Výzvy SST napětí: Topologie a SiC technologie

Jedním z klíčových problémů pevných transformátorů (SST) je, že napěťové hodnocení jednoho polovodičového přepínače je daleko nedostatečné pro přímou práci s středovými napěťovými distribučními sítěmi (např. 10 kV). Řešení tohoto omezení v napětí nezávisí na jedné technologii, ale spíše na "kombinovaném přístupu". Hlavní strategie lze rozdělit do dvou typů: "interní" (pomocí inovací na úrovni zařízení a materiálů) a "externí spolupráce" (pomocí topologie obvodů).

1. Externí spolupráce: Řešení prostřednictvím topologie obvodů (v současnosti nejrozšířenější a nejzralější přístup)
Tento přístup je v současnosti nejspolehlivější a nejvíce používaný v aplikacích středního a vysokého napětí s vysokým výkonem. Jeho základní myšlenkou je "síla v jednotě" - použití sériových spojení nebo modulárních kombinací více zařízení pro sdílení vysokého napětí.

1.1 Sériové spojení zařízení

 Princip: Více přepínacích zařízení (např. IGBT nebo SiC MOSFET) jsou přímo spojena v sérii, aby společně odolávala vysokému napětí. Toto je analogické s sériovým spojením několika baterií pro dosažení vyššího napětí.

 Klíčové výzvy:

• Dynamické vyrovnávání napětí: V důsledku menších parametrických rozdílů mezi zařízeními (např. rychlost přepínání, kapacita uzlu) se napětí během rychlého přepínání nemůže rovnoměrně rozdělit mezi zařízeními, což může způsobit přetížení a selhání jednoho zařízení.

• Řešení: Vyžadují se komplexní aktivní nebo pasivní obvody pro vyrovnávání napětí (např. tlumičové obvody, řízení brány), které umožňují sdílení napětí, což zvyšuje složitost a náklady systému.

2. Topologie víceúrovňových převodníků (nejrozšířenější volba pro SST v současnosti)

2.1 Princip: Jedná se o pokročilejší a výkonnější koncept "modulární série". Generuje stupňovitou aproximaci sinusové vlny pomocí více úrovní napětí, takže každé přepínací zařízení snáší pouze část celkového DC sběrnice.

2.2 Běžné topologie:

• Modulární víceúrovňový převodník (MMC): Jedna z nejoblíbenějších topologií pro SST středního a vysokého napětí. Skládá se z mnoha identických podsoustav (SM) spojených v sérii. Každá podsoušstava obvykle obsahuje kondenzátor a několik přepínacích zařízení. Zařízení snáší pouze napětí kondenzátoru podsoustavy, což efektivně řeší problém s napěťovým stresem. Výhody zahrnují modularitu, škálovatelnost a vynikající kvalitu výstupní vlny.

• Víceúrovňový převodník s létajícím kondenzátorem (FCMC) a víceúrovňový převodník s diodovým zajištěním (DNPC): Také často používané víceúrovňové struktury, ale stávají se strukturně a ovládací stránky komplikovanější s rostoucím počtem úrovní.

• Výhody: Zásadně řeší omezení v napěťovém hodnocení jednotlivých zařízení, výrazně zlepšuje kvalitu výstupní vlny napětí a snižuje velikost filtrů.

3. Vstupní sériové výstupní paralelní (ISOP) kaskádová struktura

• Princip: Několik kompletních, nezávislých jednotek převodu energie (např. DAB, Dual Active Bridge) jsou spojeny sériově na vstupech, aby odolávaly vysokému napětí, a paralelně na výstupech, aby poskytovaly vysoký proud. