पावर इलेक्ट्रॉनिक कन्वर्टर्स (पीईसी) स्विचिंग सर्किट संरचनाएं हैं जिनका उपयोग टिकाऊ परिवहन, ऊर्जा भंडारण प्रबंधन, स्मार्ट ग्रिड व्यवस्था और नवीकरणीय ऊर्जा रूपांतरण जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए कुशल ऊर्जा रूपांतरण प्रणालियों को साकार करने के लिए किया जाता है। विद्युत सर्किट का यह परिवार मुख्य रूप से अर्धचालक-आधारित इलेक्ट्रॉनिक स्विच का उपयोग करके विद्युत ऊर्जा को आवृत्ति/वर्तमान/वोल्टेज के एक स्तर से दूसरे स्तर में परिवर्तित करता है।
पीईसी सिस्टम में कई स्विचिंग टोपोलॉजी होती हैं, जिनमें से प्रत्येक विशिष्ट एप्लिकेशन से संबंधित होती हैं। के बीच हालिया सुधार पीईसी प्रौद्योगिकियों में बहु-स्तरीय कनवर्टर्स (एमएलसी) और अनुनाद कनवर्टर्स पर ध्यान केंद्रित किया जाता है।
बहु-स्तरीय कन्वर्टर्स
एमएलसी में कैपेसिटर वोल्टेज स्रोतों और पावर अर्धचालकों की एक श्रृंखला होती है जो चरण-तरंग आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करती है। स्विच का कम्यूटेशन कैपेसिटर वोल्टेज को जोड़ने की अनुमति देता है और आउटपुट पर उच्च वोल्टेज उत्पन्न करता है। ‘मल्टी-लेवल’ शब्द की शुरुआत तीन-स्तरीय कनवर्टर की शुरुआत के साथ हुई। कनवर्टर के भीतर स्तरों की संख्या बढ़ाने से, आउटपुट वोल्टेज में कम हार्मोनिक विरूपण के साथ सीढ़ी तरंग उत्पन्न करने वाले चरणों की संख्या बढ़ जाती है।
फिर भी उच्च संख्या में स्तर नियंत्रण जटिलता को बढ़ा सकते हैं और वोल्टेज असंतुलन की समस्याएँ पैदा कर सकते हैं। एमएलसी टोपोलॉजी विभिन्न श्रेणियों में विकसित हुई हैं, जिनमें कैस्केड मल्टीसेल कनवर्टर, फ्लाइंग कैपेसिटर मल्टीसेल कनवर्टर, स्टैक्ड मल्टीसेल कनवर्टर और न्यूट्रल पॉइंट क्लैम्प्ड (एनपीसी) कनवर्टर शामिल हैं।
हाइब्रिड-प्रकार की टोपोलॉजी वाले कन्वर्टर्स ने हाल के वर्षों में महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है। उदाहरण के लिए, पांच-स्तरीय हाइब्रिड सक्रिय एनपीसी (एएनपीसी), हाइब्रिड-क्लैम्प्ड एमएलसी, सात-स्तरीय एमएलसी, नेस्टेड एमएलसी और डुअल-फ्लाइंग-कैपेसिटर एमएलसी और इसका सामान्य संस्करण पारंपरिक एमएलसी से कई प्रकार की उप-टोपोलॉजी से प्राप्त किया गया है, जिससे हाइब्रिड कॉन्फ़िगरेशन और इष्टतम प्रदर्शन होता है।
बढ़ी हुई आउटपुट गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए फ्लाइंग कैपेसिटर कोशिकाओं को एएनपीसी/एनपीसी सर्किट में इष्टतम रूप से जोड़ा जा सकता है। इसी तरह, वाइड-बैंडगैप स्विच को अपनाया गया है और यह उच्च आवृत्ति पर काम करते हैं, जबकि सिलिकॉन-आधारित स्विच लाइन आवृत्ति पर काम करते हैं। इस प्रकार, दोनों प्रकार के स्विचों का उपयोग करके इष्टतम बिजली हानि वितरण का एहसास किया जा सकता है।
