Ultra-High-Power Density of LLC Transformer Based on Unbalanced-flux Magnetics Approach

हमारे उपकरणों को चार्ज करने वाले और हमारे डेटा केंद्रों को चलाने वाले पावर सप्लाई के भीतर, दशकों से स्थान को लेकर एक शांत युद्ध लड़ा जा रहा है। लक्ष्य सरल है: एक छोटे से बॉक्स में अधिक विद्युत शक्ति को समाहित करना। वर्षों तक, इंजीनियरों का मानना था कि इन कन्वर्टर्स के भीतर भारी, बड़े घटकों को छोटा करने का एकमात्र तरीका बिजली को अविश्वसनीय रूप से तेजी से, मेगाहर्ट्ज रेंज में चालू और बंद करना है। यह उच्च-गति स्विचिंग चुंबकीय कोर—ट्रांसफॉर्मर के लोहे या सिरेमिक हृदय—को बहुत छोटा करने की अनुमति देती है। हालांकि, यह दृष्टिकोण एक दीवार से टकरा गया है। जब स्विचिंग बहुत तेज हो जाती है, तो चुंबकीय सामग्री बहुत गर्म हो जाती है और ऊर्जा को कुशलतापूर्वक ले जाने की अपनी क्षमता खो देती है। डिवाइस को जलने से बचाने के लिए, इंजीनियरों को चुंबकीय तीव्रता को कम करने के लिए मजबूर होना पड़ा, जो विडंबना यह है कि उन आकार की बचत को ही रद्द कर देता है जिसकी वे उम्मीद कर रहे थे। परिणाम एक ऐसा सिस्टम है जो कुशल तो है लेकिन जिद्दी रूप से बड़ा है, जिसमें पावर डेंसिटी, या एक क्यूबिक सेंटीमीटर में पैक की गई शक्ति, वर्षों से लगभग स्थिर बनी हुई है।

मिड स्वीडन यूनिवर्सिटी के एक शोधकर्ता ने अब आगे बढ़ने का एक अलग रास्ता दिखाया है, जो गति के प्रति जुनून को नजरअंदाज करता है और इसके बजाय इस बात पर ध्यान केंद्रित करता है कि चुंबकीय सामग्री स्वयं कैसे आकार लेती है। उन्होंने 1-किलोवाट पावर कनवर्टर के लिए एक प्रोटोटाइप ट्रांसफॉर्मर बनाया है जो 230 वॉट प्रति क्यूबिक सेंटीमीटर की पावर डेंसिटी प्राप्त करता है। यह मानक उच्च-आवृत्ति डिजाइनों में पाए जाने वाले घनत्व से तीन गुना अधिक है। उन्होंने इसे बिजली को तेजी से स्विच करके हासिल नहीं किया; उन्होंने इसे चुंबकीय कोर की ज्यामिति (geometry) को बदलकर किया ताकि यह अत्यधिक गर्म हुए बिना एक बहुत मजबूत चुंबकीय क्षेत्र को ले जा सके। परिणाम एक ऐसा उपकरण है जो काफी छोटा और हल्का है, फिर भी उच्च दक्षता बनाए रखता है, जो यह सिद्ध करता है कि पावर इलेक्ट्रॉनिक्स को छोटा करने की कुंजी इस बात में नहीं है कि हम कितनी तेजी से स्विच करते हैं, बल्कि इसमें है कि हम चुंबकीय सामग्री को कैसे व्यवस्थित करते हैं।

शोधकर्ता, जिनका नेतृत्व सोभी बारग (Sobah Barg) कर रहे हैं, 'अनबैलेंस्ड-फ्लक्स मैग्नेटिक्स' नामक एक अवधारणा पर काम कर रहे हैं। इस सफलता को समझने के लिए, सबसे पहले पारंपरिक समस्या को समझना होगा। एक मानक ट्रांसफॉर्मर में, चुंबकीय कोर एक समान लूप होता है। जब इसके चारों ओर लिपटे तारों से बिजली बहती है, तो एक चुंबकीय क्षेत्र बनता है। यदि क्षेत्र बहुत मजबूत है, तो कोर गर्म हो जाता है और ऊर्जा बर्बाद करता है। यदि क्षेत्र बहुत कमजोर है, तो ट्रांसफॉर्मर आवश्यक शक्ति वहन करने के लिए बहुत बड़ा हो जाता है। लंबे समय तक, समाधान उच्च स्विचिंग गति को मेगाहर्ट्ज रेंज तक बढ़ाना था, जिसने छोटे कोर के उपयोग की अनुमति दी। लेकिन जैसे-जैसे गति बढ़ी, चुंबकीय सामग्री से उत्पन्न होने वाली गर्मी भी बढ़ गई, जिससे इंजीनियरों को पिघलने से बचने के लिए चुंबकीय क्षेत्र को कमजोर करने के लिए मजबूर होना पड़ा। इसने एक निराशाजनक ट्रेड-ऑफ पैदा किया जहां उच्च गति का अर्थ कम क्षमता था।

