शक्ति युक्तियाँ, DC-DC परिवर्तक, दिष्टकारी व इन्वर्टर

GATE विद्युत अभियांत्रिकी (EE) पेपर का खंड 10, और इस पाठ्यक्रम का अंतिम: वे अर्धचालक स्विच व परिवर्तक संरचनाएँ जो हर स्तर पर AC व DC शक्ति को जोड़ते हैं, लैपटॉप चार्जर से लेकर HVDC लिंक तक। थायरिस्टर, MOSFET व IGBT के स्थैतिक अभिलक्षण व गेटिंग आवश्यकताओं से आरंभ करें, वे तीन स्विच जिनसे इस खंड का हर परिवर्तक बना है; फिर DC-DC परिवर्तक जो DC वोल्टेज को ऊपर या नीचे बदलते हैं; फिर दिष्टकारी जो AC को DC में बदलते हैं, नियंत्रित या अनियंत्रित, तथा वे हार्मोनिक व शक्ति गुणांक दंड जो वे आपूर्ति पर लगाते हैं; और अंत में इन्वर्टर जो DC को वापस AC में बदलते हैं, तथा वह स्पंद-चौड़ाई मॉड्यूलेशन जो उनके निर्गम को आकार देती है।

1. थायरिस्टर, MOSFET व IGBT: स्थैतिक अभिलक्षण व गेटिंग

थायरिस्टर (SCR) एक लैचिंग युक्ति है: एक बार गेट स्पंद द्वारा (अग्र-बायसित रहते) चालन में ट्रिगर होने पर, यह गेट संकेत हटने के बाद भी चालन जारी रखता है, और तभी बंद होता है जब इसकी एनोड धारा एक छोटी होल्डिंग धारा से नीचे गिरे — यही ठीक कारण है कि थायरिस्टर परिपथों को युक्ति बंद करने हेतु एक विशिष्ट कम्युटेशन रणनीति (प्राकृतिक, स्वयं AC आपूर्ति से, या बलात्, एक सहायक परिपथ से) चाहिए, एक पूर्ण-नियंत्रणीय स्विच के विपरीत। MOSFET एक वोल्टेज-नियंत्रित युक्ति है (केवल गेट वोल्टेज इसकी अवस्था तय करता है, नगण्य स्थायी गेट धारा खींचते हुए) तेज़ स्विचिंग सहित पर प्रति युक्ति सीमित वोल्टेज/धारा संचालन के साथ, जबकि IGBT MOSFET के सरल वोल्टेज-नियंत्रित गेट को उच्च धारा पर बाइपोलर-जैसे निम्न चालन-पात से जोड़ता है, इसे मध्यम-से-उच्च शक्ति इन्वर्टरों हेतु मानक चुनाव बनाते हुए जहाँ सादा MOSFET का ऑन-प्रतिरोध बहुत अधिक क्षय करता और सादे BJT की बेस-ड्राइव बहुत जटिल होती।

तीन स्विच, एक नज़र में
युक्तिनियंत्रणबंद होना
थायरिस्टर (SCR)गेट स्पंद केवल ON ट्रिगर करता है; लैच होता हैकम्युटेशन (प्राकृतिक या बलात्) चाहिए, गेट-नियंत्रण नहीं
MOSFETगेट वोल्टेज, दोनों ओर पूर्ण-नियंत्रणीयगेट वोल्टेज हटाने पर — सीधे बंद हो जाता है
IGBTगेट वोल्टेज, दोनों ओर पूर्ण-नियंत्रणीयगेट वोल्टेज हटाने पर — सीधे बंद हो जाता है
⚠️ थायरिस्टर का गेट इसे बंद नहीं कर सकता
एक बार थायरिस्टर चालन में लैच हो जाए, गेट संकेत हटाने या उलटने का उसकी अवस्था पर बिल्कुल कोई प्रभाव नहीं — गेट का एकमात्र कार्य टर्न-ऑन आरंभ करना है। यह इस विषय में सबसे अधिक परखा जाने वाला वैचारिक जाल है: जो अभ्यर्थी थायरिस्टर को MOSFET जैसा मान ले (यह मानते हुए कि गेट-नियंत्रण दोनों ओर काम करता है) वह हर कम्युटेशन-परिपथ प्रश्न गलत करेगा, क्योंकि वे परिपथ विशेष रूप से बाह्य साधनों से एनोड धारा को होल्डिंग धारा से नीचे बाध्य करने हेतु बने हैं, जो अकेला गेट संकेत नहीं कर सकता।