मॉड्यूलर मल्टीलेवल कनवर्टर और मल्टीलेवल या स्विच-कैपेसिटर-आधारित मॉड्यूल के साथ कैस्केड एच-ब्रिज टोपोलॉजी हाइब्रिड-प्रकार टोपोलॉजी के अन्य उदाहरण हैं। रिड्यूस्ड-स्विच-अकाउंट टोपोलॉजी विभिन्न टोपोलॉजी तकनीकों को एकीकृत करती है।
इनमें से कुछ में उच्च इनपुट-आउटपुट वोल्टेज अनुपात को संभालने के लिए वोल्टेज बूस्टिंग और वोल्टेज स्व-संतुलन क्षमता के साथ स्विच-कैपेसिटर तकनीक की सुविधा है। ऐसी तकनीक को आवासीय फोटोवोल्टिक प्रणालियों और छोटे पैमाने की बैटरी प्रणालियों सहित विशिष्ट ग्रिड-कनेक्शन अनुप्रयोगों में प्राथमिकता दी जा सकती है, जहां कम वोल्टेज डीसी को मानक एसी वोल्टेज में परिवर्तित किया जाना चाहिए।
हालाँकि, कम अतिरेक और उपकरणों पर असमान तनाव के कारण कम विश्वसनीयता और मुश्किल थर्मल प्रबंधन आवश्यकताएँ हो सकती हैं। इस तकनीक को बाज़ार में प्रवेश करने से पहले कुछ महत्वपूर्ण चुनौतियों से पार पाना होगा।
एमएलसी, विशेष रूप से टी-टाइप एनपीसी कनवर्टर, फ्लाइंग कैपेसिटर-क्लैंप कनवर्टर और तीन-स्तरीय एएनपीसी कनवर्टर, धीरे-धीरे इलेक्ट्रिक वाहन ड्राइव और बिजली आपूर्ति जैसे कम वोल्टेज अनुप्रयोगों में स्वीकार किए जा रहे हैं।
हाल की तकनीक एमएलसी को एकीकृत सर्किट में एकीकृत करने की भी अनुमति देती है। उदाहरण के लिए, फ्लाइंग-कैपेसिटर टोपोलॉजी को MERUS एकीकृत मल्टीलेवल ऑडियो एम्पलीफायर आईसी में लागू किया गया है, जो कम पावर रेंज में भी संगीत प्रवर्धन अनुकूलन को सक्षम बनाता है।
लो-वोल्टेज परिदृश्यों के लिए कई टोपोलॉजी पर पुनर्विचार किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, उच्च/मध्यम-वोल्टेज अनुप्रयोगों में डिवाइस वोल्टेज/वर्तमान रेटिंग महत्वपूर्ण है। इसके विपरीत, कम वोल्टेज अनुप्रयोगों में बिजली घनत्व और उच्च दक्षता प्राथमिक उद्देश्य हैं।
मल्टीपोर्ट कनवर्टर सर्किट, डिफरेंशियल पावर प्रोसेसर और सक्रिय ऊर्जा बफर जैसी उभरती तकनीकें कम-वोल्टेज परिदृश्यों में उपयुक्त हो सकती हैं और बेहतर प्रदर्शन के लिए एमएलसी में एकीकृत की जा सकती हैं।
गुंजयमान कन्वर्टर्स
गुंजयमान कन्वर्टर्स कैपेसिटर और इंडक्टर्स की गुंजयमान क्रिया का उपयोग करके ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं। वे स्विचिंग हानियों को कम करके उच्च शक्ति घनत्व और दक्षता उत्पन्न कर सकते हैं।
स्विचिंग आवृत्ति पर एक दूसरे की तुलना करने पर गुंजयमान टैंक का आउटपुट वोल्टेज और करंट साइनसॉइड होते हैं। गुंजयमान टैंक का लाभ उसके द्वितीयक पक्ष पर लागू भार और आवृत्ति के आधार पर उतार-चढ़ाव होता है।