नया दृष्टिकोण इस विचार को खारिज करता है कि चुंबकीय क्षेत्र को पूरे कोर में समान होना चाहिए। इसके बजाय, शोधकर्ता कोर को दो अलग-अलग कार्यों वाले दो विशिष्ट क्षेत्रों में विभाजित करते हैं। एक क्षेत्र, सक्रिय क्षेत्र (active region), ऊर्जा को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने के लिए अधिकतम संभव चुंबकीय क्षेत्र ले जाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। दूसरा क्षेत्र, निष्क्रिय क्षेत्र (passive region), उस गर्मी और नुकसान को संभालने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो अनिवार्य रूप से होता है। इन कार्यों को अलग करके, टीम सक्रिय भाग को उसकी पूर्ण सीमा तक धकेल सकी बिना इस चिंता के कि पूरा उपकरण अत्यधिक गर्म हो जाएगा। यह एक हाईवे की तरह है जहाँ तेज़ लेन को ट्रैफिक के लिए खाली रखा जाता है, जबकि शोल्डर (कंधे) को किसी भी दुर्घटना या धीमेपन को सोखने के लिए चौड़ा किया जाता है, जिससे मुख्य प्रवाह सुचारू रूप से चलता रहता है। इस डिजाइन में, "शोल्डर" चुंबकीय कोर का एक बड़ा, अनुकूलित हिस्सा है जो गर्मी को प्रभावी ढंग से फैलाता है, जिससे "फास्ट लेन" पहले की तुलना में बहुत अधिक भार ले सकती है।

इस सिद्धांत का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ता ने 1-किलोवाट कनवर्टर का एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया, जो एक छोटा उपकरण चलाने या इलेक्ट्रिक वाहन की बैटरी चार्ज करने के लिए पर्याप्त शक्ति देने में सक्षम है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के सर्किट का उपयोग किया जिसे LLC कनवर्टर कहा जाता है, जो उच्च-दक्षता वाले पावर सप्लाई में आम है, और इसे दो एकीकृत चुंबकीय कोरों से बने ट्रांसफॉर्मर से लैस किया। उनके डिजाइन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा कोर के बाहरी हिस्से और केंद्रीय हिस्से के बीच का अनुपात था। इस तकनीक के अपने पहले प्रयास में, अनुपात बिल्कुल सही नहीं था, जिससे प्रदर्शन सीमित हो गया। इस दूसरे प्रयोग के लिए, उन्होंने ज्यामिति को इस तरह समायोजित किया कि बाहरी हिस्सा केंद्रीय हिस्से से लगभग 1.23 गुना बड़ा था। उन्होंने पाया कि इस विशिष्ट आकार ने गर्मी को बहुत अधिक प्रभावी ढंग से निकलने दिया, जिससे ट्रांसफॉर्मर को उच्च पावर डेंसिटी के लिए आवश्यक तीव्र चुंबकीय क्षेत्रों को संभालने में सक्षम बनाया।

परिणाम तत्काल और मापने योग्य थे। उनके द्वारा बनाए गए ट्रांसफॉर्मर ने केवल 4.78 क्यूबिक सेंटीमीटर का आयतन (volume) घेरा। अपने 1.1 किलोवाट के शिखर आउटपुट पर, इस छोटे से घटक ने 230 वॉट प्रति क्यूबिक सेंटीमीटर की पावर डेंसिटी हासिल की। इसे संदर्भ में रखने के लिए, इसी तरह के अनुप्रयोगों में विशिष्ट उच्च-आवृत्ति ट्रांसफॉर्मर आमतौर पर 55 और 70 वॉट प्रति क्यूबिक सेंटीमीटर के बीच प्रबंधित करते हैं। नया डिजाइन लगभग तीन गुना अधिक घना है। इसके अलावा, डिवाइस ने आकार के लिए दक्षता का त्याग नहीं किया। आधे पावर पर, कनवर्टर ने 96.07 प्रतिशत की दक्षता प्राप्त की, जिसका अर्थ है कि बहुत कम ऊर्जा गर्मी के रूप में नष्ट हुई। अपने पूरे 1 किलोवाट की निर्धारित शक्ति पर भी, इसने 95.3 प्रतिशत की दक्षता बनाए रखी। ये संख्याएं महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे दिखाती हैं कि नया डिजाइन न केवल घटक को छोटा करता है; बल्कि यह वास्तव में इसके काम करने के तरीके में सुधार करता है।

शोधकर्ता ने गर्मी के व्यवहार पर भी बारीकी से ध्यान दिया। हाई-पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में, गर्मी दुश्मन है। यदि कोई घटक बहुत गर्म हो जाता है, तो वह विफल हो जाता है। टीम ने बिजली को कम 100 वات से बढ़ाकर अधिकतम 1.1 किलोवाट तक करते हुए अपने ट्रांसफॉर्मर के तापमान को देखने के लिए थर्मल कैमरों का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि तापमान एक अनुमानित, रैखिक (linear) तरीके से बढ़ा, जो एक स्थिर और अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए सिस्टम का संकेत है। 1 किलोवाट की निर्धारित शक्ति पर, ट्रांसफॉर्मर ने लगभग 83 डिग्री सेल्सियस का तापमान प्राप्त किया। यह एक सुरक्षित ऑपरेटिंग तापमान है जिसे एक साधारण पंखे से प्रबंधित किया जा सकता है। जब उन्होंने इसकी तुलना अपने पिछले प्रोटोटाइप और क्षेत्र के अन्य डिजाइनों से की, तो सुधार स्पष्ट था। नई ज्यामिति ने गर्मी को इतनी प्रभावी ढंग से फैलाने की अनुमति दी कि ट्रांसफॉर्मर उनके द्वारा देखे गए किसी भी तुलनीय डिजाइन की तुलना में अधिक ठंडा चल सका और अधिक शक्ति संभाल सका।