2. DC-DC परिवर्तक: बक, बूस्ट व बक-बूस्ट

बक परिवर्तक DC वोल्टेज नीचे लाता है: सतत चालन में निर्गम-से-निवेश वोल्टेज अनुपात Vo/Vin = D है (स्विच ड्यूटी-चक्र, 0 से 1), अतः निर्गम सदा निवेश के बराबर या उससे कम होता है। बूस्ट परिवर्तक DC वोल्टेज ऊपर ले जाता है: Vo/Vin = 1/(1−D), सदा निवेश के बराबर या उससे अधिक, और D के 1 के निकट जाने पर तीव्रता से बढ़ते हुए (व व्यवहार में खराब रूप से नियमित होते हुए)। बक-बूस्ट परिवर्तक वोल्टेज को ऊपर या नीचे दोनों ले जा सकता है (शास्त्रीय संरचना में निवेश के सापेक्ष उलटी निर्गम ध्रुवता सहित): Vo/Vin = −D/(1−D), D < 0.5 हेतु परिमाण में 1 से कम व D > 0.5 हेतु 1 से अधिक — चिह्न वह मानक संकेत है जो इस संरचना के निर्गम को बक या बूस्ट के निर्गम से अलग करता है।

बक, बूस्ट व बक-बूस्ट, साथ-साथ
परिवर्तकVo/Vin (सतत चालन)परास
बकD — सूत्र0 से 1 (केवल स्टेप-डाउन)
बूस्ट1/(1-D) — सूत्र1 के बराबर या अधिक (केवल स्टेप-अप)
बक-बूस्ट-D/(1-D) — सूत्रपरिमाण में 1 के दोनों ओर, उलटी ध्रुवता
🎯 वोल्ट-सेकंड संतुलन ही यहाँ हर सूत्र के पीछे का एकमात्र विचार है
स्थायी-अवस्था आवर्ती परिचालन में, एक चक्र पर प्रेरक का औसत वोल्टेज ठीक शून्य होना चाहिए (अन्यथा इसकी धारा, और इस तरह इसकी संचित ऊर्जा, असीमित बढ़ती जाती) — यही एकल वोल्ट-सेकंड संतुलन शर्त, हर परिवर्तक की विशिष्ट स्विच-अवस्थाओं पर लागू, ऊपर के हर Vo/Vin सूत्र को व्युत्पन्न करती है; एक बार यह एक सिद्धांत समझ लेने पर उन्हें स्वतंत्र रूप से याद रखने की आवश्यकता नहीं।

3. दिष्टकारी, थायरिस्टर परिवर्तक व हार्मोनिक

अनियंत्रित दिष्टकारी (डायोड ब्रिज) किसी दी AC निवेश हेतु स्थिर DC निर्गम देता है, एकल-कला या त्रि-कला, और इसकी निर्गम-लहर आवृत्ति एकल-कला पूर्ण-तरंग हेतु आपूर्ति-आवृत्ति से 2 गुना व त्रि-कला पूर्ण-तरंग हेतु 6 गुना है — उच्च स्पंद-संख्या का सीधा अर्थ है उसी निर्गम-समतलता हेतु कम निस्यंदन प्रयास। कोई कला-नियंत्रित (थायरिस्टर) परिवर्तक हर थायरिस्टर के टर्न-ऑन में उस बिंदु के सापेक्ष जहाँ एक डायोड स्वाभाविक रूप से चालन करता, एक फायरिंग-कोण-alpha विलंब जोड़ता है, और यह एकल कोण औसत DC निर्गम को अधिकतम (alpha शून्य के निकट) से शून्य (शुद्ध प्रतिरोधी लोड हेतु alpha = 90 अंश) होते हुए ऋणात्मक मानों (90 अंश से आगे alpha) तक सतत रूप से बदलता है — एक ऋणात्मक औसत निर्गम वोल्टेज जबकि धारा अब भी उसी दिशा में बहती हो, ठीक वह इन्वर्टिंग विधा है जो उसी हार्डवेयर को DC पक्ष से AC पक्ष तक शक्ति वापस भेजने देती है।

