SST nəzəriyyəsi ilə bağlı çətinliklər: Topologiyalar və SiC Texnologiyası

Katı hal transformatorlarının (SST) əsas çətinliklərindən biri, tək enerjiyya səmikonduktu cihazın gerilim reytinqinin orta gerilimli elektrik şəbəkələri (məsələn, 10 kV) ilə doğrudan işləmək üçün çox yetersiz olmasıdır. Bu gerilim məhdudiyyətini həll etmək, tək bir texnologiya üzərində deyil, "birləşmə üsulu" üzərində nəzərə alınır. Əsas strategiyalar iki növə bölünsə bilər: "daxili" (cihaz səviyyəsində texnoloji və material innovasiya vasitəsilə) və "xarici işbirliyi" (şəbəkə topologiyası vasitəsilə).

1.Xarici İşbirliyi: Şəbəkə Topologiyası Üzərində Həll (İndi Ən Yayılmış və Yuxarı Düzəvinə Çatmış Üsul)
İndi orta və yüksək gerilim, yüksək quvvətli tətbiqlərdə ən yaxşı və ən geniş yayılmış üsuldur. Onun əsas fikri "güclü birləşmədir"—bir neçə cihazın ardıcıl qoşulması və ya modulardan ibarət kombinasiyası vasitəsiylə yüksək gerilimin paylanmasını təmin etməkdir.

1.1 Cihazların Ardıcıl Qoşulması

Prinsip: Bir neçə keçid cihazı (məsələn, IGBT-lər və ya SiC MOSFET-lər) ardıcıl qoşularak birgə yüksək gerilimlə mübarizə apara bilir. Bu, bir neçə bataryanın ardıcıl qoşulması ilə daha yüksək gerilim əldə edilməsinə bənzəyir.

Əsas Çətinliklər:

• Dinamik Gerilim Balanslaşdırma: Cihazlar arasında kiçik parametrlər fərqinin (məsələn, keçid sürəti, qovşaq kapasitansi) nəticəsində, sürətli keçid zamanı gerilim cihazlar arasında bərabər paylanmayır, bu da bir cihazda aşırı gerilim və arızaya səbəb olabilir.

• Həll Yolları: Bərabər gerilim paylanması üçün mürəkkəb aktiv və ya passiv gerilim balanslaşdırma şəbəkələri (məsələn, snubber şəbəkələri, qapı idarəetməsi) tələb olunur, bu isə sistem mürəkkəbliyini və maliyyətini artırır.

2. Çox Səviyyəli Konverter Topologiyaları (İndi SST üçün Ən Yayılmış Seçim)

2.1 Prinsip: Bu, daha inkişaf etmiş və yüksək performanslı "modul ardıcıl" konsepsiyasıdır. Bir neçə gerilim səviyyəsi istifadə edərək sinusoidal dalğanın addımlanmış təxmininə nail olunur, beləliklə hər bir keçid cihazı ümumi DC avtolinəsi geriliminin yalnız bir hissəsini dayandırır.

2.2 Müxtəlif Topologiyalar:

• Modul Çox Səviyyəli Konverter (MMC): Orta və yüksək gerilimli SST-lər üçün ən çox sevilən topologiyalardan biridir. Bir neçə eyni altmodullardan (SM) ibarətdir. Hər bir altmodul adətən bir kondensator və bir neçə keçid cihazı əhatə edir. Cihazlar yalnız altmodulun kondensatorunun gerilimini dayandırır, bu da effektiv şəkildə gerilim stresi problemini həll edir. Avtomatlaşdırma, məhsuldarlıq və əla çıxış dalğa forması keyfiyyəti kimi üstünlüklər var.

• Uçuran Kondensatorlu Çox Səviyyəli Konverter (FCMC) və Diodla Məhdudlaşdırılan Çox Səviyyəli Konverter (DNPC): Daha çox istifadə olunan çox səviyyəli strukturlar, lakin səviyyə sayının artması ilə birgə struktura və idarəetmə mürəkkəbliyi artır.

• Üstünlüklər: Fərdi cihazların gerilim reytinqi məhdudiyyətini əsasən həll edir, çıxış gerilim dalğası forması keyfiyyətini nəticələn dəyişir və filtrlərin ölçüsünü azaldır.

3. Girdi-Ardıcıl Çıxış-Paralel (ISOP) Kasıdalı Struktur

• Prinsip: Bir neçə tam, müstəqil enerjiyya keçid vahidləri (məsələn, DAB, Dual Aktiv Köprü) girdiləri ardıcıl, çıxışları paralel qoşularak yüksək gerilimlə mübarizə apara və yüksək amperiyya təmin edir. Bu, sistem səviyyəsində modulardan ibarət həll yolu.

