திறன் அமைப்பு மாற்றி தொழில்நுட்பம்: ஒரு முழுமையான விஶலைச் செயல்பாடு

திட-நிலை மின்மாற்றி தொழில்நுட்பம்: ஒரு விரிவான பகுப்பாய்வு

இந்த அறிக்கை ETH சூரிக் இல் உள்ள மின்னணு சக்தி அமைப்புகள் ஆய்வகம் வெளியிட்ட கற்றல் பயிற்சிகளை அடிப்படையாகக் கொண்டது, திட-நிலை மின்மாற்றி (SST) தொழில்நுட்பத்தின் முழுமையான கண்ணோட்டத்தை வழங்குகிறது. SSTகளின் இயங்கும் கொள்கைகள் மற்றும் பாரம்பரிய லைன்-அலைவெண் மின்மாற்றிகளை விட (LFTகள்) அவை கொண்டுள்ள புரட்சிகர நன்மைகள் பற்றிய விவரங்களை இந்த அறிக்கை விளக்குகிறது, அவற்றின் முக்கிய தொழில்நுட்பங்கள், உச்சவரிசைகள், தொழில்துறை பயன்பாட்டு சூழ்நிலைகள் பற்றி அமைப்பு முறையிலான பகுப்பாய்வை மேற்கொள்கிறது, மேலும் தற்போதைய முக்கிய சவால்கள் மற்றும் எதிர்கால ஆராய்ச்சி திசைகளை முழுமையாக ஆராய்கிறது. எதிர்கால ஸ்மார்ட் கிரிடுகள், புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றல் ஒருங்கிணைப்பு, தரவு மையங்கள் மற்றும் போக்குவரத்து மின்மயமாக்கத்திற்கான முக்கிய இயக்கும் தொழில்நுட்பங்களாக SSTகள் கருதப்படுகின்றன.

1. அறிமுகம்: SST இன் அடிப்படைக் கருத்துகள் மற்றும் மைய ஊக்கங்கள்

1.1 பாரம்பரிய மின்மாற்றிகளின் குறைபாடுகள்

பாரம்பரிய லைன்-அலைவெண் மின்மாற்றிகள் (50/60 Hz), அதிக திறமையானவை, நம்பகமானவை மற்றும் செலவு-திறமையானவை என்றாலும், அவை உள்ளார்ந்த குறைபாடுகளைக் கொண்டுள்ளன:

• பெரிய அளவு மற்றும் எடை: குறைந்த அலைவெண் இயக்கம் பெரிய காந்த மையங்கள் மற்றும் சுற்றுகளை தேவைப்படுத்துகிறது

• ஒற்றை செயல்பாடு: ஆக்டிவ் கட்டுப்பாட்டு திறன்கள் இல்லை, மின்னழுத்தத்தை ஒழுங்குபடுத்தவோ, பின்னிணைப்பு சக்தியை ஈடுசெய்யவோ அல்லது ஹார்மோனிக்ஸை அடக்கவோ முடியாது

• மோசமான தகவமைப்புத்திறன்: DC பயாஸ், சுமை சமநிலையின்மை மற்றும் ஹார்மோனிக்ஸுக்கு உணர்திறன் கொண்டது

• நிலையான இடைமுகங்கள்: பொதுவாக AC-AC மாற்றத்தை மட்டுமே ஆதரிக்கின்றன, DC அமைப்புகளுடன் நேரடி ஒருங்கிணைப்பை கடினமாக்குகின்றன

1.2 SST இன் மைய நன்மைகள்

SSTகள் உயர் அலைவெண் மின்னணு சக்தி மாற்று தொழில்நுட்பத்தின் மூலம் ஆற்றல் மாற்றத்தை அடிப்படையில் மாற்றுகின்றன:

• உயர் அலைவெண் பிரித்தல்: நடுத்தர அலைவெண் மின்மாற்றிகளை (MFTகள், பொதுவாக kHz அளவில்) பயன்படுத்தி, அளவு மற்றும் எடையை குறிப்பிடத்தக்க அளவில் குறைக்கிறது (கனஅளவு ∝ 1/f)

• முழுமையான கட்டுப்பாடு: தன்னியக்க/பின்னிணைப்பு சக்தியை தனித்தனியாக கட்டுப்படுத்துதல், மென்மையான மின்னழுத்த ஒழுங்குபடுத்தல், தவறான மின்னோட்ட வரம்பிடல் மற்றும் பிற மேம்பட்ட செயல்பாடுகளை இயக்குகிறது