ℹ️ लाइन-धारा हार्मोनिक व शक्ति गुणांक/विरूपण कारक का विभाजन
किसी दिष्टकारी की AC-पक्ष लाइन-धारा स्वाभाविक रूप से असाइनुसॉइडल है (यह हर थायरिस्टर या डायोड के चालन-अंतराल के दौरान ही खींची जाती है, सतत नहीं), अतः यह मूल आवृत्ति से परे हार्मोनिक वहन करती है। ऐसे लोड का समग्र शक्ति गुणांक दो स्वतंत्र कारकों में विभाजित होता है: विस्थापन कारक cos(phi1), जो लाइन-धारा के मूल घटक व आपूर्ति वोल्टेज के बीच फेज़ कोण का कोसाइन है (यही वह है जो फायरिंग-कोण विलंब सीधे बिगाड़ता है), और विरूपण कारक (मूल RMS धारा का कुल RMS धारा से अनुपात), जो अकेले हार्मोनिक सामग्री दर्शाता है — समग्र शक्ति गुणांक दोनों का गुणनफल है, अतः किसी परिवर्तक का विस्थापन पूर्ण (phi1 = 0) हो सकता है फिर भी विशुद्ध रूप से हार्मोनिक विरूपण से समग्र शक्ति गुणांक खराब हो सकता है।

4. वोल्टेज/धारा स्रोत इन्वर्टर व ज्या-तरंगी PWM

वोल्टेज स्रोत इन्वर्टर (VSI) एक दृढ़ DC वोल्टेज से पोषित है (एक बड़ा निस्यंदक संधारित्र DC-लिंक वोल्टेज को लगभग स्थिर रखता है) और इसके स्विच उस वोल्टेज की ध्रुवता को सीधे लोड पर थोपते हैं, अतः यह किसी भी लोड प्रतिबाधा को चला सकता है, खुले परिपथ सहित; धारा स्रोत इन्वर्टर (CSI) एक दृढ़ DC धारा से पोषित है (एक बड़ा श्रेणी प्रेरक DC-लिंक धारा को लगभग स्थिर रखता है) और इसके स्विच उस स्थिर धारा को लोड में निर्देशित करते हैं, अतः इसे सदा एक बंद धारा-पथ चाहिए और यह खुला परिपथ नहीं चला सकता। VSI व्यवहार में कहीं अधिक सामान्य हैं, छोटी ड्राइव से लेकर ग्रिड-संयोजित सौर इन्वर्टर तक, ठीक इसलिए क्योंकि अधिकांश लोड (किसी मोटर की स्टेटर वाइंडिंग सहित) स्वाभाविक रूप से किसी वोल्टेज स्रोत के साथ किसी बलात् धारा से अधिक संगत हैं।