• Üstünlüklər: Hər bir vahid aşağı gerilim standart modulu, dizayn, istehsal və təmir prosesini sadələştirir. Yüksək nəzarət (bir vahidin arızası ümumi sistemin işləməsini dayandırmır). SST-nin modulardan ibarət dizayn felsefəsi üçün əla uyğundur.

4. Daxili Gücləndirmə: Cihaz Səviyyəsində Texnoloji İnnovasiya (Gələcəkdə İnkişaf Yönü)

Bu üsul, material elmi və səmikonduktor fizikası perspektivlərindən problemi əsasən həll edir.

4.1 Geniş Zona Səmikonduktor Cihazlarının İstifadəsi

Prinsip: Silisium karbid (SiC) və galium nitrid (GaN) kimi yeni nəsil səmikonduktor materialların, gələcək silisium (Si) kimi tradisiya materiallardan bir onluq böyük qararlılıq elektrik sahəsi var. Bu, SiC cihazlarının Si cihazlarına nəzərən eyni enlikdə daha yüksək gerilim reytinqləri əldə etməsinə imkan verir.
Üstünlüklər:

• Yüksək Gerilim Reytinqi: İndi bir SiC MOSFET 10 kV-dan yuxarı gerilim reytinqinə asanlıqla çata bilir, o cümlədən silisium IGBT-lər adətən 6.5 kV-dan aşağı məhdudlaşdırılır. Bu, SST topologiyalarını sadələşdirir (ardıcıl qoşulmuş cihazların sayı azalır).

• Yüksək Nəzarət: Geniş zona cihazları, daha aşağı keçid direksiyası və keçid zədələri təmin edir, bu da SST-lərin daha yüksək tezliklərdə işləməsinə imkan verir, beləliklə magnit komponentlərin (transformatorlar, indüktörler) ölçüsünü və ağırlığını nəticələn azaldır.
  

• Vəziyyət: Yüksek gerilimli SiC cihazları, SST araşdırmalarında indi aktiv mövzudur və gələcəkdə SST dizaynları üçün əsas olan texnologi kimi qiymətləndirilir.

4. 2 Superjunction Texnologiyası

• Prinsip: Silisium bazlı MOSFET-lər üçün inkişaf etmiş üsul, P-tipi və N-tipi sütun oblastlarının alternativ daxil olmasına nəzərən elektrik sahəsin paylanmasını dəyişir, beləliklə gerilim bloklayıcı imkanını böyük ölçüdə yaxşılaşdırır, eyni zamanda aşağı keçid direksiyası saxlanılır.

• Tətbiq: Əsasən 600 V və 900 V arasında qəsdarlıq dərəcəsi olan cihazlarda istifadə olunur. SST-lərin aşağı qəsdar hissəsində və ya daha az gücdən istifadə edilir, amma birbaşa orta qəsdar tətbiqləri üçün hələ kifayətsizdir.

5. Müqayisə

Nəzarət sisteminin enerji səmiran cihazlarının voltaj növündəki məhdudluqlarına necə yanaşmaq olar?

• İndiki dəqiqlikda ən praktik və etibarlı həll multisəviyyəli inverter topologiyalarının (xüsusilə Modulalı Multisəviyyəli Konverterlər, MMC) və ya ardıcıllık-seriya giriş-paralel çıxış (ISOP) strukturlarının istifadəsidir. Bu yanaşmalar, qədim silikon bazlı cihazlar əsasında, müxtəlif sistem səviyyəsi arxitekturları vasitəsiylə fərdi cihazların voltaj növündəki məhdudluqlardan çəkiliş edir.

• Gələcək üçün əsas həll yüksək voltajlı geniş zonlu səmiran cihazların, xüsusilə silitsium karbid (SiC) cihazların, muraxəkkəti və qiymətin azaldılmasıdır. Bu, SST topologiyalarını nəzəriyəvi olaraq sadələşdirməyə imkan verir və effektivlik və enerji sıxlığıda böyük ilərəkəmə gətirir.

Faktiki SST tədqiqatları və inkişafı zamanı, bir neçə texnologiyanın birləşdirilməsi adətən optimal performans və etibarlılıq almaq üçün istifadə olunur - məsələn, SiC cihazlarını istifadə edən MMC topologiyası.