• பல்துறை இடைமுகங்கள்: AC/AC, AC/DC, DC/DC மாற்றங்களை நெகிழ்வாக செயல்படுத்துகிறது, எதிர்கால AC/DC கலப்பு கிரிடுகளுக்கான ஒரு சிறந்த மையமாக இருக்கிறது

• அதிக சக்தி அடர்த்தி: இடம் மற்றும் எடை குறைபாடுகள் உள்ள பயன்பாடுகளுக்கு (இரயில் போக்குவரத்து, கப்பல்கள், தரவு மையங்கள்) ஏற்றது

2. SST முக்கிய தொழில்நுட்பங்களின் ஆழமான பகுப்பாய்வு

2.1 மைய மின்சார மாற்று உச்சவரிசைகள்

• டுவின் ஆக்டிவ் பிரிஜ் (DAB): மிகவும் பிரபலமான உச்சவரிசைகளில் ஒன்று. பிரிஜ்களுக்கு இடையேயான கட்ட நழுவலை கட்டுப்படுத்துவதன் மூலம் சக்தியை ஒழுங்குபடுத்துகிறது, இழப்புகளைக் குறைப்பதற்காக மென்மையான மாற்றுதலை (ZVS) அடைகிறது. அகலமான சக்தி கட்டுப்பாட்டு வரம்புகள் தேவைப்படும் பயன்பாடுகளுக்கு ஏற்றது.

• DC மின்மாற்றி (DCX): ஒரு "பாரம்பரிய மின்மாற்றி" போல, ஆக்டிவ் கட்டுப்பாட்டின்றி நிலையான மின்னழுத்த மாற்று விகிதங்களை அடைய அதிர்வெண்ணில் இயங்குகிறது. எளிய கட்டமைப்புடன் அதிக நம்பகத்தன்மை, ISOP போன்ற பல-மாட்யூல் தொடர்-உள்ளீட்டு அமைப்புகளுக்கு ஏற்றது, இயல்பான மின்னழுத்த சமநிலையை அடைய உதவுகிறது.

• மாடுலார் பல-அளவு மாற்றி (MMC): அதிக மின்னழுத்த மட்டங்களுக்கு ஏற்றது, மிகவும் மாடுலார், நல்ல மீண்டும் பெறும் திறன் மற்றும் உயர் தரமான வெளியீட்டு அலைவடிவங்களைக் கொண்டது, ஆனால் கட்டுப்பாடு மற்றும் கேப்பாசிட்டர் மின்னழுத்த சமநிலை வழிமுறைகள் சிக்கலானவை.

• வகைப்பாடு: ISOP, IFE, IBE போன்றவற்றை பொருத்தி, வெவ்வேறு பயன்பாட்டு தேவைகளுக்கு ஏற்ப பிரிக்கலாம்.

2.2 மின்சார குறைக்கடத்தி சாதனங்கள்

• SiC MOSFET: SST வளர்ச்சிக்கான முக்கிய இயக்கு சாதனம். அதன் அதிக உடைந்து போகும் புல வலிமை, வேகமான மாற்று வேகம் மற்றும் குறைந்த ஆன்-நிலை மின்தடை நடுத்தர மின்னழுத்தம், உயர் அலைவெண் பயன்பாடுகளுக்கு ஏற்றது. 10kV+ SiC சாதனங்கள் ஒற்றை சாதனங்கள் அல்லது சில தொடர் கட்டமைப்புகளுடன் நேரடி நடுத்தர மின்னழுத்த இடைமுகத்தை இயக்குகின்றன, மாட்யூல் எண்ணிக்கையைக் குறைத்து, "மாடுலாரிட்டி தண்டனை"யைக் குறைக்கின்றன.

• IGBT: தற்போது நடுத்தர மின்னழுத்த பயன்பாடுகளில் மிகவும் பரவலாக பயன்படுத்தப்படும் சாதனம், பரிசோதிக்கப்பட்ட தொழில்நுட்பம் மற்றும் ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த செலவு, ஆனால் மாற்று அலைவெண் மற்றும் செயல்திறன் பொதுவாக SiC ஐ விட பின்தங்கியுள்ளது.

2.3 நடுத்தர அலைவெண் மின்மாற்றி (MFT)

MFT ஆனது SSTகளின் மையம் மற்றும் வடிவமைப்பு சவாலைக் குறிக்கிறது:

• வடிவமைப்பு சவால்கள்: உயர் அலைவெண்களில் குறிப்பிடத்தக்க மின்னோட்ட இழப்புகள் மற்றும் அருகாமை விளைவுகள்; காப்பு தேவைகள் (பொதுவாக மின்னல் தாக்கத்தை தாங்கும் மட்டம் BIL) அலைவெண்ணுடன் குறையவில்லை, அளவிற்கான ஒரு கட்டுப்பாடாக மாறுகிறது; வெப்பம் சிதறல் மற்றும் காப்புக்கு இடையே சமரசங்கள் உள்ளன.

