पारिस्थितिकी के रक्षक पर पावर अर्धचालक

वातावरण में सीओ 2 उत्सर्जन को कम करने के लिए, थर्मल पावर प्लांट के उपयोग को छोड़ना और पर्यावरण के अनुकूल ऊर्जा पर स्विच करना आवश्यक है। इस तरह के एक संक्रमण को एक बार में नहीं बनाया जा सकता है, पहले आपको पहले से उत्पन्न बिजली के उपयोग की दक्षता को बढ़ाने की जरूरत है, उपभोक्ता को परिवहन के दौरान इसके नुकसान को कम करने और विभिन्न रूपों में रूपांतरण के लिए। इन समस्याओं को हल करने के लिए एक प्रमुख तत्व पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और पावर सेमीकंडक्टर डिवाइस हैं।

चूंकि ऊर्जा के लिए समाधान हमारे व्यवसाय के सबसे महत्वपूर्ण खंडों में से एक हैं, इसलिए हम इस बारे में बात करना महत्वपूर्ण मानते हैं कि हमारा काम दुनिया को स्वच्छ बनाने में कैसे मदद करता है। विशेष रूप से, हमारे द्वारा निर्मित बिजली अर्धचालकों से बिजली की काफी बचत हो सकती है और परिणामस्वरूप, पर्यावरण के लिए हानिकारक बिजली संयंत्रों का निर्माण छोड़ दिया जाता है। आइए जानें कि पावर अर्धचालक कैसे सामान्य लोगों से भिन्न होते हैं और यह पता लगाते हैं कि उनके गुण क्या बिजली बचा सकते हैं और CO2 उत्सर्जन को कम कर सकते हैं।

पावर अर्धचालक उपकरणों की विशेषताएं

यदि आप सिद्धांत में तल्लीन नहीं करते हैं, तो पावर सेमीकंडक्टर डिवाइस एक ही डायोड, ट्रांजिस्टर और थाइरिस्टर होते हैं, जिसे संशोधित करके उनके आवेदन के दायरे को ध्यान में रखा जाता है। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विपरीत, पावर अर्धचालकों का उपयोग दसियों, सैकड़ों और हजारों एम्पीयर, सैकड़ों मेगावॉट की वोल्टेज पर किया जाता है। पीएन जंक्शन के टूटने को खत्म करने के लिए इस तरह के भार को विशिष्ट डिजाइन समाधान की आवश्यकता होती है।

उदाहरण के लिए, एक शक्तिशाली पावर डायोड का आधार सिलिकॉन सिंगल क्रिस्टल की एक पतली प्लेट है जिसमें एक पीएन जंक्शन बनता है। हीटिंग के कारण प्लेट को फटने से बचाने के लिए, इसे 3 मिमी मोटी तक टंगस्टन या मोलिब्डेनम के थर्मोकोम्पेंसेटिंग डिस्क को चांदी मिलाप के साथ मिलाया जाता है। परिणामस्वरूप "सैंडविच" को एक पिन या टैबलेट डिजाइन के एक सील आवास में रखा गया है।

पिन डायोड डिजाइन। स्रोत

उच्च शक्ति की बिजली को परिवर्तित करने के लिए मुख्य तत्व - दसियों मेगावॉट और उससे अधिक - एक उच्च वोल्टेज थाइरिस्टर है । संरचनात्मक रूप से, इसमें वैकल्पिक चालकता के साथ सिलिकॉन की चार परतें होती हैं, जिसकी सीमा पर तीन पीएन जंक्शन बनते हैं। दो चरम संक्रमण एनोड और कैथोड हैं, और मध्य एक नियंत्रण एक है।

