2025-12-30
उच्च वोल्टेज पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए ऑप्टिकल मॉड्यूल और फाइबर का इंजीनियरिंग चयन
उच्च वोल्टेज बिजली इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों में, एक आईजीबीटी गेट ड्राइवर केवल स्विचिंग नियंत्रण के लिए जिम्मेदार नहीं है।यह उच्च ऊर्जा शक्ति चरण और कम वोल्टेज नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स के बीच गैल्वानिक अलगाव प्रदान करने में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता हैजैसे-जैसे IGBT वोल्टेज वर्ग 1.7 kV से बढ़कर 3.3 kV, 4.5 kV और यहां तक कि 6.5 kV हो जाते हैं, अलगाव डिजाइन धीरे-धीरे घटक स्तर की चिंता से सिस्टम स्तर की सुरक्षा वास्तुकला समस्या में बदल जाता है।
इन परिस्थितियों में, ऑप्टिकल मॉड्यूल और फाइबर लिंक पर आधारित ऑप्टिकल अलगाव उच्च वोल्टेज IGBT गेट ड्राइविंग के लिए प्रमुख समाधान बन गया है।
गेट ड्राइवर सिस्टम में ऑप्टिकल मॉड्यूल की कार्यात्मक भूमिका
एक ऑप्टिकल मॉड्यूल विद्युत संकेतों को ऑप्टिकल संकेतों में परिवर्तित करता है और फिर से, सिग्नल पथ के साथ पूर्ण विद्युत पृथक्करण को सक्षम करता है। चुंबकीय या क्षमतात्मक अलगाव के विपरीत,ऑप्टिकल अलगाव विद्युत चुम्बकीय या विद्युत क्षेत्र युग्मन पर निर्भर नहीं हैइसकी अलगाव क्षमता मुख्य रूप से भौतिक दूरी और अलगाव संरचना से निर्धारित होती है, जिससे यह अति-उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगों के लिए स्वाभाविक रूप से स्केलेबल हो जाती है।
व्यावहारिक आईजीबीटी ड्राइवर डिजाइनों में, ऑप्टिकल मॉड्यूल आमतौर पर ट्रांसमीटर रिसीवर जोड़े के रूप में तैनात किए जाते हैं। यांत्रिक या रंग कोडिंग का उपयोग अक्सर संचरण दिशा को अलग करने के लिए किया जाता है,असेंबली और रखरखाव के दौरान गलत कनेक्शन के जोखिम को कम करना रेल कर्षण और बिजली ग्रिड उपकरण में एक महत्वपूर्ण विचार.
प्लास्टिक ऑप्टिकल मॉड्यूलः उच्च युग्मन सहिष्णुता का इंजीनियरिंग मूल्य
प्लास्टिक ऑप्टिकल मॉड्यूल आम तौर पर दृश्य लाल तरंग दैर्ध्य सीमा (लगभग 650 एनएम) में काम करते हैं, प्लास्टिक ऑप्टिकल फाइबर (पीओएफ) के साथ संयोजन में एलईडी उत्सर्जकों का उपयोग करते हैं।उनकी सबसे विशिष्ट ऑप्टिकल विशेषता बहुत बड़ा संख्यात्मक एपर्चर (NA) है, आम तौर पर लगभग 0.5.
संख्यात्मक एपर्चर फाइबर के अधिकतम स्वीकृति कोण का वर्णन करता है और इसे इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता हैः
लगभग 0.5 का एनए लगभग 30° के अर्ध-कोण से मेल खाता है, जिसका अर्थ है कि एलईडी द्वारा उत्सर्जित अधिकांश भिन्न प्रकाश को फाइबर में कुशलतापूर्वक जोड़ा जा सकता है।इंजीनियरिंग के दृष्टिकोण से, यह उच्च एनए ऑप्टिकल संरेखण, एमिटर स्थिरता और कनेक्टर सटीकता पर आवश्यकताओं को काफी हद तक ढीला करता है, जिससे सिस्टम लागत कम होती है और असेंबली की मजबूती में सुधार होता है।
हालांकि, यह लाभ अंतर्निहित व्यापार-बंद के साथ आता है। उच्च एनए फाइबर बड़ी संख्या में प्रसार मोड का समर्थन करते हैं। विभिन्न रास्तों के साथ यात्रा करने वाली प्रकाश विभिन्न ऑप्टिकल पथ लंबाई का अनुभव करती है,जो छोटी ऑप्टिकल पल्स के प्रसारण के समय पल्स का विस्तार करता हैयह घटना ढ़लान विसारण ढ़लान डेटा दर और अधिकतम संचरण दूरी दोनों को मूल रूप से सीमित करती है।
नतीजतन, प्लास्टिक ऑप्टिकल मॉड्यूल का उपयोग आमतौर पर दशकों किलोबिट प्रति सेकंड से दशकों मेगाबिट प्रति सेकंड तक डेटा दरों के लिए किया जाता है,कई दसियों मीटर से लेकर लगभग एक सौ मीटर तक की ट्रांसमिशन दूरी के साथहाल के विकास ने कुछ प्लास्टिक ऑप्टिकल मॉड्यूल को प्लास्टिक-क्लेटेड सिलिका (पीसीएस) फाइबर के साथ काम करने में सक्षम बनाया है।उच्च युग्मन सहिष्णुता बनाए रखते हुए कई सौ मीटर तक प्राप्त दूरी का विस्तार करना.
