डीसी फास्ट चार्जर के घटकों का चयन: स्विचिंग, सुरक्षा और पावर रूपांतरण आवश्यकताओं का मिलान

घटकों का चयन चार्जर की विद्युत संरचना से शुरू होता है।

एक डीसी फास्ट चार्जर में एक सिंगल पावर सर्किट के बजाय कई इलेक्ट्रिकल चरण होते हैं।

चार्जर के डिज़ाइन के आधार पर, विद्युत पथ में निम्नलिखित शामिल हो सकते हैं:

एसी इनपुट → रेक्टिफिकेशन/पीएफसी → डीसी लिंक → डीसी-डीसी रूपांतरण → आउटपुट स्विचिंग → वाहन बैटरी

इस मुख्य विद्युत पथ के चारों ओर सहायक विद्युत आपूर्ति, नियंत्रण परिपथ, संचार इंटरफेस, संवेदन परिपथ और सुरक्षा कार्य स्थित हैं।

प्रत्येक अनुभाग अपने घटकों पर अलग-अलग आवश्यकताएं लागू करता है।

उदाहरण के लिए, पीएफसी चरण में उपयोग होने वाले पावर सेमीकंडक्टर का मूल्यांकन सहायक परिपथ में उपयोग होने वाले रिले से अलग तरीके से किया जाता है। इसी प्रकार, डीसी-लिंक कैपेसिटर की आवश्यकताएं आउटपुट कनेक्टर या करंट सेंसर से भिन्न होती हैं।

इसी कारणवश, कंपोनेंट का चयन तब अधिक उपयोगी होता है जब इसकी शुरुआत किसी सामान्य उत्पाद श्रेणी के बजाय प्रत्येक सर्किट के कार्य से की जाती है।

पावर सेमीकंडक्टर्स: डिवाइस को स्विचिंग स्टेज से मिलाएं

डीसी फास्ट चार्जर में पावर सेमीकंडक्टर सबसे महत्वपूर्ण घटकों में से एक हैं।

टोपोलॉजी और पावर लेवल के आधार पर, चार्जर आईजीबीटी, सिलिकॉन एमओएसएफईटी, एसआईसी एमओएसएफईटी, डायोड या एकीकृत पावर मॉड्यूल का उपयोग कर सकता है।

SiC उपकरणों का उपयोग उच्च-शक्ति चार्जिंग में तेजी से बढ़ रहा है क्योंकि इनकी स्विचिंग और चालन विशेषताएँ उच्च दक्षता और शक्ति घनत्व को बनाए रखने में सक्षम हैं। उद्योग के मानक डिज़ाइन अब DC फास्ट चार्जिंग के लिए SiC-आधारित PFC और DC-DC चरणों को कवर करते हैं।

लेकिन केवल इसलिए SiC डिवाइस का चयन करना कि चार्जर "उच्च शक्ति" वाला है, पर्याप्त नहीं है।

इंजीनियरों को सामान्यतः निम्नलिखित का मूल्यांकन करने की आवश्यकता होती है:

• अवरोधक वोल्टेज
• निरंतर और चरम धारा
• आवृत्ति बदलना
• चालन हानि
• स्विचिंग हानि
• गेट-ड्राइव आवश्यकताएँ
• थर्मल रेज़िज़टेंस
• शॉर्ट-सर्किट क्षमता
• पैकेजिंग और माउंटिंग संबंधी आवश्यकताएँ

सही उपकरण का चयन विशिष्ट स्विचिंग टोपोलॉजी और ऑपरेटिंग पॉइंट पर निर्भर करता है।

हाई-फ्रीक्वेंसी डीसी-डीसी स्टेज के लिए चुना गया उपकरण चार्जर के किसी अन्य भाग के लिए सबसे अच्छा विकल्प नहीं हो सकता है।

डीसी-लिंक कैपेसिटर: विद्युत तनाव मायने रखता है

डीसी-लिंक कैपेसिटर प्रमुख रूपांतरण चरणों के बीच स्थित होता है और मध्यवर्ती डीसी बस को स्थिर करने में मदद करता है।

इसके चयन में धारिता से कहीं अधिक कारक शामिल होते हैं।

महत्वपूर्ण मापदंडों में निम्नलिखित शामिल हो सकते हैं:

• रेटेड वोल्टेज
• वर्तमान लहर
• ESR
• तापमान रेटिंग
• जीवनभर
• धारिता सहनशीलता
• यांत्रिक आयाम
• माउंटिंग विधि

