SST ऑक्सिलियरी पावर और कूलिंग सिस्टम में डिज़ाइन चुनौतियाँ
सोलिड-स्टेट ट्रांसफॉर्मर (SST) डिज़ाइन में दो महत्वपूर्ण और चुनौतिपूर्ण सबसिस्टम
ऑक्सिलियरी पावर सप्लाई और थर्मल मैनेजमेंट सिस्टम।
यद्यपि वे मुख्य पावर कन्वर्जन में सीधे भाग नहीं लेते, फिर भी वे मुख्य सर्किट के स्थिर और विश्वसनीय संचालन की गारंटी देने वाले "जीवनरेखा" और "रक्षक" का काम करते हैं।
ऑक्सिलियरी पावर सप्लाई: सिस्टम का "पेसमेकर"
ऑक्सिलियरी पावर सप्लाई पूरे सोलिड-स्टेट ट्रांसफॉर्मर के "मस्तिष्क" और "न्यूरोन" के लिए पावर प्रदान करता है। इसकी विश्वसनीयता तय करती है कि सिस्टम सामान्य रूप से काम कर सकता है या नहीं।
I. मुख्य चुनौतियाँ
उच्च वोल्टेज आइसोलेशन: यह उच्च वोल्टेज साइड से पावर सुरक्षित रूप से निकालकर प्राथमिक साइड पर नियंत्रण और ड्राइवर सर्किट को प्रदान करना चाहिए, जिसके लिए पावर मॉड्यूल को अत्यंत उच्च विद्युत आइसोलेशन क्षमता होनी चाहिए।
अवरोधन प्रतिरोधकता: मुख्य पावर सर्किट का उच्च आवृत्ति वाला स्विचिंग (दहाई या सैकड़ों kHz) बड़े वोल्टेज ट्रांसिएंट (dv/dt) और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरफ़ेरेंस (EMI) उत्पन्न करता है। ऑक्सिलियरी पावर सप्लाई इस कठिन परिवेश में स्थिर आउटपुट बनाए रखना चाहिए।
एकाधिक, तीव्र आउटपुट:
गेट ड्राइवर पावर: प्रत्येक पावर स्विच (जैसे, SiC MOSFETs) के गेट ड्राइवरों को आइसोलेटेड पावर प्रदान करता है। प्रत्येक आउटपुट स्वतंत्र और आइसोलेटेड होना चाहिए ताकि क्रॉस टॉक न हो, जो शूट-थ्रू फ़ॉल्ट का कारण बन सकता है।
कंट्रोल बोर्ड पावर: डिजिटल कंट्रोलर (DSP/FPGA), सेंसर, और संचार सर्किट को पावर प्रदान करता है, जिसके लिए शुद्ध, कम शोर वाला पावर आवश्यक है।
II. टाइपिकल पावर निकासी और डिजाइन दृष्टिकोण
उच्च वोल्टेज पावर निकासी: एक आइसोलेटेड स्विचिंग पावर सप्लाई (जैसे, फ्लाईबैक कन्वर्टर) का उपयोग करके उच्च वोल्टेज इनपुट से ऊर्जा निकालें। यह तकनीकी रूप से सबसे चुनौतियाँ वाला हिस्सा है और विशेष डिजाइन की आवश्यकता होती है।
मल्टी-आउटपुट आइसोलेटेड DC-DC मॉड्यूल: एक प्रारंभिक आइसोलेटेड पावर स्रोत प्राप्त करने के बाद, आम तौर पर अतिरिक्त आवश्यक आइसोलेटेड वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए एक से अधिक आइसोलेटेड DC-DC मॉड्यूल का उपयोग किया जाता है।
रेडंडेंसी डिजाइन: अत्यधिक विश्वसनीयता वाले अनुप्रयोगों में, ऑक्सिलियरी पावर सप्लाई को रेडंडेंसी के साथ डिजाइन किया जा सकता है ताकि मुख्य विफलता की स्थिति में सुरक्षित शटडाउन या बैकअप सप्लाई पर सुचारू रूप से स्विच ओवर हो सके।
थर्मल मैनेजमेंट सिस्टम: सिस्टम का "कूलर"
थर्मल मैनेजमेंट सिस्टम SST की पावर घनत्व, आउटपुट क्षमता, और जीवनकाल को सीधे निर्धारित करता है।
यह इतना महत्वपूर्ण क्यों है?
