Изходници на напрежението SST: Топологии и SiC технологии
Една от основните предизвикателства за твърдото състояние на трансформаторите (SST) е, че напрежението на единичен полупроводников преобразувателен апарат е далеч недостатъчно, за да обработва средноволтови разпределителни мрежи (например 10 кВ). Решаването на това ограничение по напрежение не зависи от една-единствена технология, а от "комбиниран подход". Основните стратегии могат да бъдат класифицирани в два типа: "вътрешни" (чрез техническа и материална иновация на ниво устройство) и "внешно сътрудничество" (чрез топология на схемата).
1. Външно сътрудничество: Решаване чрез топология на схемата (В момента най-широко разпространеният и зрелий подход)
Това е в момента най-надеждният и широко прилаган подход в средноволтови и високоволтови, високомощностни приложения. Неговата основна идея е "сила в единство" - използване на сериозни свързания или модулни комбинации от множество устройства, за да споделят високото напрежение.
1.1 Серийно свързване на устройства
Принцип: Множество комутационни устройства (например IGBT или SiC MOSFET) са директно свързани в серия, за да устоят колективно на високото напрежение. Това е аналогично на свързването на множество батерии в серия, за да се постигне по-високо напрежение.
Основни предизвикателства:
Динамично балансиране на напрежението: Поради малки различия в параметрите на устройствата (например скорост на комутиране, щепселна капацитет), напрежението не може да бъде равномерно разпределено между устройствата при високоскоростно комутиране, което може да доведе до прекомерно напрежение и отказ на едно устройство.
Решения: Изискват се сложни активни или пасивни схеми за балансиране на напрежението (например демпфери, контрол на входа), за да се насърчи споделянето на напрежението, увеличавайки сложността и цената на системата.
2. Топологии на многоуровневи преобразуватели (Предпочитан избор за SST днес)
2.1 Принцип: Това е по-напреднал и по-високопроизводителен концепт на "модулна серия". Генерира стъпково приближение на синусоидална вълна, използвайки множество нива на напрежение, така че всяко комутационно устройство да устоя само на част от общото DC шина напрежение.
2.2 Общи топологии:
Модулни многоуровневи преобразуватели (MMC): Една от най-любимите топологии за средноволтови и високоволтови SST. Състои се от множество идентични подмодули (SMs), свързани в серия. Всеки подмодул обикновено включва кондензатор и няколко комутационни устройства. Устройствата издържат само напрежението на кондензатора на подмодула, ефективно решавайки проблема с напрежението. Преимуществата включват модуларност, мащабируемост и отлична качество на изходния сигнал.
Летящи кондензатори многоуровневи преобразуватели (FCMC) и диодно-заклещени многоуровневи преобразуватели (DNPC): Също широко използвани многоуровневи структури, но стават структурно и контролно сложни, когато числото на нивата се увеличава.
Преимущества: Фундаментално решава ограничението на напрежението на отделните устройства, значително подобрява качеството на изходния сигнал и намалява размера на филтриращите компоненти.
3. Вход-серия изход-паралел (ISOP) каскадна структура
Принцип: Множество пълни, независими преобразувателни единици (например DAB, Двойна активна мост) са свързани с техните входове в серия, за да издържат високото напрежение, и изходовете в паралел, за да доставят високи токове. Това е системно модулно решение.
Преимущества: Всяка единица е стандартен модул с ниско напрежение, опростявайки проектирането, производството и поддръжката. Висока надеждност (отказ на една единица не прекъсва общата операция на системата). Много подходящо за модулния дизайн на SST.
4. Вътрешно укрепване: Технологична иновация на ниво устройство (Бъдещо направление на развитие)
Този подход фундаментално решава проблема от гледна точка на материалистическата наука и физиката на полупроводниците.
4.1 Извършване на широкозонни полупроводникови устройства
Принцип: Новото поколение полупроводникови материали като кремиков карбид (SiC) и галогенит (GaN) имат критично разрушително електрическо поле с порядък на големина по-голямо от традиционния кремик (Si). Това означава, че устройствата с SiC могат да достигнат много по-високи нива на напрежение при същата дебелина в сравнение с устройствата с Si.
