SST वोल्टेज चुनौतियाँ: टोपोलॉजी और SiC तकनीक

सॉलिड-स्टेट ट्रांसफार्मर (SST) की प्रमुख चुनौतियों में से एक यह है कि एकल विद्युत अर्धचालक उपकरण का वोल्टेज रेटिंग मध्यवर्ती वोल्टेज वितरण नेटवर्क (जैसे, 10 kV) को सीधे संभालने के लिए बहुत कम होता है। इस वोल्टेज सीमा को संबोधित करने के लिए एक एकल प्रौद्योगिकी पर निर्भर नहीं किया जाता, बल्कि इसके लिए "संयोजन दृष्टिकोण" की आवश्यकता होती है। मुख्य रणनीतियों को दो प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है: "आंतरिक" (डिवाइस-स्तरीय प्रौद्योगिकी और सामग्री नवाचार के माध्यम से) और "बाह्य सहयोग" (सर्किट टोपोलॉजी के माध्यम से)।

1.बाह्य सहयोग: सर्किट टोपोलॉजी के माध्यम से समाधान (वर्तमान में सबसे प्रमुख और परिपक्व दृष्टिकोण)
यह मध्य और उच्च वोल्टेज, उच्च शक्ति अनुप्रयोगों में वर्तमान में सबसे विश्वसनीय और व्यापक रूप से लागू होने वाला दृष्टिकोण है। इसका मुख्य विचार "एकता में शक्ति"—कई उपकरणों के श्रृंखला कनेक्शन या मॉड्यूलर संयोजन का उपयोग करके उच्च वोल्टेज को साझा करना।

1.1 उपकरण श्रृंखला कनेक्शन

 सिद्धांत: कई स्विचिंग उपकरण (जैसे, IGBTs या SiC MOSFETs) को श्रृंखला में सीधे जोड़ा जाता है ताकि उच्च वोल्टेज को साथ में संभाला जा सके। यह बैटरियों को श्रृंखला में जोड़कर उच्च वोल्टेज प्राप्त करने के समान है।

 मुख्य चुनौतियाँ:

• गतिशील वोल्टेज बैलेंसिंग: उपकरणों के बीच थोड़ी-थोड़ी पैरामीटर भिन्नताओं (जैसे, स्विचिंग गति, जंक्शन क्षमता) के कारण, उच्च-गति स्विचिंग के दौरान वोल्टेज उपकरणों के बीच समान रूप से वितरित नहीं हो सकता, जिससे एक उपकरण में ओवरवोल्टेज और विफलता हो सकती है।

• समाधान: वोल्टेज शेयरिंग को लागू करने के लिए जटिल सक्रिय या निष्क्रिय वोल्टेज बैलेंसिंग सर्किट (जैसे, स्नबर सर्किट, गेट नियंत्रण) की आवश्यकता होती है, जो प्रणाली की जटिलता और लागत को बढ़ाती है।

2. बहुस्तरीय कनवर्टर टोपोलॉजी (आज SST के लिए मुख्यप्रवाह का चुनाव)

2.1 सिद्धांत: यह एक अधिक उन्नत और उच्च प्रदर्शन वाला "मॉड्यूलर श्रृंखला" अवधारणा है। यह कई वोल्टेज स्तरों का उपयोग करके एक साइन वेव का एक स्टेप्ड अनुमान उत्पन्न करता है, ताकि प्रत्येक स्विचिंग उपकरण केवल कुल DC बस वोल्टेज का एक छोटा भाग संभाल सके।

2.2 सामान्य टोपोलॉजी:

• मॉड्यूलर मल्टीलेवल कनवर्टर (MMC): मध्य और उच्च वोल्टेज SST के लिए सबसे पसंदीदा टोपोलॉजी में से एक। यह कई समान उप-मॉड्यूल (SMs) को श्रृंखला में जोड़कर बनाया जाता है। प्रत्येक उप-मॉड्यूल आमतौर पर एक कैपेसिटर और कई स्विचिंग उपकरण शामिल होते हैं। उपकरण केवल उप-मॉड्यूल के कैपेसिटर के वोल्टेज को संभालते हैं, जो वोल्टेज स्ट्रेस की समस्या को प्रभावी रूप से समाधान करता है। फायदे में मॉड्यूलरता, स्केलेबिलिटी और उत्कृष्ट आउटपुट वेवफॉर्म गुणवत्ता शामिल हैं।

• फ्लाइंग कैपेसिटर मल्टीलेवल कनवर्टर (FCMC) और डायोड-क्लैंप्ड मल्टीलेवल कनवर्टर (DNPC): भी सामान्य रूप से उपयोग की जाने वाली मल्टीलेवल संरचनाएँ, लेकिन स्तरों की संख्या बढ़ने के साथ संरचनात्मक और नियंत्रण में जटिलता बढ़ जाती है।

• फायदे: व्यक्तिगत उपकरणों की वोल्टेज रेटिंग सीमा की मौलिक समस्या को समाधान करता है, आउटपुट वोल्टेज वेवफॉर्म गुणवत्ता में महत्वपूर्ण सुधार करता है, और फिल्टर का आकार कम करता है।

3. इनपुट-श्रृंखला आउटपुट-समानांतर (ISOP) कैस्केड संरचना

• सिद्धांत: कई पूर्ण, स्वतंत्र विद्युत रूपांतरण यूनिट (जैसे, DAB, डुअल एक्टिव ब्रिज) को उनके इनपुट श्रृंखला में जोड़ा जाता है ताकि उच्च वोल्टेज संभाला जा सके और आउटपुट समानांतर में जोड़ा जाता है ताकि उच्च धारा दी जा सके। यह एक सिस्टम-स्तरीय मॉड्यूलर समाधान है।

