What are Power Electronics Devices?

پاور الیکٹرانکس کیا ہیں؟

تعریف

صاف ستھرے ماحول کے لیے برقی کاری پر بڑھتی ہوئی توجہ نے مختلف شکلوں میں بجلی کی ضرورت کو ہوا دی ہے۔ پاور الیکٹرانکس الیکٹریکل انجینئرنگ کی وہ شاخ ہے جو بجلی کی فراہمی کے لیے ہائی وولٹیجز اور کرنٹ کی پروسیسنگ سے متعلق ہے جو مختلف ضروریات کو پورا کرتی ہے۔ گھریلو الیکٹرانکس سے لے کر خلائی ایپلی کیشنز کے آلات تک، ان تمام علاقوں کو مطلوبہ تصریحات کے ساتھ مستحکم اور قابل اعتماد برقی طاقت کی ضرورت ہے۔ ایک شکل میں پاور سپلائی کو پاور سیمی کنڈکٹر سوئچز اور کنٹرول میکانزم کا استعمال کرتے ہوئے دوسری شکل میں پروسیس کیا جاتا ہے، ایک ریگولیٹڈ اور کنٹرولڈ پاور سپلائی کرتا ہے۔ جب کہ سوئچڈ موڈ پاور سپلائیز پاور الیکٹرانکس کا ایک عام استعمال ہے جہاں بجلی کی کثافت، وشوسنییتا اور کارکردگی سب سے زیادہ اہمیت کی حامل ہے، موٹر کنٹرول نقل و حمل کے نظام میں مزید برقی کاری کے ساتھ تیار ہو رہا ہے۔ عین مطابق کنٹرول اور کارکردگی پاور کنٹرول ایپلی کیشنز کے لیے کلیدی خصوصیات ہیں۔ پاور الیکٹرانکس کا مطالعہ اس طرح کثیر الثباتی ہے، جس میں سیمی کنڈکٹر فزکس، الیکٹریکل موٹرز، مکینیکل ایکچویٹرز، برقی مقناطیسی آلات، کنٹرول سسٹم وغیرہ شامل ہیں۔

 

بجلی کی پیداوار میں، خاص طور پر قابل تجدید توانائی میں، پاور گرڈ کے AC وولٹیج کی تفصیلات کو پورا کرنے کے لیے پیدا ہونے والی طاقت پر کارروائی کی جانی چاہیے۔ مثال کے طور پر، ایک سولر سیل ڈی سی پاور تیار کرتا ہے جس کی آؤٹ پٹ پاور آپریٹنگ وولٹیج اور شمسی شعاع ریزی کے ساتھ مختلف ہوتی ہے۔ سیل کے آؤٹ پٹ پر دستیاب زیادہ سے زیادہ طاقت کو نکالنا اور اسے زیادہ سے زیادہ ممکنہ کارکردگی کے ساتھ گرڈ میں منتقل کرنا ضروری ہے۔ لہذا، سولر سیل کو گرڈ سے جوڑنے والا انٹرفیس AC پاور فراہم کرے جو گرڈ کی خصوصیات سے میل کھاتا ہو اور ان پٹ پاور کھینچتا ہو جو سولر سیل کو اس کے زیادہ سے زیادہ پاور پوائنٹ پر چلاتا ہے۔ اس کے علاوہ، اس DC پاور کو AC پاور میں تبدیل کرنا زیادہ کارکردگی کے ساتھ ہونا چاہیے تاکہ بجلی کی پیداوار میں ہونے والے نقصانات کو کم کیا جا سکے۔ یہ اعلی درجے کے کنٹرول میکانزم کے ساتھ پاور سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز کا استعمال کرتے ہوئے ممکن ہے جو آؤٹ پٹ اور ان پٹ پیرامیٹرز کی نگرانی کرتے ہیں اور سوئچ کو کنٹرول کرتے ہیں۔