उच्च रिपल करंट अतिरिक्त आंतरिक ताप उत्पन्न कर सकता है, जबकि उच्च परिचालन तापमान कैपेसिटर के जीवनकाल को प्रभावित कर सकता है।

यह विशेष रूप से कॉम्पैक्ट हाई-पावर चार्जिंग मॉड्यूल में महत्वपूर्ण हो जाता है जहां पावर घनत्व बढ़ रहा है।

उपयुक्त नाममात्र वोल्टेज वाला संधारित्र भी अनुपयुक्त हो सकता है यदि उसकी रिपल-करंट क्षमता या तापीय जीवनकाल वास्तविक परिचालन स्थितियों से मेल नहीं खाता हो।

प्रेरक और चुंबकीय घटक: प्रेरकत्व से परे देखें

चार्जिंग सिस्टम के कई हिस्सों में इंडक्टर का उपयोग किया जाता है, जिसमें पीएफसी, फ़िल्टरिंग और डीसी-डीसी रूपांतरण शामिल हैं।

नाममात्र प्रेरकत्व मान चयन प्रक्रिया का केवल एक हिस्सा है।

इंजीनियरों को निम्नलिखित बातों पर भी विचार करने की आवश्यकता हो सकती है:

• संतृप्ति धारा
• आरएमएस धारा
• कोर हानि
• तांबे की हानि
• आवृत्ति बदलना
• तापमान वृद्धि
• डीसी प्रतिरोध
• यांत्रिक आकार

स्विचिंग आवृत्ति और शक्ति घनत्व बढ़ने के साथ, चुंबकीय हानि और तापीय व्यवहार का महत्व बढ़ता जाता है।

यही कारण है कि निष्क्रिय घटकों का मूल्यांकन चयनित स्विचिंग उपकरणों के साथ मिलकर किया जाना चाहिए, न कि उन्हें स्वतंत्र भागों के रूप में माना जाना चाहिए।

स्विचिंग और प्रोटेक्शन कंपोनेंट्स के चयन के लिए अलग-अलग मापदंड आवश्यक हैं।

एक डीसी फास्ट चार्जर को नियंत्रित स्विचिंग के साथ-साथ फॉल्ट प्रोटेक्शन की भी आवश्यकता होती है।

ये कार्य आपस में संबंधित हैं, लेकिन इन्हें एक दूसरे के स्थान पर उपयोग नहीं किया जा सकता है।

एक स्विचिंग डिवाइस का उपयोग सामान्य संचालन के दौरान सर्किट को जोड़ने या डिस्कनेक्ट करने के लिए किया जा सकता है, जबकि एक फ्यूज या अन्य सुरक्षा उपकरण असामान्य करंट स्थितियों को बाधित करने के लिए बनाया जा सकता है।

डीसी स्विचिंग घटकों के लिए, इंजीनियरों को निम्नलिखित का मूल्यांकन करने की आवश्यकता हो सकती है:

• सिस्टम वोल्टेज
• निरंतर धारा
• स्विचिंग करंट
• भार विशेषताएँ
• बाढ़ की स्थिति
• आवृत्ति बदलना
• विद्युत सहनशीलता
• अलगाव की आवश्यकताएँ
• पर्यावरणीय परिस्थितियाँ

सुरक्षा घटकों के लिए, मूल्यांकन निम्नलिखित पर केंद्रित हो सकता है:

• रेटेड वोल्टेज
• वर्तमान मूल्यांकित
• बाधित करने की क्षमता
• उपलब्ध दोष धारा
• पूर्व-आर्किंग विशेषताएँ
• डाउनस्ट्रीम घटकों के साथ समन्वय
• स्थापना तापमान

इसलिए, समान नाममात्र धारा रेटिंग का मतलब यह नहीं है कि दो घटक विनिमेय हैं।

करंट और वोल्टेज सेंसिंग नियंत्रण प्रणाली को सहायता प्रदान करते हैं।

फास्ट चार्जर बिजली रूपांतरण को नियंत्रित करने और परिचालन स्थितियों की निगरानी करने के लिए माप पर निर्भर करते हैं।

करंट और वोल्टेज सेंसर निम्नलिखित के लिए फीडबैक प्रदान कर सकते हैं:

• विद्युत रूपांतरण नियंत्रण
• उत्पादन विनियमन
• ओवरकरंट का पता लगाना
• दोष निगरानी
• ऊर्जा माप
• चार्जर नियंत्रक के साथ संचार

सेंसर का चयन करते समय वास्तविक माप सीमा, सटीकता, प्रतिक्रिया समय, अलगाव की आवश्यकताएं और परिचालन वातावरण को ध्यान में रखना चाहिए।

उच्च-शक्ति वाले डीसी सिस्टम के लिए, सेंसर को करंट पथ की भौतिक और विद्युत व्यवस्था के अनुरूप भी होना चाहिए।

कागज़ पर अच्छी माप सटीकता वाला कोई घटक भी एकीकरण संबंधी समस्याएं पैदा कर सकता है यदि उसकी स्थापना विधि, इन्सुलेशन या थर्मल व्यवहार चार्जर के डिज़ाइन से मेल नहीं खाता हो।

पृथक्करण और नियंत्रण घटक विद्युत प्रणाली का हिस्सा हैं।

पावर स्टेज डीसी फास्ट चार्जर का केवल एक हिस्सा है।

आवश्यक विद्युत पृथक्करण बनाए रखते हुए नियंत्रण बोर्डों को विद्युत उपकरणों के साथ संचार करने की आवश्यकता होती है।

आर्किटेक्चर के आधार पर, सिस्टम में निम्नलिखित शामिल हो सकते हैं:

• पृथक द्वार चालकों
• डिजिटल आइसोलेटर
• ऑप्टोकपलर
• रिले
• सिग्नल-कंडीशनिंग उपकरण
• इंटरफ़ेस आईसी
• माइक्रोकंट्रोलर्स
• संचार घटक

ये घटक भले ही सैकड़ों एम्पियर का प्रवाह न करते हों, लेकिन इनकी विश्वसनीयता सीधे तौर पर उच्च-शक्ति परिपथ के नियंत्रण को प्रभावित करती है।

जैसे-जैसे स्विचिंग डिवाइस तेज होते जाते हैं, गेट-ड्राइव टाइमिंग, आइसोलेशन परफॉर्मेंस और सिग्नल इंटीग्रिटी भी अधिक महत्वपूर्ण होती जाती हैं।

सहायक बिजली आपूर्ति को नजरअंदाज नहीं किया जाना चाहिए

एक डीसी फास्ट चार्जर में कई ऐसे सर्किट भी होते हैं जो मुख्य पावर पाथ के बाहर काम करते हैं।

सहायक बिजली आपूर्ति निम्न प्रकार की हो सकती है:

• नियंत्रण बोर्ड
• शीतलन प्रणालियाँ
• कॉन्टैक्टर और रिले
• संचार मॉड्यूल
• प्रदर्शित करता है
• सेंसर
• सुरक्षा सर्किट

ये सर्किट अक्सर कम वोल्टेज पर काम करते हैं, लेकिन मुख्य चार्जर द्वारा बड़ी मात्रा में बिजली की आपूर्ति करते समय इन्हें स्थिर रहना आवश्यक होता है।

इसलिए, घटक चयन में पावर आईसी, एमओएसएफईटी, ट्रांसफार्मर, डायोड, कैपेसिटर, कनेक्टर और सुरक्षा घटक शामिल हो सकते हैं।

यह एक ऐसा क्षेत्र है जहां इलेक्ट्रॉनिक घटकों की व्यापक आपूर्ति क्षमता उपयोगी हो सकती है: डिजाइन के लिए जरूरी नहीं है कि एक ही आपूर्तिकर्ता से एक ही प्रकार के घटक की आवश्यकता हो।

थर्मल डिज़ाइन में परिवर्तन, घटक चयन

बिजली की हानि अंततः गर्मी में परिवर्तित हो जाती है।

इससे थर्मल स्थितियां चार्जर के चयन में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर बन जाती हैं।

शीतलन विधि में निम्नलिखित शामिल हो सकते हैं:

• जबरन वायु शीतलन
• ठंडी प्लेटें
• तरल शीतलन
• ऊष्मा सिंक
• एकीकृत शीतलन संरचनाएं

घटक के तापीय प्रदर्शन का मूल्यांकन उसके विद्युत परिचालन बिंदु के साथ मिलकर किया जाना चाहिए।