श्रृंखला अनुनाद कनवर्टर, समानांतर अनुनाद कनवर्टर और श्रृंखला-समानांतर (एलएलसी) अनुनाद कनवर्टर प्रमुख अनुनाद कनवर्टर टोपोलॉजी हैं। एक श्रृंखला अनुनाद कनवर्टर अनुनाद संधारित्र और अनुनाद प्रारंभ करनेवाला के साथ श्रृंखला में लोड को जोड़ता है। इसके विपरीत, अनुनाद संधारित्र को समानांतर अनुनाद कनवर्टर में लोड के समानांतर रखा जाता है।
श्रृंखला-समानांतर टोपोलॉजी श्रृंखला और समानांतर सर्किट दोनों के फायदों को जोड़ती है, जिसमें लोड के रूप में गुंजयमान धारा का समायोजन, कैपेसिटर फिल्टर की वर्तमान तरंग पर कम आवश्यकताएं, स्थिर नो-लोड ऑपरेशन और डीसी अलगाव शामिल हैं। यह टोपोलॉजी वोल्टेज समायोजन और सॉफ्ट-स्विचिंग रेंज में लाभ प्रदान करती है।
उच्च दक्षता, विस्तृत आउटपुट रेंज, विद्युत अलगाव, चुंबकीय एकीकरण, कम विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई), हार्मोनिक प्रदूषण और बढ़ी हुई प्रदर्शन विशेषताएं एलएलसी अनुनाद कन्वर्टर्स के सबसे बड़े फायदे हैं। आधे-पुल या पूर्ण-पुल टोपोलॉजी दृष्टिकोण का उपयोग करके, पावर स्विच को अंतर्निहित एलएलसी कनवर्टर्स में बनाया जा सकता है।
हाफ-ब्रिज एलएलसी रेज़ोनेंट कनवर्टर, फुल-ब्रिज एलएलसी रेज़ोनेंट कनवर्टर और तीन-स्तरीय (टीएल) एलएलसी रेज़ोनेंट कनवर्टर औद्योगिक अनुप्रयोगों में उपयोग की जाने वाली लोकप्रिय एलएलसी रेज़ोनेंट टोपोलॉजी हैं। हाफ-ब्रिज एलएलसी और टीएल-एलएलसी कन्वर्टर्स का उपयोग ऑनबोर्ड पावर ग्रिड और बैटरी चार्जर्स में किया जाता है, जबकि फुल-ब्रिज एलएलसी कन्वर्टर्स का उपयोग एक्स-रे मशीन बिजली आपूर्ति और फोटोवोल्टिक सिस्टम में किया जाता है।
पीईसी का उपयोग करके ऊर्जा रूपांतरण
बुनियादी बूस्ट कनवर्टर टोपोलॉजी की सीमा आदर्श कनवर्टर की तुलना में वास्तविक कनवर्टर ऑपरेशन द्वारा प्राप्त होने वाला स्टेप-अप लाभ है। बूस्ट कनवर्टर के लाभ को और बढ़ाने के लिए, स्विच की संख्या में वृद्धि किए बिना तीन वाइंडिंग-युग्मित इंडक्टर्स का उपयोग किया जा सकता है। यह समाधान प्राप्य स्टेप-अप वोल्टेज को बढ़ा सकता है और संचालित एकल स्विच पर वोल्टेज तनाव को कम कर सकता है।
सॉफ्ट स्विचिंग तकनीक फोटोवोल्टिक प्रणाली के साथ पावर कनवर्टर इंटरफेसिंग की ऊर्जा रूपांतरण दक्षता में सुधार कर सकती है। इस डिज़ाइन दृष्टिकोण के आधार पर एक अतिरिक्त अनुनाद सेल का उपयोग करके एक उन्नत सॉफ्ट-स्विच्ड बूस्ट-टाइप कनवर्टर विकसित किया गया है।
सर्किटल टोपोलॉजी को एज रेज़ोनेंस स्विच्ड-कैपेसिटर बूस्ट कनवर्टर के रूप में नामित किया गया है। इस बूस्ट सर्किट में एक अनुनाद संधारित्र, कुछ सहायक डायोड, एक सहायक स्विच और युग्मित अनुनाद प्रेरक होते हैं।