پاور سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز میں ترقی نے نئے آلات جیسے کہ سلکان کاربائیڈ، گیلیم نائٹرائڈ فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹرز (FETs) اور پاور ڈائیوڈس کے لیے راہ ہموار کی ہے۔ یہ آلات وسیع بینڈ گیپ کے لحاظ سے اعلیٰ خصوصیات کے حامل ہیں جو ہائی وولٹیج آپریشن، تھرمل مینجمنٹ اور کارکردگی کی اجازت دیتے ہیں۔ اس کے نتیجے میں پاور الیکٹرانکس کا وسیع پیمانے پر استعمال ہوا ہے حتیٰ کہ شور سے حساس علاقوں میں، نقصان دہ لکیری پاور سپلائیز اور وولٹیج ریگولیٹرز کی جگہ لے لی گئی ہے۔ ان ڈیوائسز کا سب سے بڑا فائدہ یہ ہے کہ وہ سلکان ڈیوائسز کے مقابلے میں ہائی وولٹیج کو برداشت کر سکتے ہیں۔ اس طرح، سسٹمز کو ہائی وولٹیج کی صلاحیتوں کے ساتھ ڈیزائن کیا جا سکتا ہے، جو بدلے میں کرنٹ کو کم کرتا ہے اور کارکردگی کو بہتر بناتا ہے، اسی طرح بجلی کی فراہمی کے لیے۔ اس کے علاوہ، آلات کو زیادہ سوئچنگ فریکوئنسی پر چلانے سے غیر فعال اجزاء کے سائز کو کم کرنے میں مدد ملتی ہے، جس سے سسٹم کو کمپیکٹ ہوتا ہے۔ زیادہ درجہ حرارت کو سنبھالنے کی صلاحیت تھرمل ڈیزائن کو آسان بناتی ہے۔

How Do Power Electronics Devices Work?

 

پاور الیکٹرانکس کیسے کام کرتے ہیں؟

پاور الیکٹرانک سسٹم مختلف قسم کے ایپلی کیشنز میں استعمال ہوتے ہیں، جیسے:

 

پاور جنریشن

پاور ٹرانسمیشن

بجلی کی تقسیم

پاور کنٹرول

ان تمام ایپلی کیشنز میں، ان پٹ وولٹیجز اور کرنٹ کو پاور سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز کا استعمال کرتے ہوئے تبدیل کیا جاتا ہے تاکہ مطلوبہ آؤٹ پٹ فراہم کی جا سکے۔ بنیادی سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز جیسے کہ ڈائیوڈس، ایف ای ٹی، اور بائی پولر جنکشن ٹرانزسٹرز (بی جے ٹی) کی تعمیر کو ہائی وولٹیجز اور کرنٹ کو برداشت کرنے کے لیے تبدیل کیا جاتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، ہمارے پاس سلیکون کنٹرولڈ تھائرسٹرز (SCRs)، پاور ڈائیوڈز، پاور میٹل آکسائیڈ سیمی کنڈکٹر فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹرز (MOSFETs)، پاور BJTs، انسولیٹڈ گیٹ بائپولر ٹرانزسٹرز (IGBTs)، گیٹ ٹرن آف تھائرسٹرز (GTOs)، اور اسی طرح۔ پر ڈیوائس کا انتخاب پاور لیول، سوئچنگ فریکوئنسی کی ضروریات، کارکردگی، اور ان پٹ اور آؤٹ پٹس کی نوعیت پر مبنی ہے۔ مثال کے طور پر، ایک EV پاور ٹرین میں، ہینڈل کی گئی پاور کلو واٹ کی ترتیب کی ہوتی ہے۔ ایسی ایپلی کیشنز میں، پاور MOSFETs جو ہائی وولٹیج کو برداشت کر سکتے ہیں اور زیادہ فریکوئنسی پر سوئچ کر سکتے ہیں عام طور پر استعمال ہوتے ہیں۔ پاور ٹرانسمیشن کے معاملے میں، جہاں ہینڈل پاور چند میگا واٹ کے آرڈر کی ہوتی ہے، وہاں سلیکون کنٹرولڈ ریکٹیفائر (SCRs) استعمال کیے جاتے ہیں۔

 

ایک عام پاور الیکٹرانک سسٹم کا بلاک ڈایاگرام نیچے دی گئی تصویر میں دکھایا گیا ہے۔

 

پاور الیکٹرانک سسٹم میں بنیادی عنصر ایک سوئچنگ پاور کنورٹر ہے۔ پاور کنورٹر پاور سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز پر مشتمل ہوتا ہے جو ہائی فریکوئنسی پر آن اور آف ہوتے ہیں۔ یہ آپریشن آلات کے ذریعے وولٹیج اور کرنٹ کو سوئچ کرتا ہے، آؤٹ پٹ پر کنٹرولڈ پاور فراہم کرتا ہے۔ اس کے علاوہ ان پٹ سے حاصل ہونے والی طاقت کو بھی کنٹرول کیا جا سکتا ہے۔ ایک مثالی آلہ وولٹیج اور کرنٹ کو فوری طور پر سوئچ کرتا ہے اور ایک بار آن ہونے پر صفر مزاحمت اور آف کرنے پر لامحدود مزاحمت پیش کرتا ہے۔ لیکن حقیقی دنیا میں، کسی بھی ڈیوائس کو فوری طور پر تبدیل نہیں کیا جا سکتا۔ سوئچنگ کنورٹرز آلات میں دو قسم کے بجلی کے نقصانات سے وابستہ ہیں:

 

سوئچنگ کے نقصانات

ترسیل کے نقصانات

سوئچنگ کے نقصانات آن اور آف کے دوران ہوتے ہیں۔ مثال کے طور پر، جب کوئی سوئچ آن ہوتا ہے، تو سوئچ کے آر پار وولٹیج اس وولٹیج سے کم قیمت پر چلا جاتا ہے جو اس وقت بلاک کیا جا رہا تھا جب یہ آف حالت میں تھا۔ ایک ہی وقت میں، ڈیوائس کے ذریعے کرنٹ صفر سے لوڈ کرنٹ کی سطح تک جاتا ہے۔ چونکہ اس عمل میں محدود وقت لگتا ہے اور وولٹیج اور کرنٹ کی منتقلی ہوتی ہے، اس لیے بجلی کا نقصان ہوتا ہے۔ جب سوئچ آف ہو رہا ہو تو منتقلی الٹ جاتی ہے۔ یہ نقصانات سوئچنگ نقصانات کو تشکیل دیتے ہیں۔ سوئچنگ فریکوئنسی کے ساتھ سوئچنگ نقصانات میں اضافہ ہوتا ہے۔ ان نقصانات کو کم کرنے کے لیے، کئی طریقے، جیسے صفر وولٹیج سوئچنگ اور زیرو کرنٹ سوئچنگ، کو اضافی کیپسیٹرز اور انڈکٹرز کا استعمال کرتے ہوئے لاگو کیا جاتا ہے۔

 

کنڈکشن کے نقصانات کنڈکشن کے دوران سوئچز پر محدود آن سٹیٹ وولٹیج گرنے کا نتیجہ ہیں۔ نئے سیمی کنڈکٹر آلات کی دستیابی اور آلات کے ڈھانچے میں پیشرفت ترسیل کے نقصانات کو کم کرنے میں مدد کر رہی ہے۔

 

سوئچز کو کنٹرول کرنے کے لیے، ایک کنٹرول سرکٹ، جسے عام طور پر معاوضہ سرکٹ کہا جاتا ہے، استعمال کیا جاتا ہے۔ یہ بلاک نقصانات کو کم کرنے، مؤثر طریقے سے اور اچھے معیار کے ساتھ بجلی کی فراہمی میں اہم کردار ادا کرتا ہے۔ کنٹرول بلاک ان پٹ کے طور پر حوالہ اور فیڈ بیک سگنل حاصل کرتا ہے اور سوئچنگ سگنلز کو آؤٹ پٹ کے طور پر دیتا ہے۔ موجودہ دور کے کنٹرولرز زیادہ تر ڈیجیٹل ہیں جہاں فیڈ بیک کو ینالاگ سے ڈیجیٹل سگنل اور ان پٹ کو سگنل پروسیسر میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ پروسیسر پر چلنے والے سافٹ ویئر میں معاوضے کی منطق کو لاگو کیا جاتا ہے، اور مناسب سوئچنگ سگنل تیار کیے جاتے ہیں۔ یہ سگنلز ڈرائیوروں کے ذریعے سوئچنگ ڈیوائسز کو چلانے کے لیے کافی طاقت فراہم کرنے کے لیے گزرے ہیں۔ روایتی طور پر، آپریشنل ایمپلیفائر اور کمپیریٹر استعمال کرنے والے اینالاگ سرکٹس معاوضے کے سرکٹس میں استعمال ہوتے ہیں۔ سوئچز کو مناسب گیٹنگ سگنل فراہم کرنے کے دوران، کنٹرول سرکٹس سسٹم کی صحت کی نگرانی بھی کرتے ہیں اور خرابی ہونے پر پاور آؤٹ پٹ کو روکتے ہیں۔

Types of Power Electronic Circuits

پاور الیکٹرانک سرکٹس کی اقسام

جیسا کہ پچھلے حصوں میں بتایا گیا ہے، پاور الیکٹرانک سرکٹس ان پٹ اور آؤٹ پٹ پاور کو کنٹرول کرتے ہیں۔ ایپلی کیشن کی قسم کی بنیاد پر پاور کنورٹرز کی کئی قسمیں ہیں۔ جب ہم طاقت کے منبع پر غور کرتے ہیں تو طاقت کے ذرائع کی دو اہم اقسام ہیں، یعنی الٹرنیٹنگ کرنٹ (AC) اور ڈائریکٹ کرنٹ (DC)۔ یہ چار بنیادی قسم کے پاور الیکٹرانکس سرکٹس بناتا ہے جو نیچے کی تصویر میں دکھایا گیا ہے۔