Преимущества:
По-високо напрежение: Единичен SiC MOSFET сега лесно може да достигне нива на напрежение над 10 кВ, докато кремиковите IGBT обикновено са ограничени до под 6,5 кВ. Това позволява опростяване на топологията на SST (намаляване на броя на сериозно свързаните устройства).
По-висока ефективност: Широкозонните устройства предлагат по-ниско проводимо съпротивление и загуби при комутиране, позволявайки на SST да работят на по-високи честоти, което значително намалява размера и теглото на магнитните компоненти (трансформатори, индуктори).
Статус: Високонапреженните устройства с SiC в момента са актуална тема в изследванията на SST и се считат за ключова технология за бъдещите превратни дизайни на SST.
4. 2 Суперджункционална технология
Принцип: Напреднала техника за кремикови MOSFET, която въвежда алтернативни P-тип и N-тип стълбови области, за да промени разпределението на електрическото поле, което значително подобрява способността за блокиране на напрежението, докато се поддържа ниско съпротивление при включване.
Приложение: Преимуществено се използва в устройства с напрежение между 600 В и 900 В. Приложено в нисковолтовата страна или в по-малкомощните секции на SST, но все още недостатъчно за пряко средноволтово приложение.
5. Сравнение
| Подход за решение | Специфичен метод | Основен принцип | Преимущества | Недостатъци | Зрелост |
| Външно сътрудничество | Сериозно свързване на устройства | Множество устройства споделят напрежението | Прост принцип, може да бъде реализиран бързо | Трудно динамично споделяне на напрежението, сложен контрол, висок предизвикателство за надеждност | Зрела |
| Многоуровнев преобразувател (например MMC) | Модулни подмодули са свързани в серия, всеки модул издържа ниско напрежение | Модуларен, лесен за разширяване, добро качество на сигнала, висока надеждност | Голям брой подмодули, сложен контрол, относително висока цена | Сегашен основен / Зрел | |
| Каскадна структура (например ISOP) | Стандартни преобразувателни единици са свързани в серия при вход | Модуларен, силна съпротивляемост към грешки, прост дизайн | Изисква множество изолационни трансформатори, обемът на системата може да бъде голям | Зрела | |
| Вътрешен (иновация на устройството) | Широкозонен полупроводник (SiC/GaN) | Материалът сам по себе си има високо разрушително електрическо поле, и възможността за издържане на напрежението е вродена | Високо напрежение, висока ефективност, висока честота, опростена топология | Висока цена, технологията за управление и защита все още се развива | Бъдещо направление / Бързо развитие |
| Суперджункционална технология | Оптимизира вътрешното разпределение на електрическото поле на устройството | Подобрено изпълнение в сравнение с традиционните устройства | Има горен предел на възможността за издържане на напрежението, трудно да се справи със средноволтово напрежение | Зрела (използва се в нисковолтовото поле) |
Как да се справим с ограниченията на напрежението на полупроводниковите преобразувателни апарати в SST?
Най-практичното и надеждно решение в момента е да се използват многоуровневи топологии на преобразуватели (особено модулни многоуровневи преобразуватели, MMC) или каскадни структури с вход-серия и изход-паралел (ISOP). Тези подходи, базирани на зрели кремикови устройства, обикалят ограничението на напрежението на отделните устройства чрез сложни системни архитектури.
Фундаменталното решение за бъдещето лежи в зреенето и намаляването на цената на високонапреженни широкозонни полупроводникови устройства, особено кремиков карбид (SiC). Когато това стане реалност, топологията на SST може да бъде значително опростена, позволявайки скок в ефективността и плътността на мощността.
В действителните изследвания и разработки на SST, често се комбинират множество технологии - например използване на топология MMC с устройства с SiC - за да се постигне оптимална производителност и надеждност.