घुमावदार मोड़ अनुपात के आधार पर, युग्मित प्रेरक डीसी-डीसी कनवर्टर का लाभ बढ़ाते हैं। आमतौर पर प्रदर्शन और लागत की डिजाइन बाधाओं और कम हार्मोनिक विरूपण के साथ तरंग की गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए एसी ग्रिड में तीन-स्तरीय एनपीसी कनवर्टर का उपयोग किया जाता है।
सिस्टम गड़बड़ी अस्वीकृति क्षमता को बढ़ाने के लिए एनपीसी कन्वर्टर्स के अनुप्रयोग के लिए एक अभिन्न स्लाइडिंग-मोड नियंत्रण-आधारित प्रत्यक्ष पावर नियंत्रण रणनीति विकसित की गई है।
चुनौतियाँ और शमन तकनीकें
उच्च कनवर्टर विश्वसनीयता और दक्षता को साकार करने में कई चुनौतियाँ अभी भी मौजूद हैं। उदाहरण के लिए, आधुनिक पीईसी पारंपरिक पीईसी की तुलना में उच्च आवृत्तियों पर काम करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप चरण स्विचिंग के दौरान वर्तमान और वोल्टेज में परिवर्तन की उच्च दर होती है।
यह अधिक गंभीर विकिरणित और संचालित ईएमआई उत्पन्न करता है। इस समस्या के समाधान के लिए नियंत्रण रणनीति अनुकूलन, उच्च परिरक्षण, सर्किट टोपोलॉजी में बदलाव और बफर सर्किट/सक्रिय फिल्टर/हाइब्रिड फिल्टर/निष्क्रिय फिल्टर का उपयोग सहित विभिन्न ईएमआई शमन तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है।
उदाहरण के लिए, कम ईएमआई मॉड्यूलेशन विधियां कम आवृत्ति वाली एमएमसी ईएमआई को कम करने के लिए प्रभावी हैं। इसी तरह, हाइब्रिड ईएमआई फ़िल्टर विस्तृत बैंडविड्थ पर ईएमआई शोर को कम करते हैं। यद्यपि मॉड्यूलेशन रणनीतियाँ हस्तक्षेप स्रोत के शोर को प्रभावी ढंग से कम करती हैं, वे सिस्टम आउटपुट तरंग गुणवत्ता को प्रभावित कर सकती हैं और डेडज़ोन प्रभाव के प्रति संवेदनशील होती हैं।
इस प्रकार, एक मॉड्यूलेशन रणनीति विकसित करना जो डेडज़ोन प्रभाव प्रभाव को कुशलतापूर्वक समाप्त करता है और आउटपुट वर्तमान हार्मोनिक विशेषताओं और वोल्टेज उपयोग दर को प्रभावित नहीं करता है, ईएमआई शमन प्रदर्शन में सुधार के लिए आवश्यक है।
पीईसी में प्रगति से दक्षता, विश्वसनीयता और बिजली घनत्व में महत्वपूर्ण सुधार हुआ है। एमएलसी और रेज़ोनेंट कन्वर्टर्स सबसे आशाजनक टोपोलॉजी में से एक हैं, हाइब्रिड-प्रकार के एमएलसी और एलएलसी रेज़ोनेंट कन्वर्टर्स विशेष ध्यान आकर्षित कर रहे हैं। ईएमआई जैसी चुनौतियों के बावजूद, चल रहे अनुसंधान और विकास प्रयास इन मुद्दों को संबोधित कर रहे हैं ताकि विभिन्न अनुप्रयोगों में पीईसी को व्यापक रूप से अपनाया जा सके।
देखें: उन्नत पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के माध्यम से भविष्य के लिए तैयार पारिस्थितिकी तंत्र
