SST Spanningsuitdagings: Topologieë & SiC Tegnologie

Een van die kernuitdagings van vaste-toestand-transformers (SST) is dat die spanningvermoë van 'n enkele kragsemi-geleiapparaat baie onvoldoende is om direk met middelspanningsverspreidingsnette (bv. 10 kV) te hanteer. Die aanspreek van hierdie spanningbeperking hang nie af van 'n enkele tegnologie, maar eerder van 'n "kombinasiebenadering". Die hoofstrategieë kan in twee tipes gelykgestel word: "intern" (deur apparaatvlak-tegnologiese en materiaalinnovasie) en "eksterne samehang" (deur sirkuittopologie).

1. Eksterne Samehang: Oplossing deur Sirkuittopologie (Tans die Mees Mainstream en Volwasse Benadering)
Dit is tans die mees betroubare en wyd toegepaste benadering in middel- en hoëspanning, hoëkragtoepassings. Die kernidee is "sterkheid in eenheid"—deur reeksverbindings of modulêre kombinasies van verskeie toestelle om die hoë spanning te deel.

1.1 Toestel Reeks Verbinding

 Prinsip: Verskeie switschtoestelle (bv. IGBT's of SiC MOSFET's) word direk in reeks verbonden om kollektief hoë spanning te verdra. Dit is analoog aan die verbind van verskeie batterye in reeks om 'n hoër spanning te bereik.

 Kern Uitdagings:

• Dinamiese Spanningsbalansering: As gevolg van min parameterverskille tussen toestelle (bv. switschspoed, spanningskapasiteit), kan die spanning nie eweredig verdeel word oor toestelle tydens hoëspoedswitsching, wat moontlik oorspanning en mislukking in een toestel kan veroorsaak.

• Oplossings: Komplekse aktiewe of pasiewe spanningsbalanseringskringe (bv. snubberkringe, poortbeheer) is nodig om spanningsdeling te dwing, wat die stelselkompleksiteit en -koste verhoog.

2. Multivlak Konverter Topologieë (Huidige Keuse vir SST)

2.1 Prinsip: Dit is 'n meer gevorderde en hoërprestasie "modulêre reeks" konsep. Dit genereer 'n trapsgewyse benadering van 'n sinusgolf deur gebruik te maak van verskeie spanningvlakke, sodat elke switschtoestel slegs 'n fraksie van die totale DC-busspanning verdra.

2.2 Gewone Topologieë:

• Modulêre Multivlak Konverter (MMC): Een van die mees gunstigste topologieë vir middel- en hoëspanning SST's. Dit bestaan uit talryke identiese submodules (SM's) wat in reeks verbonden is. Elke submodule sluit tipies 'n kondensator en verskeie switschtoestelle in. Toestelle verdra slegs die spanning van die submodule se kondensator, wat effektief die spanningstressprobleem oplos. Voordelige sluit modulariteit, skaalbaarheid en uitsonderlike uitvoer-golfvormkwaliteit in.

• Vliegende Kondensator Multivlak Konverter (FCMC) en Diode-Geklemde Multivlak Konverter (DNPC): Ook algemeen gebruikte multivlakstrukture, maar word struktureel en beheerlik komplekser as die aantal vlakke toeneem.

• Voordelige: Los fundamenteel die spanningvermoëbeperking van individuele toestelle op, verbeter die uitvoerspanningsgolfvormkwaliteit beduidend, en verminder die filtergrootte.

3. Ingangsreeks Uitgangsparalel (ISOP) Kaskade Struktuur

• Prinsip: Verskeie volledige, onafhanklike kragkonversie-eenhede (bv. DAB, Dubbel Aktiewe Brug) word met hul ingange in reeks verbonden om hoë spanning te verdra en hul uitgange in parallel om hoë stroom te lewer. Dit is 'n stelselvlak-modulêre oplossing.

• Voordelige: Elke eenheid is 'n laagspanningsstandaardmodule, wat ontwerp, vervaardiging en instandhouding vereenvoudig. Hoë betroubaarheid (mislukking van een eenheid verstoord nie die algehele stelseloperasie nie). Hoogs geskik vir die modulêre ontwerpfilosofie van SST.

4. Interne Versterking: Apparaatvlak-tegnologiese Innovasie (Toekomstige Ontwikkelingsrigting)

Hierdie benadering hanteer die kwessie fundamenteel vanuit die perspektief van materiaalkunde en semi-geleierfisika.

4.1 Gebruik van Wye Bandbreedte Semi-Geleiertoestelle

Prinsip: Nuwe generasie semi-geleiertoestelle soos silisiumkarbied (SiC) en galliumnitried (GaN) het kritiese inslagveld-elektriese velde 'n orde van grootte hoër as tradisionele silisium (Si). Dit beteken dat SiC-toestelle by dieselfde dikte baie hoër spanningvermoë kan bereik as Si-toestelle.
Voordelige:

• Hoër Spanningsvermoë: 'n Enkele SiC MOSFET kan nou maklik spanningvermoë bo 10 kV bereik, terwyl silisium IGBT's tipies beperk is tot onder 6,5 kV. Dit maak SST-topologieë vereenvoudig (vermindering van die aantal reeksverbonden toestelle).

• Hoër Effektiwiteit: Wye bandbreedte toestelle bied laer geleidingsweerstand en switschverlies, wat SST's in staat stel om by hoër frekwensies te werk, wat daardeur die grootte en gewig van magnetiese komponente (transformers, spoels) beduidend verminder.
  

• Status: Hoëspanning SiC-toestelle is tans 'n warm onderwerp in SST-navorsing en word beskou as 'n sleutelaktiveringstegnologie vir toekomstige veranderende SST-ontwerpe.

4.2 Superjunction Tegnologie

• Prinsip: 'n Gevorderde tegniek vir silisiumgebaseerde MOSFET's wat wisselende P-tipe en N-tipe pilaarareas introduksieer om die elektriese veldverdeling te verander, wat daardeur die spanningblokkeervermoë aansienlik verbeter terwyl lae op-weerstand behou word.

• Toepassing: Primêr gebruik in toestelle met spanningvermoë tussen 600 V en 900 V. Toegepas in die laagspanningskant of laerkragseksies van SST's, maar nog steeds onvoldoende vir direkte middelspanningstoepassings.

5. Vergelyking

Hoe om die spanningvermoëbeperking van kragsemi-geleiertoestelle in SST's aan te spreek?

• Die mees praktiese en betroubare oplossing tans is om multivlak konverter topologieë (veral Modulêre Multivlak Konverter, MMC) of gekaskadeerde ingangsreeks uitgangsparalel (ISOP) strukture te gebruik. Hierdie benaderinge, gebaseer op volwasse silisiumgebaseerde toestelle, omseer die spanningvermoëflasnek van individuele toestelle deur gesofistikeerde stelselvlak-argitektuur.

• Die fundamentele oplossing vir die toekoms lê in die volwassening en kostevermindering van hoëspanning wye bandbreedte semi-geleiertoestelle, veral silisiumkarbied (SiC). Wanneer dit verwesenlik word, kan SST-topologieë aansienlik vereenvoudig word, wat 'n sprong voorwaarts in effektiwiteit en kragdigtheid moontlik maak.

In werklike SST-navorsing en -ontwikkeling word dikwels verskeie tegnologieë gekombineer—byvoorbeeld, die gebruik van 'n MMC-topologie met SiC-toestelle—om optimale prestasie en betroubaarheid te bereik.