1. AC-to-DC Converters

AC سے DC 1۔ کنورٹرز

 

ان پٹ AC وولٹیج کو مطلوبہ سطحوں پر DC وولٹیج میں تبدیل کر دیا جاتا ہے۔ ایک ڈایڈڈ برج ریکٹیفائر روایتی طور پر ان ایپلی کیشنز کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ لیکن اس ترتیب کے نتیجے میں کرنٹ نکلتے ہیں جن میں اعلیٰ چوٹی کی قدریں اور اعلی ہارمونک مواد ہوتا ہے۔ بوسٹ کنورٹرز کو عام طور پر کرنٹ کھینچنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے جو AC وولٹیج کے ساتھ مرحلے میں ہوتے ہیں۔

2. DC-to-DC Converters

DC سے DC 2۔ کنورٹرز

 

DC پاور ان پٹ، چاہے غیر منظم ہو یا ریگولیٹڈ، آؤٹ پٹ پر ریگولیٹڈ DC پاور میں تبدیل ہو جاتا ہے۔ پاور الیکٹرانک کنورٹرز کے بغیر، متغیر DC پاور پیدا کرنا بہت مشکل ہے۔ DC-to-DC کنورٹرز کی مختلف کنفیگریشنز کی دستیابی کے ساتھ، مطلوبہ سطح پر DC پاور ناگزیر ہو گئی ہے۔ بک، بوسٹ، اور بکس بوسٹ کنورٹرز تین بنیادی کنورٹرز ہیں جو بالترتیب نیچے، قدم بڑھا سکتے ہیں اور دونوں سطحیں فراہم کر سکتے ہیں۔

3. DC-to-AC Converters (commonly known as inverters)

DC سے AC کنورٹرز (عام طور پر انورٹر کے نام سے جانا جاتا ہے)3۔

 

AC پاور فراہم کرنے کے لیے بیٹریوں سے ان پٹ DC پاور الٹی ہے۔ اس AC پاور کا استعمال AC موٹرز کو درستگی اور کارکردگی کے ساتھ کنٹرول کرنے کے لیے کیا جاتا ہے۔ AC-to-DC اور DC-to-AC کنورٹرز کا مجموعہ ہائی پاور ٹرانسمیشن میں استعمال کیا جاتا ہے جہاں دو مختلف گرڈ مطابقت پذیری کی فکر کیے بغیر جڑے ہوتے ہیں۔

4. AC-to-AC Converters (commonly known as cycloconverters)

AC سے AC کنورٹرز (عام طور پر سائکلو کنورٹرز کے نام سے جانا جاتا ہے)4۔

 

AC ان پٹ جس میں متغیر شدت اور فریکوئنسی ہوتی ہے ایک AC آؤٹ پٹ فراہم کرنے کے لیے پروسیس کیا جاتا ہے جس میں ریگولیٹڈ میگنیٹوڈ اور فریکوئنسی دونوں ہوتے ہیں۔ ونڈ پاور جنریشن اس قسم کے کنورٹرز کی ایک مقبول ایپلی کیشن ہے۔ ہوا کی رفتار کے لحاظ سے ونڈ جنریٹر کا آؤٹ پٹ شدت اور تعدد دونوں میں مختلف ہوتا ہے۔ اس پاور کو گرڈ یا بوجھ سے جوڑنے کے لیے، وولٹیج اور فریکوئنسی کو ریگولیشن کی ضرورت ہے۔ یہ فعالیت AC-to-AC کنورٹرز کے ذریعے فراہم کی جاتی ہے۔

Other classifications of power converters include the following:

پاور کنورٹرز کی دیگر درجہ بندی میں درج ذیل شامل ہیں:

 

ان پٹ اور آؤٹ پٹ کے درمیان تنہائی کی بنیاد پر:1

 

غیر الگ تھلگ کنورٹرز الگ تھلگ کنورٹرز

سوئچنگ کی قسم کی بنیاد پر:2

 