थायरिस्टर में दो स्थिर अवस्थाएँ होती हैं: "ओपन" (करंट फ्लो) और "क्लोज़्ड" (कोई करंट नहीं)। नियंत्रण इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज के प्रभाव के तहत राज्य बदलता है। स्विचिंग स्वयं बहुत तेज़ी से होती है, हालाँकि तुरन्त नहीं। बारी-बारी से वोल्टेज सर्किट में, थाइरिस्टर केवल एक आधा-लहर पास करेगा - ऊपरी एक। जब निचली आधी लहर आती है, तो यह "बंद" स्थिति पर रीसेट हो जाता है। Thyristor की इस संपत्ति का उपयोग बिजली की आपूर्ति को स्विच करने के लिए एक साइनसॉइड को दालों में बदलने के लिए किया जाता है।

थायरिस्टर्स के आधार पर, प्रत्यक्ष विद्युत लाइनों (पावर लाइन) में भारी-शुल्क कन्वर्टर्स बनाए जाते हैं, विद्युत प्रणालियों के बीच डीसी आवेषण, वर्तमान विद्युत लाइनों को बारी-बारी से स्थिर प्रतिक्रियाशील बिजली क्षतिपूर्ति करते हैं।

एक उच्च वोल्टेज thyristor का उपकरण। स्रोत

बिजली के मुख्य उपभोक्ता मेगावाट के नीचे की क्षमता के साथ काम करते हैं। इस सीमा के लिए सबसे आम शक्ति तत्व द्विध्रुवी क्षेत्र ट्रांजिस्टर , अछूता गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर, आईजीबीटी है। IGBT कई प्राथमिक कोशिकाओं का एक शक्ति एकीकृत सर्किट है। प्रत्येक सेल में एक उच्च वोल्टेज द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर होता है जो नियंत्रण सर्किट में शामिल एक क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के साथ होता है। आईजीबीटी के लाभ - चालू और बंद और उच्च गति के लिए नियंत्रण सर्किट में छोटे बिजली की खपत।

कम-बिजली कन्वर्टर्स के निर्माण के लिए, MOS ट्रांजिस्टर , मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर, MOSFET का उपयोग किया जाता है। इन उपकरणों को भी एक शक्ति एकीकृत सर्किट के रूप में बनाया जाता है जिसमें सैकड़ों हजारों ट्रांजिस्टर कोशिकाएं होती हैं। एमओएस सर्किट के लिए ऑपरेटिंग वोल्टेज, एक नियम के रूप में, 500 वी से कम है, ऑपरेटिंग वर्तमान सैकड़ों एम्पीयर तक है।

सेमीकंडक्टर डिवाइस कहाँ और क्यों उपयोग किए जाते हैं

औद्योगिक प्रतिष्ठान

इसकी अर्थव्यवस्था, नियंत्रणीयता और उच्च दक्षता के कारण, पावर सेमीकंडक्टर डिवाइस इलेक्ट्रिक पावर रूपांतरण की दक्षता में वृद्धि करते हैं। शीतल शुरुआत, निर्बाध बिजली की आपूर्ति, इलेक्ट्रिक मोटर्स और विभिन्न विद्युत प्रतिष्ठान बिजली के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के उपयोग के कारण कम और लंबे समय तक खपत करते हैं।

एक इलेक्ट्रिक मोटर वाले उपकरणों में, खपत वाली बिजली का आधे से अधिक हिस्सा इसके रोटेशन को सुनिश्चित करने पर खर्च किया जाता है। एक समायोज्य सेमीकंडक्टर आवृत्ति कनवर्टर अन्य विनिर्देशों को प्रभावित किए बिना बिजली की खपत को 30% तक कम कर देता है।

इलेक्ट्रिक नेटवर्क

बिजली के परिवहन और वितरण में अर्धचालक कन्वर्टर्स के उपयोग से 25% तक बिजली बचाई जा सकती है। इस प्रकार, सेमीकंडक्टर पावर घटकों का व्यापक परिचय आपको नए बिजली संयंत्रों के निर्माण को छोड़ने और मौजूदा लोगों की क्षमताओं के साथ फैलाव की अनुमति देता है।

