HV-Bus-Assisted Flyback Converter With Only One Additional Active Switch for Leakage- Energy Recycling and Full-Range Soft Switching

बिजली की आधुनिक दुनिया में, बिजली अक्सर अपने गंतव्य तक पहुँचने के लिए एक उच्च-वोल्टेज राजमार्ग के साथ यात्रा करती है, जबकि वे उपकरण जो वास्तव में इसका उपयोग करते हैं—कंप्यूटर, सेंसर और नियंत्रक—उन्हें बहुत ही कोमल, कम-वोल्टेज करंट की आवश्यकता होती है। इस अंतर को पाटने के लिए, इंजीनियर विशेष सर्किट का उपयोग करते हैं जो वोल्टेज को कम करते हैं और, महत्वपूर्ण रूप से, खतरनाक झटकों को रोकने के लिए कम-वोल्टेज वाले हिस्से को उच्च-वोल्टेज वाले हिस्से से अलग (आइसोलेट) करते हैं। इस काम के लिए सबसे आम उपकरणों में से एक 'फ्लाईबैक कनवर्टर' नामक उपकरण है। यह उद्योग का एक विश्वसनीय कार्यवाहक है, जिसे अपनी सरलता और कम लागत के लिए सराहा जाता है, लेकिन इसमें एक निरंतर दोष रहता है। इसके चुंबकीय हृदय के भीतर, ऊर्जा की एक सूक्ष्म मात्रा 'लीकेज इंडक्टेंस' नामक अंतराल में फंस जाती है। जब मुख्य स्विच बंद होता है, तो इस फंसी हुई ऊर्जा के पास जाने के लिए कोई रास्ता नहीं होता और यह सीधे स्विच से टकराती है, जिससे एक हिंसक वोल्टेज स्पाइक पैदा होता है। सर्किट की सुरक्षा के लिए, इंजीनियर आमतौर पर एक सुरक्षा वाल्व जोड़ते हैं जो इस अतिरिक्त ऊर्जा को केवल गर्मी के रूप में जलाकर नष्ट कर देता है, जिससे शक्ति बर्बाद होती है और सिस्टम कम कुशल हो जाता है।

ताइवान के नेशनल काओशुंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने बिना जटिल पुर्जे जोड़े इस बर्बाद ऊर्जा को संभालने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। उन्होंने फ्लाईबैक कनवर्टर का एक संशोधित संस्करण डिजाइन किया है जो सिस्टम में पहले से मौजूद उच्च-वोल्टेज पावर लाइन का उपयोग करके उस फंसी हुई ऊर्जा को पुनर्चक्रित (रिसायकल) करता है। ऊर्जा को गर्मी के रूप में नष्ट होने देने के बजाय, उनका सर्किट इसे वापस उच्च-वोल्टेज बस की ओर निर्देशित करता है, जहाँ इसका फिर से उपयोग किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण न केवल बर्बाद शक्ति को पुनः प्राप्त करता है, बल्कि स्विचिंग प्रक्रिया को भी सुगम बनाता है, जिससे मुख्य इलेक्ट्रॉनिक स्विच लगभग बिना किसी विद्युत घर्षण के चालू और बंद हो पाता है। टीम ने इस नए कनवर्टर के तीन कामकाजी मॉडल बनाए और उनका परीक्षण किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह स्वतंत्र रूप से कार्य कर सकता है, ऊर्जा को पुनर्चक्रित कर सकता है और विभिन्न पावर स्तरों पर कुशलता से चल सकता है।

इस नवाचार का मूल आधार यह है कि शोधकर्ताओं ने कनवर्टर के आसपास के वातावरण का उपयोग कैसे किया। कई आधुनिक प्रणालियों में, जैसे कि इलेक्ट्रिक वाहनों या डेटा केंद्रों में पाए जाने वाले सिस्टम, एक बैटरी के साथ एक हाई-वोल्टेज डायरेक्ट करंट बस चलती है। नया कनवर्टर, जिसे लेखक 'HV-बस-असिस्टेड फ्लाईबैक कंवर्टर' कहते हैं, सीधे बैटरी से जुड़ता है लेकिन उस हाई-वोल्टेज बस से संवाद करने के लिए एक अतिरिक्त घटक का उपयोग करता है। इसके सबसे सरल रूप में, यह अतिरिक्त घटक केवल एक डायोड है, जो बिजली के लिए एक एक-तरफा वाल्व की तरह काम करता है। जब मुख्य स्विच बंद होता है, तो यह डायोड फंसी हुई लीकेज ऊर्जा के लिए उच्च-वोल्टेज लाइन की ओर वापस बहने का मार्ग खोल देता है, बजाय इसके कि वह जलकर नष्ट हो जाए। यह क्रिया वोल्टेज स्पाइक को नियंत्रित करती है, स्विच की रक्षा करती है और उस ऊर्जा को पुनः प्राप्त करती है जो अन्यथा नष्ट हो जाती।

