वोल्टेज स्तर बढ़ाना क्यों कठिन है?
ठोस-अवस्था ट्रांसफार्मर (SST), जिसे पावर इलेक्ट्रॉनिक ट्रांसफार्मर (PET) के रूप में भी जाना जाता है, अपनी तकनीकी परिपक्वता और अनुप्रयोग स्थितियों का महत्वपूर्ण संकेतक वोल्टेज स्तर के रूप में उपयोग करता है। वर्तमान में, SSTs मध्य-वोल्टेज वितरण तरफ 10 किलोवोल्ट (kV) और 35 किलोवोल्ट (kV) के वोल्टेज स्तर तक पहुंच चुके हैं, जबकि उच्च-वोल्टेज प्रसारण तरफ वे अभी भी प्रयोगशाला शोध और प्रोटोटाइप प्रमाणिकरण की अवस्था में हैं। नीचे दी गई तालिका विभिन्न अनुप्रयोग स्थितियों में वोल्टेज स्तरों की वर्तमान स्थिति को स्पष्ट रूप से दर्शाती है:
| अनुप्रयोग स्थिति | वोल्टेज स्तर | तकनीकी स्थिति | टिप्पणियाँ और मामले |
| डेटा सेंटर / इमारत | 10 किलोवोल्ट | व्यावसायिक अनुप्रयोग | कई परिपक्व उत्पाद हैं। उदाहरण के लिए, CGIC ने "पूर्व डिजिटल और पश्चिम गणना" गुइ'आन डेटा सेंटर के लिए 10 किलोवोल्ट/2.4 MW SST प्रदान किया। |
| वितरण नेटवर्क / पार्क - स्तरीय प्रदर्शन | 10 किलोवोल्ट - 35 किलोवोल्ट | प्रदर्शन परियोजना | कुछ प्रमुख उद्यमों ने 35 किलोवोल्ट प्रोटोटाइप लॉन्च किए हैं और ग्रिड-से-जुड़ा प्रदर्शन किया है, जो अब तक ज्ञात इंजीनियरिंग अनुप्रयोग का सबसे उच्च वोल्टेज स्तर है। |
| पावर सिस्टम का प्रसारण तरफ | > 110 किलोवोल्ट | प्रयोगशाला सिद्धांत प्रोटोटाइप | विश्वविद्यालय और शोध संस्थाएं (जैसे, ट्सिंघुा विश्वविद्यालय, ग्लोबल एनर्जी इंटरनेट रिसर्च इंस्टिट्यूट) ने 110 किलोवोल्ट और उससे भी ऊंचे वोल्टेज स्तर के प्रोटोटाइप विकसित किए हैं, लेकिन अब तक कोई व्यावसायिक परियोजनाएं नहीं मिली हैं। |
1. वोल्टेज स्तर बढ़ाना क्यों कठिन है?
ठोस-अवस्था ट्रांसफार्मर (SST) का वोल्टेज स्तर सिर्फ घटकों को जोड़कर बढ़ाया नहीं जा सकता; यह एक श्रृंखला की मौलिक तकनीकी चुनौतियों से सीमित है:
1.1 पावर अर्धचालक उपकरणों की वोल्टेज सहन की सीमा
यह मुख्य बोतलनेक है। वर्तमान में, मुख्यधारा SSTs सिलिकॉन-आधारित IGBTs या अधिक उन्नत सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) MOSFETs का उपयोग करते हैं।
एक एकल SiC उपकरण का वोल्टेज रेटिंग आमतौर पर 10 किलोवोल्ट से 15 किलोवोल्ट के बीच होता है। उच्च तंत्र वोल्टेज (उदाहरण के लिए, 35 किलोवोल्ट) संभालने के लिए, एकाधिक उपकरणों को श्रृंखला में जोड़ा जाना चाहिए। हालांकि, श्रृंखला जोड़ में जटिल "वोल्टेज बैलेंसिंग मुद्दे" शामिल होते हैं, जहाँ उपकरणों के बीच भले ही छोटे अंतर भी वोल्टेज असंतुलन और मॉड्यूल विफलता का कारण बन सकते हैं।
1.2 उच्च-आवृत्ति ट्रांसफार्मर इन्सुलेशन तकनीक में चुनौतियाँ
SSTs का मुख्य लाभ उच्च-आवृत्ति संचालन के माध्यम से आकार की कमी में है। हालांकि, उच्च आवृत्तियों पर, इन्सुलेशन सामग्रियों और विद्युत क्षेत्र वितरण का प्रदर्शन बहुत जटिल हो जाता है। वोल्टेज स्तर जितना ऊंचा, उतना ही उच्च-आवृत्ति ट्रांसफार्मर के इन्सुलेशन डिजाइन, निर्माण प्रक्रियाओं और थर्मल प्रबंधन के लिए अधिक सख्त आवश्यकताएँ होती हैं। सीमित स्थान में दहाई किलोवोल्ट-स्तरीय उच्च-आवृत्ति इन्सुलेशन प्राप्त करना सामग्रियों और डिजाइन के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती है।
1.3 प्रणाली टोपोलॉजी और नियंत्रण की जटिलता
उच्च वोल्टेज संभालने के लिए, SSTs आमतौर पर केस्केड मॉड्यूलर टोपोलॉजी (जैसे, MMC—मॉड्यूलर मल्टीलेवल कन्वर्टर) का उपयोग करते हैं। वोल्टेज स्तर जितना ऊंचा, उतने ही उप-मॉड्यूलों की आवश्यकता होती है, जिससे प्रणाली की संरचना अत्यंत जटिल हो जाती है। नियंत्रण की कठिनाई घातांकीय रूप से बढ़ जाती है, और लागत और विफलता दर भी बढ़ती है।
2. भविष्य की दृष्टि
सामान्य चुनौतियों के बावजूद, तकनीकी प्रगति जारी है:
उपकरण की प्रगति: उच्च-वोल्टेज रेटिंग वाले SiC और गैलियम नाइट्राइड (GaN) उपकरणों का विकास हो रहा है, जो उच्च-वोल्टेज SSTs प्राप्त करने के लिए आधार हैं।
टोपोलॉजी की नवीनता: नए सर्किट टोपोलॉजी, जैसे हाइब्रिड दृष्टिकोण (पारंपरिक ट्रांसफार्मरों और पावर इलेक्ट्रॉनिक कन्वर्टरों को जोड़ना), उच्च-वोल्टेज अनुप्रयोगों में तेजी से प्रगति के लिए एक व्यवहार्य मार्ग माना जाता है।
स्टैंडर्डीकरण: IEEE जैसी संगठनों द्वारा SST-संबंधी मानकों की स्थापना शुरू हो रही है, जो मानकीकृत डिजाइन और परीक्षण को बढ़ावा देगा, और तकनीकी परिपक्वता को तेज करेगा।
3. निष्कर्ष
वर्तमान में, 10 किलोवोल्ट SSTs व्यावसायिक अनुप्रयोग में प्रवेश कर चुके हैं, और 35 किलोवोल्ट स्तर प्रदर्शन परियोजनाओं में उपलब्ध सबसे ऊंचा स्तर है, जबकि 110 किलोवोल्ट और उससे ऊपर के वोल्टेज स्तर अभी भी प्रगतिशील तकनीकी शोध के क्षेत्र में हैं। ठोस-अवस्था ट्रांसफार्मर वोल्टेज स्तरों की प्रगति एक धीमी प्रक्रिया है, जो पावर अर्धचालक, सामग्री विज्ञान, नियंत्रण सिद्धांत और थर्मल प्रबंधन तकनीकों की समन्वित प्रगति पर निर्भर करती है।