सौर ऊर्जा संयंत्र

सौर पैनलों से प्राप्त होने वाली बिजली को बिजली के ग्रिड में संचरण के लिए या घरेलू उपयोग के लिए परिवर्तित किया जाना चाहिए। सौर ऊर्जा संयंत्रों को नियंत्रित करने के लिए बिजली अर्धचालक उपकरणों का उपयोग उनकी दक्षता को बढ़ाता है।

इलेक्ट्रिक ट्रांसपोर्ट

इलेक्ट्रिक कारें बैटरी में संग्रहीत ऊर्जा का उपयोग करती हैं। पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के उपयोग के लिए धन्यवाद, कार में विभिन्न उपभोक्ताओं की जरूरतों के लिए ऊर्जा रूपांतरण न्यूनतम नुकसान के साथ होता है। और रिकवरी तकनीक आपको बैटरी को रिचार्ज करने और माइलेज बढ़ाने में ब्रेकिंग एनर्जी लगाने की अनुमति देती है।

इसके अलावा, यह दिलचस्प है कि इलेक्ट्रिक परिवहन के तेजी से विकास ने अर्धचालक उपकरणों के निर्माताओं को नए ऊर्जा घटकों को बनाने के लिए नए, अधिक ऊर्जा-कुशल सामग्रियों की तलाश करने के लिए मजबूर किया। विश्लेषणात्मक अध्ययनों के अनुसार, अर्धचालक उद्योग बड़े पैमाने पर साधारण कार्बन क्रिस्टल के बजाय सिलिकॉन कार्बाइड और गैलियम नाइट्राइड का उपयोग करने के लिए अपनी क्षमताओं को बड़े पैमाने पर परिवर्तित कर रहा है।

नई सामग्री से बने विद्युत तत्व पारंपरिक सिलिकॉन की तुलना में बहुत अधिक कॉम्पैक्ट हैं, जो बताता है कि नई पीढ़ी की बिजली की आपूर्ति 80-90% कम हो जाएगी। इसके अलावा, इन सामग्रियों का उपयोग करने वाले यौगिकों में 10 गुना अधिक विशिष्ट शक्ति होती है, उच्च आवृत्तियों पर और एक व्यापक तापमान सीमा में काम करते हैं, और खुले राज्य और रिसाव धाराओं में प्रतिरोध का स्तर सिलिकॉन समकक्षों की तुलना में काफी कम है।

संभावनाओं

कई सरकारों ने कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन को कम करने के लिए कार्यक्रमों को अपनाया है। उदाहरण के लिए, स्पेनिश सरकार 2030 तक CO2 उत्सर्जन को 20% तक कम करने की योजना बना रही है, और 1990 के स्तर से 90% 2050 तक। उत्सर्जन को कम करने में प्रमुख भूमिका इलेक्ट्रिक पावर उद्योग को दी गई है, और अन्य उद्योगों के परिवर्तन को बाद में किए जाने की योजना है।


उद्योग क्षेत्र द्वारा CO2 कमी योजना। स्पेन, 2019। स्रोत

यह अनुमान है कि 2030 तक राष्ट्रीय बिजली उद्योग की क्षमता 157 गीगावॉट तक पहुंचनी चाहिए। इनमें से 50 गीगावॉट पवन ऊर्जा संयंत्रों और 37 गीगावॉट - फोटोवोल्टिक सौर ऊर्जा संयंत्रों, 27 गीगावॉट - संयुक्त-चक्र बिजली द्वारा प्रदान किए जाएंगे।
इसके अलावा, कानूनों का पैकेज निर्धारित करता है कि स्पेन में 2040 से शुरू होने पर शून्य उत्सर्जन के साथ केवल कारों को खरीदना संभव होगा।

इसी तरह के कानूनों को पहले ही अपनाया जा चुका है या यूरोपीय संघ के देशों में विचाराधीन हैं। इसका मतलब है कि आने वाले दशकों में हम पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों की बिक्री में तेजी से वृद्धि की उम्मीद कर सकते हैं, क्योंकि उनके बिना पर्यावरण की स्थिति में सुधार के लिए नियोजित उपायों का कार्यान्वयन असंभव है।