एक अन्य प्रमुख निष्कर्ष सिस्टम के माध्यम से बहने वाली विद्युत धारा का व्यवहार था। कई उच्च-आवृत्ति डिजाइनों में, करंट बहुत अधिक स्पाइक करता है, जिससे घटकों पर तनाव पड़ता है और अक्षमता आती है। शोधकर्ता ने अपने नए ट्रांसफॉर्मर में करंट को मापा और पाया कि पीक्स (peaks) अन्य हाई-पावर डिजाइनों की तुलना में बहुत कम और सुचारू थे। इस सुचारू प्रवाह का अर्थ है स्विच और चुंबकीय कोर पर कम तनाव, जो डिवाइस की उच्च दक्षता और विश्वसनीयता में योगदान देता है। टीम ने यह भी नोट किया कि उनका डिजाइन 350 किलोहर्ट्ज की स्विचिंग फ्रीक्वेंसी पर अच्छी तरह से काम करता है, जो तेज तो है लेकिन उस चरम मेगाहर्ट्ज रेंज में नहीं है जो अक्सर इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरफेरेंस का कारण बनता है। यह सुझाव देता है कि नए दृष्टिकोण का उपयोग विविध प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जा सकता है, जिसमें वे भी शामिल हैं जो मेगाहर्ट्ज डिजाइनों के लिए आवश्यक नाजुक सॉफ्ट-स्विचिंग तकनीकों पर निर्भर नहीं करते हैं।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक छोटा बॉक्स बनाने से कहीं अधिक हैं। शोधकर्ता ने प्रदर्शित किया कि अनबैलेंस्ड-फ्लक्स अवधारणा केवल एक विशिष्ट प्रकार के सर्किट तक सीमित नहीं है। हालांकि उनका प्रोटोटाइप एक LLC कनवर्टर था, लेकिन चुंबकीय कोर को सक्रिय और निष्क्रिय क्षेत्रों में विभाजित करने का मूल सिद्धांत अन्य प्रकार के पावर कन्वर्टर्स पर भी लागू किया जा सकता है, जिनमें वे भी शामिल हैं जो सॉफ्ट के बजाय हार्ड स्विच करते हैं। यह औद्योगिक मशीनरी से लेकर उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स तक, प्रौद्योगिकियों की एक विस्तृत श्रृंखला में पावर सप्लाई को छोटा करने का द्वार खोलता है। टीम ने इस बात पर जोर दिया कि उनकी सफलता किसी विदेशी नई सामग्रियों या जटिल निर्माण प्रक्रियाओं के उपयोग से नहीं आई, बल्कि चुंबकीय कोर को आकार देने की मौलिक पुनर्कल्पना से आई है। उन्होंने मानक चुंबकीय सामग्रियों और मानक विनिर्माण तकनीकों का उपयोग किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि सफलता हार्डवेयर के बजाय डिजाइन दर्शन में थी।

आगे देखते हुए, शोधकर्ता भविष्य में और अधिक सुधार के लिए एक स्पष्ट रास्ता देखते हैं। वे जांच करने की योजना बना रहे हैं कि क्या वे उच्च चुंबकीय फ्लक्स डेंसिटी को बनाए रखते हुए स्विचिंग फ्रीक्वेंसी को बढ़ाकर पावर डेंसिटी को और भी अधिक बढ़ा सकते हैं। वे अनबैलेंस्ड-फ्लक्स अवधारणा को ड्यूटी-साइकिल-नियंत्रित कन्वर्टर्स पर भी लागू करने का इरादा रखते हैं, जो कई पावर सिस्टम में आम हैं। लक्ष्य पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के आकार को छोटा करना जारी रखना है जबकि उन्हें ठंडा और कुशल बनाए रखना है। फिलहाल, प्रोटोटाइप एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' के रूप में खड़ा है: एक ट्रांसफॉर्मर जो वर्तमान मानक से तीन गुना अधिक घना है, उच्च दक्षता पर चल रहा है, और यह सिद्ध कर रहा है कि पावर डेंसिटी की सीमाएं स्विच की गति से नहीं, बल्कि चुंबकीय कोर के आकार से तय होती हैं। यह कार्य सुझाव देता है कि कॉम्पैक्ट पावर इलेक्ट्रॉनिक्स का भविष्य केवल तेजी से जाने के बारे में नहीं है, बल्कि बॉक्स के अंदर के स्थान के बारे में अलग तरह से सोचने के बारे में है।