🧠 ज्या-तरंगी PWM: मॉड्यूलेशन सूचकांक शॉर्टकट
ज्या-तरंगी PWM एक निम्न-आवृत्ति ज्या-तरंगी संदर्भ (वांछित निर्गम तरंगाकार) की तुलना उच्च-आवृत्ति त्रिकोणीय वाहक से करता है, जब भी संदर्भ वाहक से अधिक हो इन्वर्टर को चालू करते हुए — परिणामी स्पंद-प्रतिरूप का हर वाहक-चक्र पर औसत मान ज्या-तरंग का अनुसरण करता है, स्विचिंग-आवृत्ति हार्मोनिकों को मूल आवृत्ति से दूर धकेलते हुए जहाँ उन्हें आसानी से निस्यंदित किया जा सके। मॉड्यूलेशन सूचकांक ma = (संदर्भ का शिखर) / (वाहक का शिखर) निर्गम आयाम को सीधे नियंत्रित करता है: ma <= 1 रैखिक परास में रहता है जहाँ मूल निर्गम वोल्टेज ma के अनुक्रमानुपाती है, जबकि ma > 1 (अतिमॉड्यूलेशन) रैखिकता का व्यापार एक उच्चतर प्राप्य मूल हेतु करता है, अंततः अधिकतम संभव मूल निर्गम पर वर्ग-तरंग (छह-चरण) परिचालन तक पहुँचते हुए।

मुख्य बिंदु

  • थायरिस्टर का गेट इसे केवल ON कर सकता है; इसे बंद करने हेतु कम्युटेशन (प्राकृतिक या बलात्) चाहिए क्योंकि युक्ति लैच करती है — MOSFET या IGBT के विपरीत, जो गेट वोल्टेज हटाकर सीधे बंद हो जाते हैं।
  • हर बक/बूस्ट/बक-बूस्ट सूत्र एक ही विचार से व्युत्पन्न होता है: स्थायी अवस्था में एक चक्र पर प्रेरक का औसत वोल्टेज शून्य है (वोल्ट-सेकंड संतुलन)।
  • कला-नियंत्रित परिवर्तक का फायरिंग कोण alpha निर्गम को अधिकतम से शून्य होते हुए ऋणात्मक (इन्वर्टिंग) तक सतत बदलता है — अपरिवर्तित धारा-दिशा सहित ऋणात्मक औसत निर्गम वह है जो AC पक्ष को शक्ति वापस भेजता है।
  • समग्र शक्ति गुणांक विस्थापन कारक (मूल कला) गुणा विरूपण कारक (हार्मोनिक सामग्री) है — पूर्ण विस्थापन अकेले हार्मोनिकों से खराब समग्र शक्ति गुणांक के साथ भी सह-अस्तित्व में रह सकता है।
  • VSI (दृढ़ DC वोल्टेज) खुले परिपथ सहित किसी भी लोड को चला सकता है; CSI (दृढ़ DC धारा) को सदा एक बंद धारा-पथ चाहिए — यही कारण है कि VSI व्यावहारिक इन्वर्टर अनुप्रयोगों पर हावी हैं।

अभ्यास प्रश्न (9)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. एक बार थायरिस्टर अपने गेट द्वारा चालन में ट्रिगर हो जाए, इसे बंद किया जा सकता है

    1. गेट स्पंद हटाकर
    2. गेट वोल्टेज उलटकर
    3. कम्युटेशन द्वारा इसकी एनोड धारा को होल्डिंग धारा से नीचे घटाकर
    4. गेट धारा और बढ़ाकर
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — कम्युटेशन द्वारा इसकी एनोड धारा को होल्डिंग धारा से नीचे घटाकर

    थायरिस्टर एक बार ट्रिगर होने पर लैच करता है, और गेट का उसकी अवस्था पर आगे कोई प्रभाव नहीं — केवल एनोड धारा को होल्डिंग धारा से नीचे घटाना (प्राकृतिक या बलात् कम्युटेशन द्वारा) इसे बंद करता है, जो इस विषय में सबसे अधिक परखा जाने वाला मानक तथ्य है।

  2. मध्यम-से-उच्च शक्ति इन्वर्टर हेतु IGBT को सादे शक्ति MOSFET पर मुख्यतः क्यों वरीयता दी जाती है