उदाहरण के लिए, सेमीकंडक्टर हानियों को कम करने से शीतलन की आवश्यकता कम हो सकती है, लेकिन उच्च स्विचिंग आवृत्ति सिस्टम में कहीं और विभिन्न प्रकार की हानियों को जन्म दे सकती है।

कैपेसिटर, इंडक्टर, कनेक्टर और स्विचिंग कंपोनेंट पर भी यही बात लागू होती है।

इसलिए, घटक का चयन करते समय केवल घटक के निर्धारित तापमान पर ही विचार करने के बजाय संपूर्ण तापीय पथ पर विचार किया जाना चाहिए।

एक व्यावहारिक चयन अनुक्रम

चार्जर निर्माताओं के लिए, एक उपयोगी चयन प्रक्रिया सिस्टम की आवश्यकताओं से शुरू हो सकती है और फिर व्यक्तिगत घटकों की ओर बढ़ सकती है।

यह क्रम संपूर्ण चार्जर की विद्युत आवश्यकताओं के स्पष्ट होने से पहले अलग-अलग भागों का चयन करने से बचने में सहायक होता है।

सर्किट के कार्य के अनुसार घटकों का चयन क्यों किया जाना चाहिए?

एक डीसी फास्ट चार्जर में सैकड़ों या हजारों इलेक्ट्रॉनिक घटक हो सकते हैं, लेकिन उनमें से सभी एक समान विद्युत तनाव का सामना नहीं करते हैं।

पावर सेमीकंडक्टर में स्विचिंग हानि होती है।

संधारित्र पर वोल्टेज और रिपल-करंट का दबाव पड़ता है।

इंडक्टर चुंबकीय और ऊष्मीय तनाव का सामना करता है।

कॉन्टैक्टर या रिले को स्विचिंग और सहनशीलता संबंधी आवश्यकताओं का पालन करना होता है।

यह सेंसर माप और अलगाव संबंधी आवश्यकताओं को पूरा करता है।

नियंत्रक और इंटरफ़ेस उपकरणों को पूरी तरह से अलग-अलग सिग्नल और संचार स्थितियों का सामना करना पड़ता है।

इन सभी घटकों को एक ही "ईवी चार्जर घटक" श्रेणी के रूप में मानना ​​चयन को अनावश्यक रूप से कठिन बना देता है।

एक बेहतर दृष्टिकोण यह है कि परिपथ के कार्य → विद्युत स्थितियों → तापीय स्थितियों → विश्वसनीयता आवश्यकताओं → घटक मापदंडों का मानचित्रण किया जाए।

यह दृष्टिकोण आपूर्तिकर्ता मूल्यांकन को अधिक सार्थक बनाता है क्योंकि इंजीनियर सामान्य उत्पाद विवरण के बजाय वास्तविक अनुप्रयोग के अनुसार घटकों की तुलना कर सकते हैं।

डीसी फास्ट चार्जर के लिए सही कंपोनेंट सेट बनाना

किसी चार्जर के लिए आवश्यक घटकों का मिश्रण उसकी संरचना, शक्ति स्तर और लक्षित अनुप्रयोग पर निर्भर करता है।

एक यात्री कार डीसी चार्जर, एक उच्च-शक्ति वाणिज्यिक चार्जिंग सिस्टम और एक मेगावाट-श्रेणी का चार्जिंग प्लेटफॉर्म पावर डिवाइस, स्विचिंग कंपोनेंट, चुंबकीय कंपोनेंट, सेंसर और कंट्रोल इलेक्ट्रॉनिक्स के विभिन्न संयोजनों का उपयोग कर सकते हैं।

महत्वपूर्ण बात यह है कि विद्युत डिजाइन के साथ-साथ घटकों का चयन भी विकसित होना चाहिए।

चार्जर निर्माताओं और इंजीनियरिंग टीमों के लिए, यह सोर्सिंग प्रक्रिया को भी सरल बना सकता है। अलग-अलग घटकों को एक-एक करके खोजने के बजाय, संपूर्ण विद्युत संरचना की समीक्षा करके पावर रूपांतरण, सुरक्षा, संवेदन, नियंत्रण और सहायक सर्किटों में उपयुक्त विकल्पों की पहचान की जा सकती है।

ESHINE इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और अन्य उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों के लिए इलेक्ट्रॉनिक घटकों की सोर्सिंग और तकनीकी चयन में सहायता प्रदान करता है, जिसमें घटक विकल्प वास्तविक सर्किट आवश्यकताओं के अनुरूप होते हैं।