• फायदे: प्रत्येक यूनिट एक कम वोल्टेज मानक मॉड्यूल है, जो डिजाइन, निर्माण और रखरखाव को सरल बनाता है। उच्च विश्वसनीयता (एक यूनिट की विफलता समग्र सिस्टम के संचालन को नहीं रोकती)। SST के मॉड्यूलर डिजाइन दर्शन के लिए अत्यंत उपयुक्त।

4. आंतरिक सुदृढ़ीकरण: डिवाइस-स्तरीय प्रौद्योगिकी नवाचार (भविष्य का विकास दिशा)

यह दृष्टिकोण सामग्री विज्ञान और अर्धचालक भौतिकी के दृष्टिकोण से मौलिक रूप से समस्या का समाधान करता है।

4.1 वाइड-बैंडगैप अर्धचालक उपकरणों का उपयोग

सिद्धांत: नए पीढ़ी के अर्धचालक सामग्री जैसे कि सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम नाइट्राइड (GaN) के महत्वपूर्ण विघटन विद्युत क्षेत्र त्रिज्या परंपरागत सिलिकॉन (Si) की तुलना में दस गुना अधिक होते हैं। यह इसका अर्थ है कि SiC उपकरण सिलिकॉन उपकरणों की तुलना में समान मोटाई पर बहुत अधिक वोल्टेज रेटिंग प्राप्त कर सकते हैं।
फायदे:

• उच्च वोल्टेज रेटिंग: एक एकल SiC MOSFET अब आसानी से 10 kV से ऊपर की वोल्टेज रेटिंग प्राप्त कर सकता है, जबकि सिलिकॉन IGBTs आमतौर पर 6.5 kV से नीचे सीमित होते हैं। यह SST टोपोलॉजी को सरल बनाता है (श्रृंखला-संयोजित उपकरणों की संख्या को कम करता है)।

• उच्च दक्षता: वाइड-बैंडगैप उपकरण कम चालन प्रतिरोध और स्विचिंग नुकसान प्रदान करते हैं, जो SSTs को उच्च आवृत्तियों पर संचालित होने की अनुमति देते हैं, जिससे चुंबकीय घटकों (ट्रांसफार्मर, इंडक्टर) का आकार और वजन महत्वपूर्ण रूप से कम हो जाता है।
  

• स्थिति: उच्च वोल्टेज SiC उपकरण वर्तमान में SST शोध का एक गर्म विषय हैं और भविष्य के विपरीत SST डिजाइन के लिए एक महत्वपूर्ण सक्षम प्रौद्योगिकी माने जाते हैं।

4.2 सुपरजंक्शन तकनीक

• सिद्धांत: सिलिकॉन-आधारित MOSFETs के लिए एक उन्नत तकनीक जो विकल्प P-प्रकार और N-प्रकार के खंभे क्षेत्रों को पेश करके विद्युत क्षेत्र वितरण को बदलती है, जिससे वोल्टेज ब्लॉकिंग क्षमता में महत्वपूर्ण सुधार होता है जबकि कम ऑन-रेजिस्टेंस बनाए रखती है।

• आवेदन: मुख्य रूप से 600 वोल्ट और 900 वोल्ट के बीच के वोल्टेज रेटिंग वाले उपकरणों में प्रयोग किया जाता है। SSTs के निम्न-वोल्टेज पक्ष या कम शक्ति वाले खंडों में लागू किया जाता है, लेकिन अभी भी सीधे मध्य-वोल्टेज आवेदनों के लिए पर्याप्त नहीं है।

5. तुलना

पावर सेमीकंडक्टर डिवाइसों के वोल्टेज रेटिंग सीमाओं को SSTs में कैसे संबोधित किया जाए?

• वर्तमान में सबसे प्रायोज्य और विश्वसनीय समाधान बहुस्तरीय कन्वर्टर टोपोलोजियों (विशेष रूप से मॉड्यूलर मल्टीलेवल कन्वर्टर, MMC) या कैस्केडेड इनपुट-श्रृंखला आउटपुट-समानांतर (ISOP) संरचनाओं को अपनाना है। ये दृष्टिकोण, परिपक्व सिलिकॉन-आधारित डिवाइसों पर आधारित, जटिल सिस्टम-स्तरीय आर्किटेक्चर के माध्यम से व्यक्तिगत डिवाइसों की वोल्टेज रेटिंग बोतलनेक को घेरते हैं।

• भविष्य के लिए मौलिक समाधान उच्च-वोल्टेज वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर डिवाइसों, विशेष रूप से सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) के परिपक्वता और लागत कमी में निहित है। एक बार यह वास्तविक हो जाने पर, SST टोपोलोजियों को महत्वपूर्ण रूप से सरलीकृत किया जा सकता है, जिससे दक्षता और पावर घनत्व में एक बड़ा छलांग लगाया जा सकता है।

वास्तविक SST शोध और विकास में, अक्सर एक से अधिक प्रौद्योगिकियों को जोड़ा जाता है—उदाहरण के लिए, SiC डिवाइसों का उपयोग करके एक MMC टोपोलोजी का उपयोग करना—अप्टिमल प्रदर्शन और विश्वसनीयता प्राप्त करने के लिए।