ہارڈ سوئچڈ کنورٹرز نرم سوئچ کنورٹر

پاور گرڈ سے کنکشن کی بنیاد پر :3

گرڈ سے منسلک کنورٹرزآف لائن کنورٹر

The Importance of Power Electronics Devices

پاور الیکٹرانکس کی اہمیت

مزید برقی کاری کی طرف بڑھنے کے نتیجے میں مزید برقی طاقت کی ضرورت پیدا ہوئی ہے۔ بجلی کی پیداوار کے علاوہ، پاور پروسیسنگ دستیاب بجلی کے موثر استعمال میں کلیدی کردار ادا کرتی ہے۔ یہ ضروری ہے کہ خام طاقت کو ایک ایسی شکل میں تبدیل کیا جائے جو مختلف ایپلی کیشنز میں قابل استعمال ہو۔ پاور الیکٹرانکس مطلوبہ تصریحات کی بنیاد پر بجلی فراہم کرنے میں اہم کردار ادا کرتا ہے۔ بنیادی ایپلی کیشن جو ہماری روزمرہ کی زندگی میں پاور الیکٹرانکس کی اہمیت کو ظاہر کرتی ہے وہ پنکھا ریگولیٹر ہے۔ سالڈ اسٹیٹ فین ریگولیٹرز کی آمد سے پہلے، بھاری اور نقصان دہ مزاحم پنکھے کے ریگولیٹرز استعمال کیے جاتے تھے۔ پنکھے کی رفتار کو کنٹرول کرنے کے لیے، AC مینز وولٹیج کو ایک ریزسٹر سے گزارا جاتا ہے جو پنکھے کے ساتھ سیریز میں جڑا ہوتا ہے۔ لہذا، جب پنکھا آن ہوتا ہے، تو سیریز ریزسٹر میں مسلسل بجلی کی کھپت ہوتی ہے۔ تحقیق عام طور پر، وولٹیج اور فریکوئنسی کو کنٹرول کرکے پنکھوں یا موٹروں کو کنٹرول کرنے کے مزید جدید طریقے سامنے آئی ہے۔ یہ پاور سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز کی دستیابی سے ممکن ہے۔

 

ایرو اسپیس ایپلی کیشنز میں، خاص طور پر خلائی ایپلی کیشنز میں، سائز، وزن، اور وشوسنییتا اہم پیرامیٹرز ہیں۔ اگر بجلی کو کم تعدد پر ہینڈل کیا جاتا ہے تو، ٹرانسفارمرز اور دیگر توانائی ذخیرہ کرنے والے عناصر کافی جگہ پر قبضہ کرتے ہیں۔ سوئچنگ کنورٹرز کے ساتھ جو ہائی سوئچنگ فریکوئنسیوں پر کام کرتے ہیں، توانائی کے ذخیرہ کرنے والے عناصر کا سائز کافی حد تک کم ہو جاتا ہے۔ ان اجزاء کا سائز سوئچنگ فریکوئنسی کے الٹا متناسب ہے۔ لہذا، چھوٹے سوئچنگ ٹائم والے آلات سسٹم کے مجموعی سائز اور وزن کو کم کرنے میں مدد کرتے ہیں۔

 

جدید ترین پاور الیکٹرانک سسٹم چند واٹ سے لے کر کئی میگا واٹ تک بجلی کو سنبھالنے کے قابل ہیں، جو خام پاور اور ریگولیٹڈ پاور کے درمیان موثر اور قابل اعتماد انٹرفیس کو فعال کرتے ہیں۔ نتیجے کے طور پر، ہائیڈرولک اور مکینیکل ایکچیوٹرز کو الیکٹرک موٹرز سے تبدیل کیا جا رہا ہے جنہیں پاور الیکٹرانک انٹرفیس کا استعمال کرتے ہوئے درست طریقے سے کنٹرول کیا جا سکتا ہے۔

The Benefits of Power Electronics Devices

پاور الیکٹرانکس کے فوائد

الیکٹرک پاور قلیل ہے، اور کم سے کم نقصانات کے ساتھ لوڈ تک بجلی پہنچانا اولین اہمیت ہے۔ پاور سیمی کنڈکٹر ریسرچ میں پیشرفت کے نتیجے میں سلکان کاربائیڈ اور گیلیم نائٹرائیڈ جیسی زیادہ موثر کیمسٹری پیدا ہوئی ہے۔ پاور الیکٹرانکس کے فوائد یہ ہیں:

 

ہائی پاور ڈینسٹی پاور سپلائیز

پاور کنورژن میں 99% تک بہتر کارکردگی

شور سے حساس ایپلی کیشنز جیسے طبی آلات میں بھی کارکردگی اور قابل اعتمادی کی وجہ سے بجلی کی فراہمی کو تبدیل کرنے میں تبدیل ہو رہی ہیں۔

پاور کو تصریحات کے مطابق مطلوبہ شکل اور سطح میں دستیاب کرایا جا سکتا ہے۔

ذرائع کو گرڈ سے جوڑنے کے لیے پاور الیکٹرانک انٹرفیس کا استعمال کرتے ہوئے صاف بجلی کی پیداوار میں اضافہ

وائرلیس پاور ٹرانسفر