हालाँकि, शोधकर्ताओं को एहसास हुआ कि उस साधारण डायोड को एक सक्रिय रूप से नियंत्रित स्विच से बदलकर वे और भी बेहतर कर सकते हैं। इस स्विच को सटीक क्षणों पर चालू और बंद करके, वे मुख्य स्विच के चालू होने से ठीक पहले चुंबकीय घटक के माध्यम से विपरीत दिशा में करंट का एक छोटा हिस्सा प्रवाहित करने के लिए मजबूर कर सकते हैं। यह विपरीत करंट एक स्प्रिंग पर धीरे से दबाव डालने वाले हाथ की तरह कार्य करता है, जो स्विच पर बनने वाले विद्युत आवेश को डिस्चार्ज कर देता है। यह मुख्य स्विच को तब चालू करने की अनुमति देता है जब इसके पार वोल्टेज पहले से ही शून्य होता है, जिसे 'जीरो-वोल्टेज स्विचिंग' की स्थिति कहा जाता है। जब एक स्विच शून्य वोल्टेज के साथ चालू होता है, तो यह लगभग कोई गर्मी उत्पन्न नहीं करता है और बहुत कम विद्युत शोर (नॉइज़) पैदा करता है, जो पारंपरिक तरीकों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है जहाँ स्विच को उच्च वोल्टेज के विरुद्ध संघर्ष करना पड़ता है।

अपने सिद्धांत को सिद्ध करने के लिए, टीम ने तीन भौतिक प्रोटोटाइप बनाए, जिनमें से प्रत्येक 200 वॉट की क्षमता वाला था, और आउटपुट वोल्टेज क्रमशः 12, 24 और 48 वोल्ट थे। उन्होंने इन मॉड्यूल को 400 वोल्ट पर सेट किए गए एक सामान्य हाई-वोल्टेज बस और एक बैटरी से जोड़ा जो 120 से 150 वोल्ट के बीच बदलती रहती थी। सेटअप में बैटरी और हाई-वोल्टेज बस के बीच बिजली के प्रवाह को प्रबंधित करने के लिए एक अलग द्विदिश (बाइडायरेक्शनल) कनवर्टर भी शामिल था, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि नए फ्लाईबैक मॉड्यूल शेष सिस्टम के साथ हस्तक्षेप किए बिना स्वतंत्र रूप से कार्य कर सकें। प्रयोगों ने दिखाया कि मॉड्यूल बिल्कुल वैसे ही काम करते हैं जैसा अनुमान लगाया गया था। जब मुख्य स्विच चालू हुआ, तो इसके पार वोल्टेज वास्तव में शून्य था, जो सॉफ्ट-स्विचिंग क्षमता की पुष्टि करता है। लीकेज ऊर्जा को सफलतापूर्वक हाई-वोल्टेज बस की ओर पुनर्निर्देशित किया गया, और लोड के तेजी से बदलने या बैटरी वोल्टेज के उतार-चढ़ाव के बावजूद आउटपुट वोल्टेज स्थिर रहा।