अत्यधिक उच्च पावर घनत्व: बड़े लाइन-फ्रीक्वेंसी ट्रांसफॉर्मरों को बदलकर, SSTs ऊर्जा को बहुत छोटे पावर मॉड्यूलों में संकेंद्रित करते हैं, जिससे गर्मी फ्लक्स (प्रति इकाई क्षेत्र पर उत्पन्न गर्मी) में तीव्र वृद्धि होती है।
सेमीकंडक्टर डिवाइसों की ताप संवेदनशीलता: यद्यपि SiC/GaN पावर डिवाइस उच्च दक्षता प्रदान करते हैं, फिर भी उनके लिए जंक्शन तापमान की सख्त सीमाएँ (आमतौर पर 175°C या निम्न) होती हैं। अतिरिक्त गर्मी द्वारा प्रदर्शन की गिरावट, विश्वसनीयता की कमी, या स्थायी विफलता हो सकती है।
दक्षता पर सीधा प्रभाव: गर्मी निकासी की खराबी चिप जंक्शन तापमान में वृद्धि करती है, जो अपने बारे में रिसिस्टेंस बढ़ाती है, जो लगातार नुकसान बढ़ाती है—एक दुष्प्रभावी चक्र बनाती है।
III. रेफ्रिजरेशन विधियों के प्रकार
| शीतलन विधि | सिद्धांत | आवेदन की स्थितियाँ और विशेषताएँ |
| प्राकृतिक परिसंचरण | हीटसिंक पर फिनों के माध्यम से प्राकृतिक हवा के परिसंचरण के माध्यम से ऊष्मा छोड़ी जाती है। | केवल कम शक्ति या बहुत कम नुकसान वाले प्रयोगशाला सेटअप के लिए उपयुक्त है। अधिकांश SST आवेदनों की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकता। |
| बलपूर्वक हवा शीतलन | हीटसिंक पर एक पंखा लगाकर हवा का प्रवाह बहुत बढ़ाया जाता है। | सबसे सामान्य और सबसे कम लागत वाला समाधान। हालांकि, ऊष्मा विसर्जन की क्षमता सीमित होती है, और पंखे शोर, सीमित जीवनकाल और धूल के इकट्ठा होने की समस्याएँ ले आते हैं। मध्यम से कम शक्ति घनत्व डिजाइनों के लिए उपयुक्त है। |
| तरल शीतलन | तरल शीतलन प्लेट और परिपथ पंप द्वारा ऊष्मा निकाली जाती है। | आज के उच्च शक्ति घनत्व SST के लिए मुख्यधारा और पसंदीदा चुनाव। |
| ठंडी प्लेट तरल शीतलन | शक्ति उपकरणों को तरल चैनलों वाली आंतरिक धातु प्लेटों पर लगाया जाता है। | हवा शीतलन की तुलना में ऊष्मा विसर्जन की क्षमता कई गुना अधिक होती है; संक्षिप्त संरचना ऊष्मा स्रोत पर बहुत कम तापमान प्रदान करती है। |
| डुबोकर शीतलन | पूरा शक्ति मॉड्यूल एक अनुवाहक शीतलक में डूबा दिया जाता है। | उच्चतम ऊष्मा विसर्जन दक्षता; गैर-उबालने वाला एक-प्रकार डुबोकर विरुद्ध उबालने वाला दो-प्रकार डुबोकर। अत्यधिक शक्ति घनत्व को संभालने की क्षमता, लेकिन प्रणाली की जटिलता और लागत सबसे अधिक होती है। |
3. उन्नत थर्मल प्रबंधन की अवधारणाएँ
3.1 पूर्वानुमानित थर्मल नियंत्रण
सिस्टम वास्तविक समय में तापमान और लोड की निगरानी करता है, भविष्य के तापमान वृद्धि रुझान का अनुमान लगाता है, और प्रतिबंधित रूप से पंखों की गति, पंपों की दर, या यहाँ तक कि आउटपुट शक्ति को थोड़ा कम करके तापमान को महत्वपूर्ण स्तर तक पहुँचने से रोकता है।
3.2 इलेक्ट्रो-थर्मल सह-डिजाइन
थर्मल डिजाइन विकास के शुरुआती चरण से ही इलेक्ट्रिकल और संरचनात्मक डिजाइन के साथ संगत होता है। उदाहरण के लिए, सिमुलेशन का उपयोग शक्ति मॉड्यूलों की व्यवस्था को अनुकूलित करने के लिए किया जाता है, जिससे उच्च ताप फ्लक्स घटकों को शीतलक इनलेट के पास प्राथमिक रूप से रखा जा सके।
4. लाइफलाइन सिस्टम एक साथ काम कर रहा है
सहायक शक्ति आपूर्ति और थर्मल प्रबंधन सिस्टम एक साथ ठोस-राज्य ट्रांसफार्मर की मुख्य सुरक्षा के निर्माण करते हैं। उनके बीच का संबंध इस प्रकार सारांशित किया जा सकता है:
4.1 सहायक शक्ति आपूर्ति - सिस्टम की संचालन की सुनिश्चितता
यह सिस्टम "चल सकता है" की सुनिश्चितता का पूर्व शर्त है, सभी नियंत्रण इकाइयों, थर्मल प्रबंधन सिस्टम (पंख, पानी की पंप) सहित, को शक्ति प्रदान करता है।
4.2 थर्मल प्रबंधन सिस्टम - सिस्टम की दीर्घावधि संचालन की सुनिश्चितता
यह सिस्टम "संचालन को जारी रख सकता है" की सुनिश्चितता का मूलभूत आधार है, जो ओवरहीटिंग से मुख्य शक्ति उपकरणों और सहायक शक्ति आपूर्ति के विफल होने से बचाता है।
एक अत्यधिक विश्वसनीय SST असाधारण इलेक्ट्रिकल डिजाइन, थर्मल प्रबंधन और नियंत्रण डिजाइन के पूर्ण एकीकरण का अपरिहार्य परिणाम है।
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