लंबी दूरी और उच्च विश्वसनीयता के लिए एसटी प्रकार के ऑप्टिकल मॉड्यूल
उच्च विश्वसनीयता या लंबी संचरण दूरी की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए, आमतौर पर ग्लास मल्टीमोड फाइबर के साथ संयुक्त एसटी-प्रकार के ऑप्टिकल मॉड्यूल को अपनाया जाता है।ये मॉड्यूल आमतौर पर 850 एनएम के आसपास काम करते हैंजबकि प्रारंभिक डिजाइन मुख्य रूप से एलईडी उत्सर्जकों पर निर्भर करते हैं, नई पीढ़ियों में आउटपुट स्थिरता और दीर्घकालिक स्थिरता में सुधार के लिए तेजी से वीसीएसईएल लेजर का उपयोग किया जाता है।
प्लास्टिक ऑप्टिकल मॉड्यूल की तुलना में, एसटी प्रकार के मॉड्यूल अधिक संचार-ग्रेड आंतरिक संरचनाओं का उपयोग करते हैं।प्रेषक (TOSA) और रिसीवर (ROSA) इकट्ठा अक्सर हर्मेटिक सील कर रहे हैं और निष्क्रिय गैस से भरा है, आर्द्रता, कंपन और पर्यावरण तनाव के प्रति उत्कृष्ट प्रतिरोध प्रदान करता है।
मल्टीमोड ग्लास फाइबर के साथ जोड़े जाने पर, एसटी ऑप्टिकल मॉड्यूल किलोमीटर के क्रम में संचरण दूरी प्राप्त कर सकते हैं।उच्च वोल्टेज ट्रांसमिशन उपकरण, और बड़े पैमाने पर बिजली रूपांतरण प्रणालियों, जहां विश्वसनीयता की आवश्यकताएं लागत के विचार से अधिक होती हैं।
फाइबर प्रकार और मोडल फैलाव का प्रभाव
ऑप्टिकल फाइबर कुल आंतरिक प्रतिबिंब द्वारा प्रकाश का मार्गदर्शन करते हैं, जो आवरण की तुलना में कोर में उच्च अपवर्तन सूचकांक द्वारा प्राप्त होता है।फाइबर को मोटे तौर पर सिंगल-मोड या मल्टीमोड के रूप में वर्गीकृत किया जाता है.
सिंगल-मोड फाइबर, अपने बहुत छोटे कोर व्यास के साथ, केवल एक प्रसारण मोड का समर्थन करता है और दशकों किलोमीटर पर विकृति मुक्त संचरण को सक्षम करता है, आमतौर पर 1310 एनएम या 1550 एनएम पर।यह सटीक ऑप्टिकल संरेखण और उच्च गुणवत्ता वाले लेजर स्रोतों की मांग करता है.
मल्टीमोड फाइबर, 50 μm या 62.5 μm के कोर व्यास के साथ, कई प्रसार मोड का समर्थन करता है और एलईडी या कम लागत वाले लेजर स्रोतों के लिए उपयुक्त है।इसकी अधिकतम प्रयोग करने योग्य दूरी केवल ऑप्टिकल शक्ति के बजाय मॉडल फैलाव द्वारा सीमित है.
