेश करता है, जो इंगित करते हैं कि रिडंडेंसी सिस्टम विश्वसनीयता को बहुत बढ़ा सकती है।

चुनौती: मध्य-आवृत्ति अलगावित शक्ति कन्वर्टर

सामान्य टोपोलॉजियाँ शामिल हैं:

• डुअल एक्टिव ब्रिज (DAB): फेज शिफ्ट के माध्यम से शक्ति प्रवाह नियंत्रित, सॉफ्ट स्विचिंग को सक्षम करता है

• हाफ-साइकल डिसकंटिन्यूअस मोड सीरीज रेझोनेंट कन्वर्टर (HC-DCM SRC): ZCS/ZVS प्राप्त करता है, "DC ट्रान्सफार्मर" विशेषताएँ प्रदर्शित करता है

चुनौती: मध्य-आवृत्ति ट्रान्सफार्मर डिजाइन

मध्य-आवृत्ति ट्रान्सफार्मर kHz-स्तर की आवृत्तियों पर संचालित होते हैं, जिन्हें निम्नलिखित चुनौतियों का सामना करना पड़ता है:

• छोटा चुंबकीय कोर आयतन

• अवरोध और थर्मल प्रबंधन के बीच टकराव

• लिट्ज वायर में असमान धारा वितरण

चुनौती: अलगाव समन्वय

मध्य-वोल्टेज इकाइयों को भू तक उच्च अवरोध की आवश्यकता होती है, जिसके लिए निम्नलिखित को ध्यान में रखना आवश्यक है:

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

• डाइलेक्ट्रिक नुकसान और स्थानीय अतिताप का जोखिम

चुनौती: विद्युत चुंबकीय हस्तक्षेप (EMI)

MV स्विचिंग के दौरान उत्पन्न सामान्य-मोड धाराएँ परासर धारिता के माध्यम से भू तक प्रवाहित हो सकती हैं और उन्हें सामान्य-मोड चोक्स का उपयोग करके दबाया जाना चाहिए।

चुनौती: संरक्षण

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

चुनौती: नियंत्रण

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

• बाहरी नियंत्रण: ग्रिड इंटरक्शन, शक्ति डिस्पैच

• आंतरिक नियंत्रण: वोल्टेज/करंट नियंत्रण, रिडंडेंसी प्रबंधन

• इकाई-स्तरीय नियंत्रण: मॉड्यूलेशन और संरक्षण

चुनौती: मॉड्यूलर कन्वर्टरों का निर्माण

व्यावहारिक MV मॉड्यूलर सिस्टम बनाने में शामिल है:

• अवरोध डिजाइन

• शीतलन प्रणालियाँ

• संचार और सहायक शक्ति

• यांत्रिक संरचना और हॉट-स्वैपेबल समर्थन

चुनौती: MV कन्वर्टरों का परीक्षण

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

• उच्च-वोल्टेज, उच्च-शक्ति स्रोत/लोड

• उच्च-प्रेसिजन मापन उपकरण (उदाहरण के लिए, उच्च-वोल्टेज डिफरेंशियल प्रोब्स)

• बैकअप परीक्षण रणनीतियाँ (उदाहरण के लिए, बैक-टू-बैक परीक्षण)

SSTs की उपयोगीता और उपयोग मामले

ग्रिड अनुप्रयोग

SSTs को शक्ति ग्रिड में निम्नलिखित के लिए उपयोग किया जा सकता है:

• वोल्टेज नियंत्रण और रिएक्टिव शक्ति की पूर्ति

• हार्मोनिक फिल्टरिंग और शक्ति गुणवत्ता सुधार

• DC इंटरफेस एकीकरण (उदाहरण के लिए, ऊर्जा संचय, प्रकाश-विद्युत)

हालांकि, पारंपरिक लाइन आवृत्ति ट्रान्सफार्मर (LFTs) की तुलना में, SSTs "कार्यक्षमता चुनौती" का सामना करते हैं:

• LFT की 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 बनाम 3.4 m³)

• बहुत अधिक लागत (>52.7k USD बनाम 11.3k USD)

ट्रैक्शन अनुप्रयोग

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

• उच्च ऑपरेटिंग आवृत्तियों (उदाहरण के लिए, 20 kHz) के माध्यम से ट्रान्सफार्मर का आकार बहुत कम हो जाता है

• कार्यक्षमता और आयतन कमी का दोहरा इष्टतमीकरण

DC-DC अनुप्रयोग

DC सिस्टम (उदाहरण के लिए, समुद्री वायु ऊर्जा संग्रह, डेटा सेंटर) में, SSTs एकमात्र व्यवहार्य अलगाव समाधान हैं, क्योंकि उनकी ऑ