• பொருட்கள்: அலைவெண் மற்றும் சக்தி தரநிலைகளை பொறுத்து தேர்வு செய்யப்படும் சிலிக்கான் எஃகு, அமோர்பஸ் உலோகக்கலவைகள், நானோகிரிஸ்டலைன் பொருட்கள், ஃபெர்ரைட்கள் போன்றவை.

• அமைப்பு: கசிவு தூண்டல் மற்றும் பாராசிட்டிக் பண்புகளை கட்டுப்படுத்த உதவும் E-கோர் போன்ற ஷெல்-வகை அமைப்புகள் அதிகம் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

• குளிர்விப்பு: சிறந்த வடிவமைப்புகள் காற்று குளிர்விப்பை பயன்படுத்தலாம், அதிகபட்ச சக்தி அடர்த்தி திரவ குளிர்விப்பை (நீர்

  ஒருங்கிணைப்பு ஒருங்கிணைப்பு: உறுதியான பாதுகாப்பு தரநிலைகளை (எ.கா., IEC 62477-2) பூர்த்தி செய்ய வேண்டும், மேலும் உபகரணத்தின் அளவை தீர்மானிக்கும் முக்கிய காரணிகளாக ஊர்வு தூரம் மற்றும் தெளிவு உள்ளன.

• பாதுகாப்பு: நடுத்தர-வோல்டேஜ் கிரிடுகளில் மின்னல் தாக்கங்கள் மற்றும் குறுகிய சுற்றுகள் SSTகளை கடுமையாக பாதிக்கலாம். தேர்வுத்திறன், வேகம் மற்றும் நம்பகத்தன்மையை கருத்தில் கொள்ள வேண்டிய பாதுகாப்பு திட்டங்கள், எஸ்எஸ்டி உள்ளீட்டு தூண்மை மற்றும் குறைக்கடத்தி தேர்வை குறிப்பிடத்தக்க அளவில் பாதிக்கின்றன.

• நம்பகத்தன்மை: N+1 கட்டமைப்பு போன்ற பல-மாட்யூல் வடிவமைப்புகள் மீளுறுதியூட்டல் மூலம் அமைப்பு நம்பகத்தன்மையை மேம்படுத்தலாம். இருப்பினும், கட்டுப்பாட்டு அமைப்புகள் மற்றும் துணை மின்சார விநியோகங்கள் போன்ற மீளுறுதியூட்டாத பகுதிகள் அமைப்பு நம்பகத்தன்மைக்கான கழுத்துச்சுரங்களாக மாறலாம்.

3. தொழில்துறை பயன்பாட்டு சூழ்நிலைகள்

3.1 அடுத்த தலைமுறை ரயில் போக்குவரத்து இழுவை அமைப்புகள்

மிக ஆரம்பகால மற்றும் மிக முதிர்ச்சியடைந்த பயன்பாட்டுத் துறை. லோகோமோட்டிவுகளில் உள்ள லைன்-ஃப்ரீக்வென்சி இழுவை மாற்றிகளை மாற்றி, ஏசி-டிசி மாற்றத்தை செயல்படுத்துகிறது. 50% க்கும் அதிகமான எடை குறைப்பு, 2-4% திறன் மேம்பாடு மற்றும் இடம் சேமிப்பு ஆகியவை முக்கிய நன்மைகளாகும்.

3.2 புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றல் மற்றும் புதிய மின்சார வலைகள்

• காற்று/சூரியன்: காற்று டர்பைன்கள்/பிவி அணிகளுக்கான நடுத்தர-வோல்டேஜ் டிசி சேகரிப்பை சாத்தியமாக்குகிறது, கேபிள் இழப்புகள் மற்றும் செலவுகளைக் குறைத்து, ஹெச்விடிசி பரிமாற்ற ஒருங்கிணைப்பை எளிதாக்குகிறது.

• டிசி மைக்ரோகிரிடுகள்: ஏசி/டிசி மற்றும் டிசி/டிசி இடைமுகமாக செயல்படுகிறது, புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றல், சேமிப்பு மற்றும் சுமைகளுடன் ஆற்றல் மேலாண்மை திறனுடன் நெகிழ்வான ஒருங்கிணைப்பை சாத்தியமாக்குகிறது.