प्रदर्शन के परिणामों को सटीकता के साथ मापा गया। जब सहायक स्विच का उपयोग केवल एक डायोड के रूप में किया गया, तो कनवर्टर्स ने 12-वोल्ट मॉडल के लिए 87.2 प्रतिशत, 24-वोल्ट मॉडल के लिए 92.6 प्रतिशत और 48-वोल्ट मॉडल के लिए 95.3 प्रतिशत की फुल-लोड दक्षता प्राप्त की। जब शोधकर्ताओं ने जीरो-वोल्टेज स्विचिंग को सक्षम करने के लिए सहायक स्विच के पूर्ण नियंत्रण को सक्रिय किया, तो दक्षता में और सुधार हुआ। 12-वोल्ट मॉड्यूल 89.6 प्रतिशत, 24-वोल्ट मॉड्यूल 94.2 प्रतिशत और 48-वोल्ट मॉड्यूल ने 96.1 प्रतिशत की दक्षता हासिल की। ये संख्याएँ दर्शाती हैं कि हालांकि सक्रिय नियंत्रण थोड़ी जटिलता जोड़ता है, लेकिन स्विचिंग नुकसान में कमी सिस्टम को अधिक कुशल बनाती है, विशेष रूप से उच्च पावर स्तरों पर। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि आउटपुट डायोड सिस्टम में ऊर्जा हानि का सबसे बड़ा स्रोत बना रहा, विशेष रूप से निचले वोल्टेज वाले मॉडलों में जहाँ करंट अधिक होता है, लेकिन कुल लाभ पर्याप्त थे।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक सिस्टम की स्वतंत्र रूप से कार्य करने की क्षमता थी। तीनों अलग-अलग वोल्टेज मॉड्यूल एक ही पावर बस पर साथ-साथ चल रहे थे, और एक पर लोड बदलने से दूसरे पर कोई प्रभाव नहीं पड़ा। यह सुझाव देता है कि डिज़ाइन अत्यधिक मॉड्यूलर है, जिसका अर्थ है कि इंजीनियर पूरे सर्किट को फिर से डिजाइन किए बिना या घटकों के बीच जटिल अंतःक्रियाओं की चिंता किए बिना आसानी से सिस्टम में अधिक इकाइयाँ जोड़ सकते हैं। कंट्रोल सिस्टम, जिसे एक सिंगल माइक्रोकंट्रोलर द्वारा प्रबंधित किया गया था, बैटरी वोल्टेज को 120 से 150 वोल्ट तक बढ़ाने सहित सभी स्थितियों में आउटपुट वोल्टेज को सफलतापूर्वक नियंत्रित करने में सफल रहा। ट्रांजिएंट रिस्पॉन्स, यानी बिजली की मांग में अचानक बदलाव के प्रति सिस्टम कितनी तेजी से प्रतिक्रिया करता है, बहुत तेज़ था और कुछ मिलीसेकंड में स्थिर हो गया।

अध्ययन ने उनके डिज़ाइन की तुलना अन्य मौजूदा समाधानों से भी की जो लीकेज ऊर्जा को पुनर्चक्रित करने या सॉफ्ट स्विचिंग प्राप्त करने का प्रयास करते हैं। उनमें से कई विकल्पों के लिए कई अतिरिक्त स्विच, कैपेसिटर या इंडक्टर्स की आवश्यकता होती है, जिससे सर्किट की लागत, आकार और जटिलता बढ़ जाती है। इसके विपरीत, नया डिज़ाइन केवल एक अतिरिक्त सक्रिय स्विच और एक डायोड के साथ अपने लक्ष्यों को प्राप्त करता है, जिससे घटकों की संख्या कम रहती है। हालाँकि कुछ अन्य कनवर्टर्स ने परिष्कृत नियंत्रण की आवश्यकता वाले जटिल सिंक्रोनस रेक्टिफिकेशन तकनीकों का उपयोग करके विशिष्ट परीक्षणों में थोड़ी उच्च दक्षता दिखाई है, फिर भी यह नया दृष्टिकोण एक संतुलित समाधान प्रदान करता है। यह उस सरल, कम लागत वाली संरचना को बनाए रखता है जो फ्लाईबैक कवलर्टर्स को लोकप्रिय बनाती है, साथ ही ऊर्जा पुनर्चक्रण और सॉफ्ट स्विचिंग के प्रदर्शन लाभ भी जोड़ता है।

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि यह HV-बस-असिस्टेड दृष्टिकोण उन प्रणालियों में आइसोलेटेड पावर कन्वर्जन के लिए एक व्यावहारिक, कम लागत वाला समाधान प्रदान करता है जहाँ एक हाई-वोल्टेज बस और एक बैटरी सह-अस्तित्व में होते हैं। लीकेज ऊर्जा को पुनर्चक्रित करके और सॉफ्ट स्विचिंग को सक्षम करके, यह डिज़ाइन गर्मी के उत्पादन और विद्युत शोर को कम करता है, जो औद्योगिक पावर सप्लाई, फैक्ट्री वितरण सिस्टम और बैटरी स्टोरेज सेटअप के लिए महत्वपूर्ण कारक हैं। तीनों मॉड्यूल का सफल परीक्षण यह सिद्ध करता है कि सिद्धांत वास्तविक दुनिया में भी प्रभावी है, जो अत्यधिक जटिलता के बोझ के बिना अधिक कुशल और मजबूत पावर इलेक्ट्रॉनिक्स की ओर एक मार्ग प्रशस्त करता है। यह कार्य इस बात का स्पष्ट उदाहरण है कि कैसे एक क्लासिक सर्किट में एक छोटा, लक्षित संशोधन प्रदर्शन और दक्षता में महत्वपूर्ण सुधार ला सकता है।