    1. यह किसी भी MOSFET से तेज़ स्विच करता है
    2. इसे बिल्कुल किसी गेट ड्राइव परिपथ की आवश्यकता नहीं
    3. यह वोल्टेज-नियंत्रित गेट को उच्च धारा पर निम्न चालन-पात से जोड़ता है, बाइपोलर युक्ति की तरह
    4. इसे केवल कम्युटेशन से बंद किया जा सकता है, थायरिस्टर की तरह
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — यह वोल्टेज-नियंत्रित गेट को उच्च धारा पर निम्न चालन-पात से जोड़ता है, बाइपोलर युक्ति की तरह

    IGBT की संरचना MOSFET के सरल वोल्टेज-नियंत्रित गेट को उच्च धारा-घनत्व पर बाइपोलर-जैसे निम्न अग्र-पात से जोड़ती है, जिसे सादे MOSFET का चैनल-प्रतिरोध उच्च शक्ति पर नहीं दे सकता — यह टर्न-ऑन व टर्न-ऑफ दोनों हेतु पूर्णतः गेट-नियंत्रणीय है, थायरिस्टर के विपरीत।

  3. 0.4 ड्यूटी-चक्र D पर 20 V निवेश वोल्टेज सहित चलता बक परिवर्तक निर्गम वोल्टेज (सतत चालन) देता है

    1. 8 V
    2. 20 V
    3. 33.3 V
    4. 50 V
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — 8 V

    Vo = D * Vin = 0.4 * 20 = 8 V — बक परिवर्तक का निर्गम सदा उसके निवेश के बराबर या उससे कम होता है, जो बड़े विकल्पों को तुरंत ख़ारिज कर देता है; वे बड़े मान इसके बजाय संभाव्य बूस्ट-परिवर्तक निर्गम होते।

  4. बक, बूस्ट व बक-बूस्ट DC-DC परिवर्तकों के विषय में निम्न में से कौन-से सही ढंग से सत्य हैं

    1. बूस्ट परिवर्तक का निर्गम सदा उसके निवेश के बराबर या उससे अधिक होता है।
    2. बक-बूस्ट परिवर्तक एक ही संरचना से निवेश से अधिक या कम दोनों निर्गम उत्पन्न कर सकता है।
    3. हर DC-DC परिवर्तक सूत्र अंततः स्थायी अवस्था में प्रेरक के वोल्ट-सेकंड संतुलन से व्युत्पन्न होता है।
    4. बक परिवर्तक अपने निवेश से अधिक निर्गम वोल्टेज उत्पन्न कर सकता है।
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — बूस्ट परिवर्तक का निर्गम सदा उसके निवेश के बराबर या उससे अधिक होता है।; B — बक-बूस्ट परिवर्तक एक ही संरचना से निवेश से अधिक या कम दोनों निर्गम उत्पन्न कर सकता है।; C — हर DC-DC परिवर्तक सूत्र अंततः स्थायी अवस्था में प्रेरक के वोल्ट-सेकंड संतुलन से व्युत्पन्न होता है।

    पहले तीन सभी सही ढंग से सत्य हैं। बक परिवर्तक का D केवल 0 से 1 तक होता है, अतः Vo/Vin = D कभी 1 से अधिक नहीं हो सकता — बक परिवर्तक वोल्टेज को ऊपर नहीं ले जा सकता, यह इसके बजाय ठीक बूस्ट परिवर्तक का कार्य है।

  5. 50 Hz आपूर्ति हेतु, एकल-कला पूर्ण-तरंग दिष्टकारी के निर्गम की लहर आवृत्ति है

    1. 50 Hz
    2. 100 Hz
    3. 25 Hz
    4. 300 Hz
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — 100 Hz

    एकल-कला पूर्ण-तरंग दिष्टकारी प्रति निवेश-चक्र दो निर्गम-स्पंद उत्पन्न करता है (हर अर्ध-चक्र से एक, दोनों समान ध्रुवता में दिष्ट), अतः लहर आवृत्ति आपूर्ति-आवृत्ति से दोगुनी है: 2 * 50 = 100 Hz; त्रि-कला पूर्ण-तरंग ब्रिज इसके बजाय आपूर्ति-आवृत्ति से 6 गुना, 300 Hz देता।