आईजीबीटी गेट ड्राइवर अनुप्रयोगों में, प्लास्टिक ऑप्टिकल मॉड्यूल और एसटी-प्रकार के मॉड्यूल दोनों ही अपनी मजबूती और लागत-प्रभावशीलता के कारण बहु-मोड फाइबर का प्रमुख रूप से उपयोग करते हैं।
उच्च वोल्टेज आईजीबीटी गेट ड्राइवर ऑप्टिकल आइसोलेशन पर क्यों निर्भर करते हैं
सामान्य आईजीबीटी वोल्टेज रेटिंग्स में 650 वी, 1200 वी, 1700 वी, 2300 वी, 3300 वी, 4500 वी और 6500 वी शामिल हैं। लगभग 2300 वी तक वोल्टेज वर्गों के लिए,चुंबकीय या क्षमतात्मक अलगाव उपकरण अभी भी उचित ईएमसी डिजाइन के साथ संयुक्त होने पर व्यवहार्य हो सकते हैं.
हालांकि, 3300 वोल्ट से ऊपर,अलग-अलग पृथक्करण घटकों के क्रिम और क्लीयरेंस प्रतिबंध एक प्रमुख सीमा बन जाते हैं, विशेष रूप से उन प्रणालियों में जहां नियंत्रक और इन्वर्टर इकाई कई मीटर या उससे अधिक दूर हैंऐसे मामलों में, फाइबर लिंक का उपयोग करके ऑप्टिकल अलगाव सबसे स्केलेबल और मजबूत समाधान प्रदान करता है।
रेल कर्षण कन्वर्टर्स, लचीले एचवीडीसी सिस्टम और जहाज के प्रणोदन ड्राइव जैसे अनुप्रयोगों में,ऑप्टिकल अलगाव अब केवल सिग्नल ट्रांसमिशन विधि नहीं है बल्कि सिस्टम सुरक्षा अवधारणा का एक अभिन्न अंग है.
फाइबर-ऑप्टिक युग्मन: संरचना द्वारा परिभाषित अलगाव
अत्यधिक कठोर इन्सुलेशन आवश्यकताओं वाले अनुप्रयोगों में, फाइबर ऑप्टिक युग्मन एक विशेष समाधान के रूप में उभरे हैं।इन उपकरणों में एक ही पैकेज के अंदर एक निश्चित लंबाई के प्लास्टिक फाइबर के साथ ऑप्टिकल ट्रांसमीटर और रिसीवर एकीकृत होते हैं, केवल यांत्रिक संरचना के माध्यम से बहुत बड़ी रेंगने और खाली दूरी प्राप्त करना।
एलईडी प्रौद्योगिकी का उपयोग करके सामान्यतः दृश्य तरंग दैर्ध्य श्रेणी में कार्य करने वाले ऐसे उपकरण दसियों किलोवोल्ट में अलगाव स्तर प्रदान कर सकते हैं।उनकी अलगाव क्षमता मुख्य रूप से अर्धचालक सीमाओं के बजाय भौतिक ज्यामिति द्वारा निर्धारित की जाती है, जो ऑप्टिकल अलगाव की अनूठी स्केलेबिलिटी को उजागर करता है।
ऑप्टिकल मॉड्यूल चयन में प्रमुख मापदंड
आईजीबीटी गेट ड्राइवरों के लिए ऑप्टिकल मॉड्यूल का चयन करते समय, सिस्टम स्तर पर ऑप्टिकल पावर बजटिंग आवश्यक है। प्रमुख मापदंडों में डेटा दर, प्रेषित ऑप्टिकल पावर और रिसीवर संवेदनशीलता शामिल हैं।
पीडब्ल्यूएम गेट नियंत्रण संकेतों के लिए, जो आमतौर पर 5 केएचजेड से नीचे काम करते हैं, केवल कुछ मेगाबिट प्रति सेकंड की डेटा दर पर्याप्त है।उच्च डेटा दरों की आवश्यकता केवल तभी होती है जब ऑप्टिकल लिंक का उपयोग संचार या निदान के लिए भी किया जाता है.
