تحديات الجهد في SST: توبولوجيات وتقنية SiC

إحدى التحديات الأساسية للمحولات الصلبة (SST) هي أن تصنيف الجهد لأجهزة الدوائر الكهربائية الواحدة غير كافٍ تمامًا للتعامل مباشرة مع شبكات التوزيع ذات الجهد المتوسط (مثل 10 كيلوفولت). حل هذه القيود في الجهد لا يعتمد على تقنية واحدة، بل على "نهج متكامل". يمكن تقسيم الاستراتيجيات الرئيسية إلى نوعين: "داخلي" (من خلال الابتكار التكنولوجي والمواد على مستوى الجهاز) و"تعاون خارجي" (من خلال طوبولوجيا الدائرة).

1. التعاون الخارجي: الحل من خلال طوبولوجيا الدائرة (النهج الأكثر انتشارًا ونضجًا حاليًا)
هذا هو النهج الأكثر موثوقية وتعميمًا حاليًا في التطبيقات ذات الجهد المتوسط والعالي والقوة العالية. الفكرة الأساسية هي "القوة في الوحدة" - استخدام التوصيل المتسلسل أو التركيبات المكونة من عدة أجهزة لمشاركة الجهد العالي.

1.1 توصيل الأجهزة المتسلسل

 المبدأ: يتم توصيل عدة أجهزة تبديل (مثل IGBTs أو SiC MOSFETs) بشكل مباشر متسلسلًا لتتحمل الجهد العالي بشكل جماعي. هذا مشابه لتوصيل عدة بطاريات متسلسلًا لتحقيق جهد أعلى.

 التحديات الرئيسية:

• التوازن الديناميكي للجهد: بسبب الاختلافات الطفيفة بين الأجهزة (مثل سرعة التبديل، السعة العقدية)، لا يمكن توزيع الجهد بالتساوي بين الأجهزة أثناء التبديل السريع، مما قد يؤدي إلى زيادة الجهد وإخفاق أحد الأجهزة.

• الحلول: يتطلب الأمر دوائر توازن جهد معقدة نشطة أو ساكنة (مثل دوائر snubber، التحكم في البوابة) لفرض مشاركة الجهد، مما يزيد من تعقيد النظام والتكلفة.

2. طوبولوجيا المحول متعدد المستويات (الاختيار الرئيسي لـ SST اليوم)

2.1 المبدأ: هذا هو مفهوم "متسلسل مكون" أكثر تقدمًا وأداءً أعلى. يولد تقريبًا خطوة من موجة الجيب باستخدام مستويات جهد متعددة بحيث يتحمل كل جهاز تبديل فقط جزءًا من الجهد الكلي للحافلة المباشرة.

2.2 الطوبولوجيات الشائعة:

• محول متعدد المستويات المكون (MMC): واحدة من الطوبولوجيات الأكثر تفضيلاً للمحولات الصلبة ذات الجهد المتوسط والعالي. يتكون من العديد من الوحدات الفرعية المتطابقة (SMs) متصلة متسلسلة. تتضمن كل وحدة فرعية عادة مكثف وعدة أجهزة تبديل. الأجهزة تحمل فقط جهد مكثف الوحدة الفرعية، مما يحل بشكل فعال مشكلة الضغط الجهد. المزايا تشمل القابلية للتجميع، القابلية للتوسع، ونوعية الموجة الناتجة الممتازة.

• محول متعدد المستويات ذو المكثف الطائر (FCMC) ومحول متعدد المستويات ذو العازل الثنائي (DNPC): أيضًا هياكل متعددة المستويات شائعة الاستخدام، ولكن تصبح معقدة بنية وتحكمًا مع زيادة عدد المستويات.

• المزايا: يحل بشكل أساسي قيود تصنيف الجهد للأجهزة الفردية، ويحسن بشكل كبير نوعية موجة الجهد الناتجة، ويقلل من حجم المرشح.

3. التوصيل المتسلسل في المدخل والتوازي في المخرج (ISOP) الهيكل المتسلسل المتوازي

• المبدأ: يتم توصيل عدة وحدات تحويل طاقة كاملة مستقلة (مثل DAB، جسر ثنائي النشاط) بمتسلسل في المدخل لتتحمل الجهد العالي وبمتوازي في المخرج لتسلم التيار العالي. هذا هو حل نظامي مكون.

