Desafiaments de tensió SST: Topologies i tecnologia SiC

Un dels reptes fonamentals dels transformadors d'estat sòlid (SST) és que la tensió nominal d'un únic dispositiu semiconductor de potència és molt insuficient per gestionar directament les xarxes de distribució de mitjana tensió (p. ex., 10 kV). Resoldre aquesta limitació de tensió no depèn d'una única tecnologia, sinó més aviat d'un "enfocament combinat". Les estratègies principals es poden categoritzar en dos tipus: "intern" (a través de l'innovació tecnològica i material a nivell de dispositiu) i "col·laboració externa" (a través de la topologia del circuit).

1. Col·laboració Externa: Resolució a Través de la Topologia del Circuit (Actualment l'Enfocament Més Mainstream i Madur)
Això és actualment l'enfocament més fiable i ampliament aplicat en aplicacions de mitjana i alta tensió, amb gran potència. La seva idea principal és "la força en la unitat"—utilitzant connexions en sèrie o combinacions modulàries de múltiples dispositius per compartir la alta tensió.

1.1 Connexió en Sèrie de Dispositius

 Principi: Múltiples dispositius commutadors (p. ex., IGBTs o SiC MOSFETs) es connecten directament en sèrie per suportar colectivament la alta tensió. Això és anàleg a connectar diverses bateries en sèrie per aconseguir una tensió més elevada.

 Reptes Clau:

• Equilibrat Dinàmic de Tensió: Degut a petites diferències entre els paràmetres dels dispositius (p. ex., velocitat de commutació, capacitance de jonc), la tensió no es distribueix uniformement entre els dispositius durant la commutació de velocitat elevada, el que pot causar sobretensió i fallida en un dispositiu.

• Solucions: Es requereixen circuits complexos actius o passius d'equilibrat de tensió (p. ex., circuits snubber, control de porta) per forçar la compartició de tensió, augmentant la complexitat i el cost del sistema.

2. Topologies de Convertidor Multinivell (Elecció Mainstream Actual per SST)

2.1 Principi: Aquest és un concepte més avançat i de millor rendiment basat en "sèrie modular". Genera una aproximació en escales d'ona sinusoidal utilitzant diversos nivells de tensió, de manera que cada dispositiu commutador només suporta una fracció de la tensió total de la línia de DC.

2.2 Topologies Comunes:

• Convertidor Modular Multinivell (MMC): Una de les topologies més favorides per a SSTs de mitjana i alta tensió. Consisteix en nombrosos submòduls (SMs) idèntics connectats en sèrie. Cada submòdul típicament inclou un condensador i diversos dispositius commutadors. Els dispositius només suporten la tensió del condensador del submòdul, resolent efectivament el problema de la tensió. Avantatges: modularitat, escalabilitat i qualitat excel·lent de la forma d'ona de sortida.

• Convertidor Multinivell amb Capacitor Volant (FCMC) i Convertidor Multinivell Amb Diodes (DNPC): També són estructures multinivell comunes, però esdevenen estructuralment i de control complexos quan augmenta el nombre de nivells.

• Avantatges: Soluciona fonamentalment la limitació de la tensió nominal dels dispositius individuals, millora significativament la qualitat de la forma d'ona de tensió de sortida i redueix la mida dels filtres.

3. Estructura Cascada Entrada en Sèrie Sortida en Paral·lel (ISOP)

• Principi: Diverses unitats de conversió de potència completes i independents (p. ex., DAB, Pont Dual Actiu) es connecten amb les seves entrades en sèrie per suportar la alta tensió i les seves sortides en paral·lel per aconseguir una corrent elevada. Això és una solució modular a nivell de sistema.

• Avantatges: Cada unitat és un mòdul estàndard de baixa tensió, simplificant el disseny, la fabricació i la manteniment. Alta fiabilitat (la fallida d'una unitat no interromp la operació general del sistema). Altament adequat per a la filosofia de disseny modular dels SST.

4. Reforç Intern: Innovació Tecnològica a Nivell de Dispositiu (Direcció de Desenvolupament Futur)

Aquest enfocament aborda fonamentalment la qüestió des de les perspectives de la ciència dels materials i la física dels semiconductors.

4.1 Ús de Dispositius Semiconductors de Gran Amplitud de Bandeja

Principi: Materials semiconductors de nova generació com el carbide de silici (SiC) i el nitrur de gal·li (GaN) tenen camps elèctrics crítics de trencament una ordre de magnitud superior als del silici (Si) tradicional. Això significa que els dispositius de SiC poden aconseguir tensions nominals molt més altes a la mateixa espessor que els dispositius de Si.
Avantatges:

• Tensió Nominal Superior: Un únic SiC MOSFET pot arribar fàcilment a tensions nominals superiors a 10 kV, mentre que els IGBTs de silici normalment estan limitats a menys de 6,5 kV. Això permet topologies SST simplificades (reduint el nombre de dispositius connectats en sèrie).

• Més Eficiència: Els dispositius de gran amplitud de bandeja ofereixen menor resistència de conducció i pèrdues de commutació, permetent als SST funcionar a freqüències més altes, reduint significativament la mida i el pes dels components magnètics (transformadors, inductors).
  

• Estat: Actualment, els dispositius de SiC de alta tensió són un tema de gran interès en la recerca d'SST i es consideren una tecnologia clau per a dissenys futurs disruptius d'SST.

4.2 Tecnologia Superjunction

• Principi: Una tècnica avançada per a MOSFETs basats en silici que introdueix regions alternades de P i N per alterar la distribució del camp elèctric, millorant significativament la capacitat de bloqueig de tensió mentre es manté una baixa resistència en conducció.

• Aplicació: Principalment utilitzada en dispositius amb tensions nominals entre 600 V i 900 V. Aplicada al costat de baixa tensió o seccions de baixa potència dels SST, però encara insuficient per a aplicacions de mitjana tensió directa.

5. Comparació

Com abordar les limitacions de la tensió nominal dels dispositius semiconductors de potència en els SST?

• La solució més pràctica i fiable actualment és adoptar topologies de convertidor multinivell (especialment Convertidors Modulares Multinivell, MMC) o estructures cascades d'entrada en sèrie i sortida en paral·lel (ISOP). Aquests enfocaments, basats en dispositius de silici madurs, eviten la botella de coll de la tensió nominal dels dispositius individuals a través d'arquitectures sofisticades a nivell de sistema.

• La solució fonamental per al futur resideix en la maduració i reducció de costos dels dispositius semiconductors de gran amplitud de bandeja de alta tensió, especialment el carbide de silici (SiC). Un cop això s'aconsegueixi, les topologies SST es podran simplificar significativament, permetent un gran salto en l'eficiència i la densitat de potència.

En la recerca i desenvolupament real d'SST, sovint es combinen diverses tecnologies—per exemple, utilitzar una topologia MMC amb dispositius SiC—per aconseguir un rendiment i fiabilitat òptims.