प्रेषित ऑप्टिकल शक्तिPTP_Tपीटीवास्तविक ड्राइव वर्तमान परिस्थितियों में ऑप्टिकल आउटपुट का प्रतिनिधित्व करता है, जबकि रिसीवर संवेदनशीलताPRP_Rपीआरनिर्दिष्ट बिट त्रुटि दर प्राप्त करने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऑप्टिकल शक्ति को परिभाषित करता है। इन मूल्यों के बीच उपलब्ध मार्जिन अनुमत संचरण दूरी निर्धारित करता है।
अधिकतम संचरण दूरी का अनुमान लगाने के लिए एक आम तौर पर प्रयुक्त इंजीनियरिंग मॉडल ऑप्टिकल पावर बजट समीकरण हैः
850 एनएम पर, मल्टीमोड फाइबर क्षीणन के लिए विशिष्ट इंजीनियरिंग मूल्य लगभग 3 ¢ 4 डीबी / किमी 50/125 μm फाइबर के लिए और 2.7 ¢ 3.5 डीबी / किमी 62.5/125 μm फाइबर के लिए हैं।
उदाहरण: ड्राइव करंट के आधार पर दूरी का अनुमान
60 एमए के ड्राइव करंट पर -14 डीबीएम की एक विशिष्ट आउटपुट पावर के साथ एक ट्रांसमीटर ऑप्टिकल मॉड्यूल को विचार करें। सामान्यीकृत ऑप्टिकल पावर बनाम आगे की वर्तमान विशेषता के अनुसार,30 एमए पर ट्रांसमीटर का संचालन करने से लगभग 50% नाममात्र आउटपुट मिलता है, जो −3 डीबी की कमी या −17 डीबीएम के बराबर है।
यदि रिसीवर की संवेदनशीलता −35 डीबीएम है, तो सिस्टम मार्जिन को 2 डीबी पर सेट किया जाता है, और 2.8 डीबी/किमी के क्षीणन के साथ 62.5/125 μm मल्टीमोड फाइबर का उपयोग किया जाता है,अधिकतम ट्रांसमिशन दूरी का अनुमान इस प्रकार लगाया जा सकता हैः:
This example illustrates that even with reduced drive current—often chosen to improve lifetime and thermal performance—sufficient transmission distance can still be achieved when optical power budgeting is properly applied.
प्रचार में अक्सर अनदेखी की जाने वाली व्यावहारिक बातें
वास्तविक अनुप्रयोगों में, ऑप्टिकल लिंक अस्थिरता अक्सर गलत पैरामीटर चयन के कारण नहीं बल्कि प्रक्रिया और स्थापना विवरणों को अनदेखा करने के कारण होती है।
ऑप्टिकल इंटरफेस संदूषण के प्रति अति संवेदनशील होते हैं। धूल के कण फाइबर कोर के आकार के तुलनीय हो सकते हैं और महत्वपूर्ण सम्मिलन हानि या स्थायी अंत-पृष्ठ क्षति का परिचय दे सकते हैं।इसलिए अंतिम स्थापना तक सुरक्षात्मक धूल ढक्कनों को बनाए रखना और उपयुक्त निष्क्रिय सफाई विधियों का उपयोग करना आवश्यक है.
फाइबर झुकना एक और आम तौर पर कम मूल्यवान हानि तंत्र है। जब झुकने की त्रिज्या बहुत छोटी हो जाती है, तो कुल आंतरिक प्रतिबिंब का उल्लंघन किया जाता है, जिससे मैक्रो-झुकने या माइक्रो-झुकने के नुकसान होते हैं।सामान्य नियम के रूप में, न्यूनतम झुकने त्रिज्या फाइबर केबल के बाहरी व्यास के दस गुना से कम नहीं होना चाहिए, और अंतिम स्थापना की स्थिति में ऑप्टिकल शक्ति सत्यापित की जानी चाहिए।
निष्कर्ष
उच्च वोल्टेज आईजीबीटी गेट ड्राइवर प्रणालियों में, ऑप्टिकल मॉड्यूल और फाइबर केवल संकेत घटक नहीं हैं; वे प्राप्त करने योग्य अलगाव स्तर, सिस्टम विश्वसनीयता,और दीर्घकालिक परिचालन स्थिरताप्लास्टिक ऑप्टिकल मॉड्यूल, एसटी-प्रकार के मॉड्यूल और फाइबर-ऑप्टिक युग्मक प्रत्येक वोल्टेज वर्ग, दूरी और विश्वसनीयता आवश्यकताओं द्वारा परिभाषित विशिष्ट अनुप्रयोग डोमेन पर कब्जा करते हैं।
ऑप्टिकल भौतिकी की ठोस समझ, सावधानीपूर्वक ऑप्टिकल पावर बजटिंग,उच्च शक्ति इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों में ऑप्टिकल अलगाव के लाभों का पूरी तरह से एहसास करने के लिए अनुशासित और अनुशासित स्थापना प्रथाएं आवश्यक हैं.