• المزايا: كل وحدة هي وحدة قياسية ذات جهد منخفض، مما يسهل التصميم والإنتاج والصيانة. موثوقية عالية (فشل وحدة واحدة لا يعرقل تشغيل النظام العام). مناسب للغاية لفلسفة التصميم المكونة لـ SST.

4. التعزيز الداخلي: الابتكار التكنولوجي على مستوى الجهاز (اتجاه التطوير المستقبلي)

هذا النهج يعالج المشكلة بشكل أساسي من منظور علم المواد وفيزياء الدوائر الكهربائية.

4.1 استخدام أجهزة الدوائر الكهربائية ذات الفجوة العريضة

المبدأ: المواد الدوائر الكهربائية الجديدة مثل الكربون السيليكوني (SiC) والنيتروجين الغاليوم (GaN) لديها مجالات انهيار حرجة أعلى بعشر مرات من السيليكون التقليدي (Si). هذا يعني أن أجهزة SiC يمكن أن تحقق تصنيفات جهد أعلى بكثير بنفس السمك مقارنة بأجهزة Si.
المزايا:

• تصنيف جهد أعلى: يمكن لمفتاح SiC MOSFET الآن بسهولة الوصول إلى تصنيفات جهد أعلى من 10 كيلوفولت، بينما تكون IGBTs السيليكونية محدودة عادة بأقل من 6.5 كيلوفولت. هذا يسمح بتقليص طوبولوجيات SST (باستبعاد عدد الأجهزة المتصلة متسلسلة).

• كفاءة أعلى: توفر أجهزة الفجوة العريضة مقاومة توصيل أقل وخسائر تبديل، مما يسمح لـ SST بالعمل بترددات أعلى، وبالتالي يقلل بشكل كبير من حجم ووزن المكونات المغناطيسية (المحولات، الملفات).
  

• الوضع: تعتبر أجهزة SiC ذات الجهد العالي موضوعًا ساخنًا في بحوث SST وتعتبر تقنية مكملة رئيسية لتصميمات SST المستقبلية الثورية.

4.2 تقنية السوبرجونكتيون

• المبدأ: تقنية متقدمة لمفاتيح MOSFET القائمة على السيليكون التي تُدخل مناطق عمودية P و N بديلة لتغيير توزيع المجال الكهربائي، مما يحسن بشكل كبير قدرة الحجب الجهد مع الحفاظ على مقاومة منخفضة عند التشغيل.

• التطبيق: يستخدم بشكل رئيسي في الأجهزة ذات تصنيف الجهد بين 600 فولت و900 فولت. يستخدم في الجانب ذو الجهد المنخفض أو الأقسام ذات القوة المنخفضة من SSTs، لكنه ما زال غير كافٍ للتطبيقات المباشرة ذات الجهد المتوسط.

5. المقارنة

كيف يمكن معالجة قيود تصنيف الجهد لأجهزة الدوائر الكهربائية في SSTs؟

• الحل الأكثر عملية ومعقولية حاليًا هو استخدام طوبولوجيا المحول متعدد المستويات (خاصة محول متعدد المستويات المكون، MMC) أو الهياكل المتسلسلة المتوازية في المدخل والمخرج (ISOP). تعتمد هذه النهج على أجهزة السيليكون الناضجة وتتجاوز قيود تصنيف الجهد للأجهزة الفردية من خلال هياكل النظام المعقدة.

• الحل الأساسي للمستقبل يكمن في نضج وتقليل تكلفة أجهزة الدوائر الكهربائية ذات الفجوة العريضة ذات الجهد العالي، خاصة الكربون السيليكوني (SiC). بمجرد تحقيق ذلك، يمكن تبسيط طوبولوجيات SST بشكل كبير، مما يمكّن من قفزة كبيرة في الكفاءة وكثافة القوة.

في البحث والتطوير الفعلي لـ SST، غالبًا ما يتم الجمع بين تقنيات متعددة - على سبيل المثال، استخدام طوبولوجيا MMC بأجهزة SiC - لتحقيق الأداء الأمثل والموثوقية.