  6. कला-नियंत्रित थायरिस्टर परिवर्तक का फायरिंग कोण alpha 90 अंश से अधिक होना (धारा अब भी उसी दिशा में बहती हुई) परिवर्तक को किसमें ले जाता है

    1. उच्च निर्गम सहित दिष्टकारी विधा
    2. इन्वर्टिंग विधा, DC पक्ष से AC पक्ष को शक्ति वापस भेजते हुए
    3. स्थायी रूप से बंद अवस्था
    4. लघुपथ-संरक्षण विधा
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — इन्वर्टिंग विधा, DC पक्ष से AC पक्ष को शक्ति वापस भेजते हुए

    alpha = 90 अंश (शुद्ध प्रतिरोधी लोड संदर्भ हेतु) से आगे, औसत DC निर्गम वोल्टेज ऋणात्मक हो जाता है जबकि धारा उसी दिशा में जारी रहती है — एक ऋणात्मक वोल्टेज गुणा धनात्मक धारा का अर्थ है शक्ति DC पक्ष से बाहर व AC पक्ष में बहती है, यही ठीक कला-नियंत्रित परिवर्तक की इन्वर्टिंग विधा है।

  7. किसी परिवर्तक का समग्र शक्ति गुणांक उसके विस्थापन कारक व उसके किसके गुणनफल के बराबर है

    1. दक्षता
    2. विरूपण कारक
    3. फायरिंग कोण
    4. ड्यूटी-चक्र
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — विरूपण कारक

    समग्र शक्ति गुणांक = विस्थापन कारक (मूल धारा के फेज़ कोण का कोसाइन) गुणा विरूपण कारक (मूल RMS धारा भाग कुल RMS धारा) — किसी परिवर्तक का विस्थापन कोण शून्य हो सकता है फिर भी विशुद्ध रूप से हार्मोनिक विरूपण से समग्र शक्ति गुणांक खराब हो सकता है।

  8. धारा स्रोत इन्वर्टर (CSI) को, वोल्टेज स्रोत इन्वर्टर (VSI) के विपरीत, सदा क्या चाहिए

    1. अपने DC-लिंक के आर-पार एक बड़ा निस्यंदक संधारित्र
    2. लोड पर एक बंद धारा-पथ, और यह खुला परिपथ नहीं चला सकता
    3. केवल एकांक शक्ति गुणांक पर परिचालित होना
    4. केवल थायरिस्टर प्रयोग करना, कभी MOSFET या IGBT नहीं
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — लोड पर एक बंद धारा-पथ, और यह खुला परिपथ नहीं चला सकता

    CSI एक दृढ़ DC धारा स्रोत (बड़ा श्रेणी प्रेरक) से पोषित है, और इसके स्विचों को सदा उस स्थिर धारा को कहीं निर्देशित करना चाहिए — लोड पर खुला परिपथ धारा हेतु कोई मार्ग नहीं छोड़ेगा, जो VSI (वोल्टेज स्रोत, खुले परिपथ सहित किसी भी प्रतिबाधा को खुशी से चलाने वाला) नहीं भुगतता। बड़ा DC-लिंक संधारित्र VSI की अपनी अभिलाक्षणिक विशेषता है, CSI की नहीं।

  9. ज्या-तरंगी PWM में, मॉड्यूलेशन सूचकांक ma संदर्भ संकेत के शिखर को वाहक संकेत के शिखर से भाग देकर परिभाषित है। यदि संदर्भ शिखर 8 V व वाहक शिखर 10 V हो, तो ma बराबर है ___

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 0.8

    ma = 8/10 = 0.8, जो रैखिक परास (ma <= 1) के भीतर है, अतः इस परिचालन-बिंदु पर मूल निर्गम वोल्टेज ma के सीधे अनुक्रमानुपाती रहता है, अतिमॉड्यूलेशन में प्रवेश करने के बजाय।