SST ভোল্টেজ চ্যালেঞ্জ: টপোলজি এবং SiC প্রযুক্তি

সলিড-স্টেট ট্রান্সফরমার (SST) এর মূল চ্যালেঞ্জগুলির মধ্যে একটি হল একক পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের ভোল্টেজ রেটিং মাঝারি-ভোল্টেজ বিতরণ নেটওয়ার্ক (উদাহরণস্বরূপ, 10 kV) সরাসরি হান্ডেল করতে খুব অপর্যাপ্ত। এই ভোল্টেজ সীমাটি সমাধান করতে একক প্রযুক্তির উপর নির্ভর করা হয় না, বরং একটি "সমন্বয় পদ্ধতি" অনুসৃত হয়। প্রধান কৌশলগুলিকে দুটি ধরনে শ্রেণীবদ্ধ করা যায়: "অভ্যন্তরীণ" (ডিভাইস-লেভেল প্রযুক্তিগত এবং উপকরণ উদ্ভাবন দ্বারা) এবং "বহিঃসংযোগ" (বর্তনী টপোলজি দ্বারা)।

1.বহিঃসংযোগ: বর্তনী টপোলজি দ্বারা সমাধান (বর্তমানে সবচেয়ে প্রধান এবং পরিপক্ক পদ্ধতি)
এটি মাঝারি এবং উচ্চ-ভোল্টেজ, উচ্চ-পাওয়ার অ্যাপ্লিকেশনে বর্তমানে সবচেয়ে বিশ্বসনীয় এবং প্রচলিত পদ্ধতি। এর মূল ধারণা হল "একতায় শক্তি"—একাধিক ডিভাইসের সিরিজ সংযোগ বা মডিউলার সংমিশ্রণ ব্যবহার করে উচ্চ ভোল্টেজ শেয়ার করা।

1.1 ডিভাইস সিরিজ সংযোগ

 প্রinciple: একাধিক সুইচিং ডিভাইস (উদাহরণস্বরূপ, IGBTs বা SiC MOSFETs) সরাসরি সিরিজ সংযোগে উচ্চ ভোল্টেজ সহ্য করতে ব্যবহার করা হয়। এটি একাধিক ব্যাটারি সিরিজ সংযোগ করে উচ্চ ভোল্টেজ অর্জন করার মতো একটি অনুরূপ প্রক্রিয়া।

 মূল চ্যালেঞ্জ:

• ডাইনামিক ভোল্টেজ ব্যালেন্সিং: ডিভাইসগুলির মধ্যে ক্ষুদ্র প্যারামিটার পার্থক্য (উদাহরণস্বরূপ, সুইচিং গতি, জংশন ক্যাপাসিটেন্স) কারণে উচ্চ-গতির সুইচিং সময়ে ভোল্টেজ সমানভাবে ডিভাইসগুলির মধ্যে বিতরণ হয় না, যা একটি ডিভাইসে ওভারভোল্টেজ এবং ব্যর্থতা ঘটাতে পারে।

• সমাধান: জটিল একটিভ বা প্যাসিভ ভোল্টেজ ব্যালেন্সিং সার্কিট (উদাহরণস্বরূপ, স্নাবার সার্কিট, গেট নিয়ন্ত্রণ) প্রয়োজন হয় যাতে ভোল্টেজ শেয়ারিং প্রয়োগ করা যায়, যা সিস্টেমের জটিলতা এবং খরচ বাড়ায়।

2. বহুস্তর কনভার্টার টপোলজি (SST এর জন্য বর্তমানের প্রধান পছন্দ)

2.1 প্রinciple: এটি একটি অগ্রগত এবং উচ্চ-পারফরমেন্স "মডিউলার সিরিজ" ধারণা। এটি বহু ভোল্টেজ স্তর ব্যবহার করে একটি সাইন তরঙ্গের স্টেপড আনুমানিক তৈরি করে, যাতে প্রতিটি সুইচিং ডিভাইস মোট DC বাস ভোল্টেজের একটি অংশ মাত্র সহ্য করে।

2.2 সাধারণ টপোলজি:

• মডিউলার মাল্টিলেভেল কনভার্টার (MMC): মাঝারি এবং উচ্চ-ভোল্টেজ SST এর জন্য সবচেয়ে প্রিয় টপোলজির মধ্যে একটি। এটি বহু একই সাবমডিউল (SMs) সিরিজ সংযোগে গঠিত। প্রতিটি সাবমডিউলে সাধারণত একটি ক্যাপাসিটর এবং কয়েকটি সুইচিং ডিভাইস থাকে। ডিভাইসগুলি শুধুমাত্র সাবমডিউলের ক্যাপাসিটরের ভোল্টেজ সহ্য করে, যা ভোল্টেজ স্ট্রেস সমস্যাটি সমাধান করে। সুবিধাগুলি হল মডিউলারিটি, স্কেলাবিলিটি এবং উত্কৃষ্ট আউটপুট তরঙ্গ ফর্ম।

• ফ্লাইং ক্যাপাসিটর মাল্টিলেভেল কনভার্টার (FCMC) এবং ডায়োড-ক্ল্যাম্পড মাল্টিলেভেল কনভার্টার (DNPC): এছাড়াও সাধারণভাবে ব্যবহৃত বহুস্তর স্ট্রাকচার, কিন্তু স্তর সংখ্যা বৃদ্ধি হলে স্ট্রাকচার এবং নিয়ন্ত্রণ জটিল হয়।

• সুবিধাগুলি: মৌলিকভাবে একক ডিভাইসের ভোল্টেজ রেটিং সীমাটি সমাধান করে, আউটপুট ভোল্টেজ তরঙ্গ ফর্মের মান বেশি উন্নত করে, এবং ফিল্টার আকার কমায়।

3. ইনপুট-সিরিজ আউটপুট-প্যারালাল (ISOP) ক্যাস্কেড স্ট্রাকচার

• প্রinciple: একাধিক সম্পূর্ণ, স্বাধীন পাওয়ার কনভার্শন ইউনিট (উদাহরণস্বরূপ, DAB, ডুয়াল এক্টিভ ব্রিজ) তাদের ইনপুট সিরিজ সংযোগে উচ্চ ভোল্টেজ সহ্য করতে এবং আউটপুট প্যারালাল সংযোগে উচ্চ কারেন্ট প্রদান করতে সংযোগ করা হয়। এটি একটি সিস্টেম-লেভেল মডিউলার সমাধান।

• সুবিধাগুলি: প্রতিটি ইউনিট একটি নিম্ন-ভোল্টেজ স্ট্যান্ডার্ড মডিউল, যা ডিজাইন, নির্মাণ এবং রক্ষণাবেক্ষণ সরলীকরণ করে। উচ্চ বিশ্বসনীয়তা (একটি ইউনিটের ব্যর্থতা সমগ্র সিস্টেমের পরিচালনাকে ব্যাহত করে না)। সম্পূর্ণরূপে SST এর মডিউলার ডিজাইন দর্শনের জন্য উপযুক্ত।

4. অভ্যন্তরীণ সমর্থন: ডিভাইস-লেভেল প্রযুক্তিগত উদ্ভাবন (ভবিষ্যতের উন্নয়নের দিক)

এই পদ্ধতি মৌলিকভাবে উপকরণ বিজ্ঞান এবং সেমিকন্ডাক্টর পদার্থবিজ্ঞানের দিক থেকে সমস্যাটি সমাধান করে।

4.1 ব্রড-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের ব্যবহার

প্রinciple: নতুন-প্রজন্ম সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলি যেমন সিলিকন কার্বাইড (SiC) এবং গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN) প্রাচীন সিলিকন (Si) তুলনায় একটি ক্রিটিক্যাল ব্রেকডাউন তড়িৎক্ষেত্র একটি মাত্রায় বেশি হয়। এর মানে হল, SiC ডিভাইসগুলি একই মোটামুটি প্রস্থে Si ডিভাইসগুলির তুলনায় অনেক বেশি ভোল্টেজ রেটিং অর্জন করতে পারে।
সুবিধাগুলি:

• বেশি ভোল্টেজ রেটিং: একটি একক SiC MOSFET এখন সহজেই 10 kV এর উপরে ভোল্টেজ রেটিং অর্জন করতে পারে, যেখানে সিলিকন IGBTs সাধারণত 6.5 kV এর নিচে সীমাবদ্ধ। এটি SST টপোলজিকে সরলীকরণ করে (সিরিজ-সংযোগ ডিভাইসের সংখ্যা কমায়)।

• বেশি দক্ষতা: ব্রড-ব্যান্ডগ্যাপ ডিভাইসগুলি কম পরিবাহিতা প্রতিরোধ এবং সুইচিং লস প্রদান করে, যা SSTs কে উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সিতে পরিচালনা করতে দেয়, ফলে চৌম্বকীয় উপকরণ (ট্রান্সফরমার, ইনডাক্টর) এর আকার এবং ওজন বেশি কমে যায়।
  

• স্থিতি: উচ্চ-ভোল্টেজ SiC ডিভাইসগুলি বর্তমানে SST গবেষণায় একটি গরম বিষয় এবং ভবিষ্যতের বিপ্লবী এসএসটি ডিজাইনের জন্য একটি মূল যোগ্য প্রযুক্তি হিসেবে বিবেচিত হচ্ছে।

4. 2 সুপারজাঙ্কশন প্রযুক্তি

• প্রinciple: সিলিকন-ভিত্তিক MOSFETs এর জন্য একটি উন্নত প্রযুক্তি যা পর্যায়ক্রমে P-টাইপ এবং N-টাইপ পিলার অঞ্চল প্রবর্তন করে তড়িৎক্ষেত্র বিতরণ পরিবর্তন করে, ফলে ভোল্টেজ ব্লকিং ক্ষমতা বেশি উন্নত হয় এবং কম অন-প্রতিরোধ রক্ষা করে।

• প্রয়োগ: মূলত 600 V থেকে 900 V এর মধ্যবর্তী ভোল্টেজ রেটিংয়ের ডিভাইসে ব্যবহৃত হয়। SST-এর নিম্ন-ভোল্টেজ পাশে বা কম-শক্তির অংশে প্রয়োগ করা হয়, তবে সরাসরি মধ্যম-ভোল্টেজ প্রয়োগের জন্য এখনও যথেষ্ট নয়।

5. তুলনা

কিভাবে শক্তি অর্ধপরিবাহী ডিভাইসগুলির ভোল্টেজ রেটিং সীমাবদ্ধতা সমাধান করা যায় SST-এ?

• বর্তমানে সবচেয়ে প্রায়শই ব্যবহৃত এবং বিশ্বসনীয় সমাধান হল বহুস্তর কনভার্টার টপোলজি (বিশেষ করে মডিউলার মাল্টিলেভেল কনভার্টার, MMC) বা ক্যাস্কেড ইনপুট-সিরিজ আউটপুট-প্যারালাল (ISOP) স্ট্রাকচার গ্রহণ করা। এই পদ্ধতিগুলি পরিপক্ক সিলিকন ভিত্তিক ডিভাইসের উপর ভিত্তি করে, জটিল সিস্টেম-লেভেল আর্কিটেকচারের মাধ্যমে একক ডিভাইসের ভোল্টেজ রেটিং বোতলনাকে এড়িয়ে চলে।

• ভবিষ্যতের মৌলিক সমাধান হল উচ্চ-ভোল্টেজ ব্রড-ব্যান্ডগ্যাপ অর্ধপরিবাহী ডিভাইসগুলির, বিশেষ করে সিলিকন কার্বাইড (SiC) এর, পরিপক্কতা ও খরচ কমানো। একবার এটি বাস্তবায়িত হলে, SST টপোলজি বেশি সরলীকৃত হতে পারবে, যা দক্ষতা এবং শক্তি ঘনত্বে একটি লাফ দেওয়ার সুযোগ দেবে।

প্রকৃতপক্ষে SST গবেষণা ও উন্নয়নে, বিভিন্ন প্রযুক্তিগুলি প্রায়শই সমন্বিত করা হয়—উদাহরণস্বরূপ, SiC ডিভাইস ব্যবহার করে MMC টপোলজি অনুসরণ করা—অপটিমাল পারফরম্যান্স এবং নির্ভরযোগ্যতা অর্জনের জন্য।