• ஸ்மார்ட் கிரிடுகள்: "ஆற்றல் ரவுட்டர்" ஆக செயல்படுகிறது, வோல்டேஜ் ஆதரவு, மின்சார தரம் ஒழுங்குபடுத்தல் மற்றும் இருதரப்பு மின்னோட்ட கட்டுப்பாட்டை வழங்குகிறது.

3.3 தரவு மைய மின்சார விநியோகம்

பாரம்பரிய "LFT + சர்வர் மின்சார விநியோகம்" கட்டமைப்பை மாற்றி, MVAC ஐ நேரடியாக LVDC (எ.கா., 48V) அல்லது மேலும் குறைந்த வோல்டேஜ்களுக்கு மாற்றுகிறது, மாற்றும் நிலைகளைக் குறைத்து, மொத்த திறனை மேம்படுத்துகிறது. சவால்: அதிக திறன் கொண்ட LFT+SiC செவ்வக தீர்வுகளுடன் ஒப்பிடும்போது தற்போதைய எஸ்எஸ்டி திறன் மற்றும் மின்சார அடர்த்தி நன்மைகள் இன்னும் தெளிவாக இல்லை, அதிக சிக்கல் மற்றும் செலவு உள்ளது.

3.4 மின்சார வாகன அல்ட்ரா-வேக சார்ஜிங் (XFC)

நடுத்தர-வோல்டேஜ் கிரிடுகளுடன் (10kV அல்லது 35kV) நேரடி இணைப்பு MW-அளவிலான சார்ஜிங் மின்சாரத்தை வழங்குகிறது, "காஸ் ஸ்டேஷன்-போன்ற" அனுபவத்தை சாத்தியமாக்குகிறது. உச்ச வெட்டு மற்றும் கிரிட் சேவைகளுக்கு (V2G) உள்ளூர் சேமிப்பு மற்றும் PV ஐ ஒருங்கிணைக்கும் ஆற்றல் ஹப்கள்.

3.5 பிற சிறப்பு பயன்பாடுகள்

• கடல் மின்சார இயந்திரம்: நடுத்தர-வோல்டேஜ் டிசி பரவல் அமைப்புகளில் பயன்படுத்தப்படுகிறது, ஜெனரேட்டர் சுமை பரவளையத்தை உகந்ததாக்கவும் ஆற்றல் சேமிப்பை ஒருங்கிணைக்கவும்.

• வானூர்தி மின்சார அமைப்புகள்: மிகவும் மின்சாரமயமாக்கப்பட்ட/முழுமையாக மின்சாரமயமாக்கப்பட்ட விமானங்களுக்கு இலகுவான, அதிக மின்சார அடர்த்தி கொண்ட மின்சார பரவல் தீர்வுகளை வழங்குகிறது.

• துறைமுக "கோல்டு ஐர்னிங்": துறையில் நிறுத்தப்பட்ட கப்பல்களுக்கு நடுத்தர-வோல்டேஜ் ஷோர் மின்சாரத்தை வழங்குகிறது, துணை இயந்திரங்களை நிறுத்த அனுமதிக்கிறது, உமிழ்வுகள் மற்றும் சத்தத்தைக் குறைக்கிறது.

4. சவால்கள் மற்றும் எதிர்கால ஆராய்ச்சி திசைகள்

4.1 தற்போதைய முக்கிய சவால்கள்

• அதிக செலவு: தற்போதைய எஸ்எஸ்டி மூலதன செலவு (CAPEX) பாரம்பரிய LFT தீர்வுகளை விட மிகவும் அதிகம்.

• தொகுதி தண்டனை: மாட்யூல் எண்ணிக்கை அதிகரிப்பது அமைப்பு அளவு, எடை மற்றும் சிக்கலில் நேரியல் அல்லாத வளர்ச்சியை ஏற்படுத்துகிறது, MFTகளின் அதிக மின்சார அடர்த்தி நன்மைகளை ஈடுகட்டுகிறது.

• திறன் கழுத்துச்சுரங்கு: பல-நிலை மாற்றம் (AC-DC + DC-DC + DC-AC) அதிக திறன் கொண்ட LFT (>99%) + அதிக திறன் கொண்ட மாற்றி (>99%) கலவைகளை விட மிகவும் சிறந்ததாக மாறுவதை கடினமாக்குகிறது.

