SST ولٹیج کے چیلنجز: ٹوپولوجیز اور SiC ٹیکنالوجی

سولڈ سٹیٹ ٹرانسفورمرز (SST) کا ایک بنیادی چیلنج یہ ہے کہ ایک سینگل پاور سیمی کنڈکٹر ڈیوائس کی وولٹیج ریٹنگ مڈل وولٹیج ڈسٹری بیوشن نیٹ ورک (مثال کے طور پر، 10 kV) کو مستقیماً سنبھالنے کے لئے بہت کم ہوتی ہے۔ اس وولٹیج کی محدودیت کو حل کرنے کے لئے کسی واحد ٹیکنالوجی پر انحصار نہیں کیا جاتا بلکہ ایک "کامبائنڈ اپروچ" کی ضرورت ہوتی ہے۔ اصلی استراتیجیوں کو دو قسموں میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: "انٹرنل" (ڈیوائس سطح کی ٹیکنالوجیکل اور میٹریئل اننوسیشن کے ذریعے) اور "ایکسٹرنل کولیبریشن" (سرکٹ ٹاپالوجی کے ذریعے)۔

1. ایکسٹرنل کولیبریشن: سرکٹ ٹاپالوجی کے ذریعے حل (موجودہ طور پر سب سے زیادہ میں اور میٹریوری اپروچ)
یہ موجودہ طور پر مڈل- اور ہائی- وولٹیج، ہائی-پاور ایپلیکیشنز میں سب سے زیادہ برقرار اور وسیع طور پر استعمال کیا جانے والا اپروچ ہے۔ اس کا بنیادی خیال "strength in unity" ہے - متعدد ڈیوائسز کو سیریز کنکشن یا ماڈیولر کمبنیشن کے ذریعے استعمال کرکے ہائی وولٹیج کو شیئر کرنا۔

1.1 ڈیوائس سیریز کنکشن

 پرنسپل: متعدد سوئچنگ ڈیوائسز (مثال کے طور پر، IGBTs یا SiC MOSFETs) کو سیریز میں سیکٹ کرکے کلیہ سے ہائی وولٹیج کو سنبھالا جاتا ہے۔ یہ ایک سیریز میں متعدد بیٹریوں کو کنکٹ کرکے زیادہ وولٹیج حاصل کرنے کے مشابہ ہے۔

 کی کی چیلنج:

• ڈائنامک وولٹیج بالانسنگ: ڈیوائسز (مثال کے طور پر، سوئچنگ سپیڈ، جنکشن کیپیسٹنس) کے درمیان کم پیرامیٹرز کی تفاوت کی وجہ سے، ہائی سپیڈ سوئچنگ کے دوران ڈیوائسز کے درمیان وولٹیج کو منصفانہ طور پر تقسیم نہیں کیا جا سکتا، جس کی وجہ سے ایک ڈیوائس میں اوور وولٹیج اور فیلیچر ہو سکتا ہے۔

• حل: کمپلیکس ایکٹو یا پاسو وولٹیج بالانسنگ سرکٹ (مثال کے طور پر، snubber circuits, gate control) کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ وولٹیج شیئرنگ کو فروغ دیا جا سکے، جس سے سسٹم کی پیچیدگی اور قیمت میں اضافہ ہوتا ہے۔

2. ملٹی لیول کنورٹر ٹاپالوجیز (آج کے SST کے لئے میں اپروچ)

2.1 پرنسپل: یہ ایک زیادہ آگے بڑھا اور زیادہ کارکردگی والی "ماڈیولر سیریز" کانسپت ہے۔ یہ متعدد وولٹیج لیولز کا استعمال کرتے ہوئے سائن ویو کی ایک اسٹیپڈ اپروکسیمیشن تیار کرتا ہے، تاکہ ہر سوئچنگ ڈیوائس کو کل ڈی سی باس وولٹیج کا صرف ایک حصہ سنبھالنا پڑے۔

2.2 عام ٹاپالوجیز:

• ماڈیولر ملٹی لیول کنورٹر (MMC): مڈل- اور ہائی- وولٹیج SSTs کے لئے سب سے زیادہ پسند کیے جانے والے ٹاپالوجیوں میں سے ایک ہے۔ یہ کئی یکساں سب موڈیولز (SMs) کو سیریز میں کنکٹ کرتا ہے۔ ہر سب موڈیول عام طور پر ایک کیپیسٹر اور کچھ سوئچنگ ڈیوائسز پر مشتمل ہوتا ہے۔ ڈیوائسز صرف سب موڈیول کی کیپیسٹر کی وولٹیج کو سنبھالتے ہیں، جس سے وولٹیج سٹرس کا مسئلہ موثر طور پر حل ہو جاتا ہے۔ فوائد میں ماڈیولریٹی، سکیلیبلٹی، اور عمدہ آؤٹ پٹ ویو فارم کی کوالٹی شامل ہیں۔

• فلائینگ کیپیسٹر ملٹی لیول کنورٹر (FCMC) اور ڈائیوڈ-کلیمڈ ملٹی لیول کنورٹر (DNPC): بھی عام طور پر استعمال ہونے والے ملٹی لیول سٹرکچرز ہیں، لیکن لیولز کی تعداد میں اضافہ ہونے کے ساتھ ساختی اور کنٹرول کی پیچیدگی میں اضافہ ہوتا ہے۔

• فوائد: فنڈامنٹل طور پر انفرادی ڈیوائسز کی وولٹیج ریٹنگ کی محدودیت کو حل کرتا ہے، آؤٹ پٹ وولٹیج ویو فارم کی کوالٹی میں قابل ذکر بہتری لاتا ہے، اور فلٹر کی سائز کو کم کرتا ہے۔

3. ان پٹ-سیریز آؤٹ پٹ-پیرلیل (ISOP) کیسکیڈڈ سٹرکچر

• پرنسپل: متعدد مکمل، آزاد پاور کنورژن یونٹس (مثال کے طور پر، DAB، ڈوئل ایکٹو بریج) کو ان کے ان پٹ کو سیریز میں کنکٹ کرکے ہائی وولٹیج کو سنبھالنے اور آؤٹ پٹ کو پیرلیل کرکے ہائی کرنٹ پیش کرنے کے لئے کنکٹ کیا جاتا ہے۔ یہ ایک سسٹم سطح کا ماڈیولر حل ہے۔

• فوائد: ہر یونٹ ایک لو وولٹیج سٹینڈرڈ ماڈیول ہے، جس سے ڈیزائن، مینوفیکچرنگ، اور مینٹیننس کو آسان بنایا جا سکتا ہے۔ ہائی ریلی ابیلٹی (ایک یونٹ کی فیلیچر کلیہ سسٹم کے آپریشن کو روکنے کی ضرورت نہیں ہوتی)۔ SST کے ماڈیولر ڈیزائن فلسفے کے لئے بہت موزوں ہے۔

4. انٹرنل رینفورسمنٹ: ڈیوائس سطح کی ٹیکنالوجیکل اننوسیشن (مستقبل کی ترقی کی سمت)

یہ مسلہ بنیادی طور پر میٹریئل سائنس اور سیمی کنڈکٹر فزکس کے نظریات کے تحت حل کرتا ہے۔

4.1 وائڈ-بینڈگیپ سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز کا استعمال

پرنسپل: نئی پریشن سیمی کنڈکٹر میٹریئل جیسے سلیکون کاربائیڈ (SiC) اور گیلیم نائٹرائیڈ (GaN) کے کریٹیکل بریک ڈاؤن الیکٹرک فیلڈز تریڈیشنل سلیکون (Si) کے مقابلے میں ایک آرڈر آف میگنی ٹیوڈ زیادہ ہوتے ہیں۔ یہ مطلب ہے کہ SiC ڈیوائسز کو Si ڈیوائسز کے مقابلے میں ایک ہی گpaisa کے ساتھ بہت زیادہ وولٹیج ریٹنگ حاصل کرنا ہوتا ہے۔
فوائد:

• زیادہ وولٹیج ریٹنگ: ایک سلیکون کاربائیڈ (SiC) MOSFET اب براہ راست 10 kV سے زیادہ وولٹیج ریٹنگ تک پہنچ سکتا ہے، جبکہ سلیکون IGBTs عام طور پر 6.5 kV سے نیچے محدود ہوتے ہیں۔ یہ SST ٹاپالوجیز کو سادہ کرنے کی اجازت دیتا ہے (سیریز کنکٹڈ ڈیوائسز کی تعداد کو کم کرتا ہے)۔

• زیادہ کارکردگی: وائڈ-بینڈگیپ ڈیوائسز کم کنڈکشن ریزسٹنس اور سوئچنگ لاز ہوتے ہیں، جس کی وجہ سے SSTs کو زیادہ فریکوئنسیوں پر کام کرنے کی اجازت ملتی ہے، جس سے میگنیٹک کمپوننٹس (ٹرانسفورمرز، انڈکٹر) کی سائز اور وزن میں قابل ذکر کمی ہوتی ہے۔
  

• حالت: ہائی-وولٹیج SiC ڈیوائسز حالیہ طور پر SST تحقیق کے میں موضوع ہیں اور مستقبل کے ڈسپٹیو SST ڈیزائن کے لئے ایک کلیدی انیبلنگ ٹیکنالوجی کے طور پر سمجھے جاتے ہیں۔

4. 2 سپرجنکشن ٹیکنالوجی

• پرنسپل: سلیکون بیسڈ MOSFETs کے لئے ایک اعلیٰ ٹیکنالوجی جس میں P-ٹائپ اور N-ٹائپ پلیر ریجنز کو الٹرنیٹ کیا جاتا ہے تاکہ الیکٹرک فیلڈ ڈسٹری بیوشن کو تبدیل کیا جا سکے، جس سے وولٹیج بلاکنگ کیپیبلٹی میں قابل ذکر بہتری ہوتی ہے جبکہ لو آن-ریزسٹنس برقرار رہتا ہے۔

• ایپلیکیشن: اسے بنیادی طور پر 600 وولٹ سے 900 وولٹ کے ولٹیج ریٹنگ والے دستیابات میں استعمال کیا جاتا ہے۔ SSTs کے نیچے کے ولٹیج یا کم توانائی کے حصوں میں استعمال کیا جاتا ہے، لیکن دریافت کرنے کے لیے مستقیم مڈل ولٹیج ایپلیکیشنز کے لیے آبادی کافی نہیں ہوتی۔

5. موازنہ

پاور سمی کانڈکٹر ڈیوائسز کے ولٹیج ریٹنگ کی محدودیت کو کیسے حل کیا جا سکتا ہے؟

• موجودہ طور پر سب سے عملی اور قابل اعتماد حل متعدد سطحی کنورٹر ٹاپولوجی (خصوصاً موڈیولر ملٹی لیول کنورٹرز، MMC) یا کیسکیڈڈ ان پٹ سیریز آؤٹ پٹ سیریل (ISOP) ساختوں کو اپنانے کا ہے۔ ان رویوں کو میورہ ہونے والے سلیکون بنیادی ڈیوائسز پر مبنی ہے، جو مختصر نظام کی ترقی یافتہ معماری کے ذریعے فردی ڈیوائسز کی ولٹیج ریٹنگ کی بھاری عقبیات کو دور کرتے ہیں۔

• مستقبل کے لئے بنیادی حل عرصے سے زیادہ ولٹیج وائڈ بینڈ گیپ سمی کانڈکٹر ڈیوائسز، خصوصاً سلیکون کارباڈ (SiC) کی میورہ اور لاگت کم کرنے میں ہے۔ ایسا ہونے پر، SST ٹاپولوجی کو کافی سادہ کیا جا سکتا ہے، جس سے کارکردگی اور پاور ڈینسٹی میں ایک بڑا قدم آگے بڑھایا جا سکتا ہے۔

واقعی SST تحقیق اور ترقی میں، عام طور پر متعدد ٹیکنالوجیوں کو جمع کیا جاتا ہے - مثال کے طور پر، SiC ڈیوائسز استعمال کرتے ہوئے ایک MMC ٹاپولوجی - تاکہ بہترین کارکردگی اور قابل اعتمادی حاصل کی جا سکے۔