• தரப்படுத்தல் மற்றும் நம்பகத்தன்மை: ஒருங்கிணைந்த தரநிலைகள் மற்றும் நீண்டகால புல இயக்க தரவு இல்லாமை; தொழில்துறையாக்கத்திற்கு நம்பகத்தன்மை சரிபார்ப்பு மற்றும் ஆயுட்கால முன்னறிவிப்பு முக்கியமானவை.

4.2 எதிர்கால ஆராய்ச்சி திசைகள்

• சாதனங்கள் மற்றும் பொருட்கள்: அதிக வோல்டேஜ் (>15kV) SiC சாதனங்களை உருவாக்கவும்; குறைந்த இழப்பு, அதிக வெப்ப கடத்துதிறன், அதிக காப்பு வலிமை கொண்ட புதிய பொருட்களை உருவாக்கவும்.

• தொலைநிலை மற்றும் ஒருங்கிணைப்பு: சுவிட்ச் எண்ணிக்கையைக் குறைக்க தொலைநிலைகளை உகப்பாக்கவும்; MMC போன்ற மேலும் சுருக்கமான கட்டமைப்புகளை ஆராயவும்; துணை அமைப்பு மற்றும் பாதுகாப்பு கனத்தைக் குறைக்க அமைப்பு-அளவிலான ஒருங்கிணைப்பு தொழில்நுட்பங்களை உருவாக்கவும்.

• செயல்படுத்தும் திட்டங்கள்: நேர்மையான மதிப்பீட்டிற்காக முழு-அளவு (முழு வோல்டேஜ், முழு மின்சாரம், முழு தரநிலைகள்) செயல்படுத்தும் திட்டங்களை உருவாக்கவும்.

• அமைப்பு ஆய்வுகள்: எஸ்எஸ்டியின் உண்மையான மதிப்பு வழங்கலை தெளிவுபடுத்த Total Cost of Ownership (TCO) மற்றும் Life Cycle Assessment (LCA) ஆய்வுகளை கொண்டு முழுமையான ஆய்வுகளை நடத்தவும்.

• சுற்றுச்சூழல் நிலைத்தன்மை: மின்னணு கழிவு சவால்களை எதிர்கொள்ள வடிவமைப்பு கட்டத்திலிருந்தே பழுதுபார்க்க முடியும், மறுசுழற்சி மற்றும் வட்டாரப் பொருளாதாரத்தை கருத்தில் கொள்ளவும்.

5. சுருக்கம் மற்றும் எதிர்பார்ப்பு

திறன் அளவுகோல் மாற்றி (SST) வழக்கமான மாற்றிகளுக்கு ஒரு பதிலாக மட்டுமல்ல, அது பல செயல்பாடுகளுடன், கட்டுப்பாட்டு முடிவு எடுக்கக்கூடிய, தீர்வு வலை முனையாகவும் இருக்கிறது. தற்போதைய செலவுகளும், வளர்ச்சிநிலையும் வழக்கமான தீர்வுகளுடன் முழுமையான போராட்டத்தை தடுக்கினாலும், அதன் செயல்பாட்டு வேறுபாடு, கட்டுப்பாட்டு திறன், மற்றும் DC வலைகளுக்கான இயல்பான ஆதரவு உணர்ச்சியான தாக்கங்களாக உள்ளன. எதிர்கால வளர்ச்சி பல்வேறு துறைகளின் (திறன் இலக்கியங்கள், பொருளாதாரம், உயர் வோல்ட்டு தனிப்பாதித்தல், வெப்ப மேலாளரியல், கட்டுப்பாடு) இணைப்பு மற்றும் தெளிவான பயன்பாட்டு அடிப்படையான அணுகுமுறைகளை தேவைப்படுத்துகிறது. துள்ளு அமைப்புகள், கடல் பயன்பாடுகள், மற்றும் DC சேகரிப்பு போன்ற குறிப்பிட்ட துறைகளில், SST-கள் மாறிலியாக மதிப்பு தெரிவித்துள்ளன. SiC தொழில்நுட்பத்தின் தொடர்ச்சியான முன்னேற்றங்களுடன், அமைப்பு புதுவல்லுறுத்தல்கள், மற்றும் அமைப்பு சீர்த்தல், SST-கள் அடுத்த பத்து வருடங்களில் அதிக அளவிலான பொருளாதார பயன்பாடுகளுக்கு விரிவாக விரிவாக வளர்ந்து போகிறது, திறனான, விரிவாக வேறுபட்ட, மற்றும் விண்டதான எதிர்கால எரிசக்தி அமைப்புகளை உருவாக்குவதற்கான அடிப்படை தொழில்நுட்பமாக ஆகிவிடும்.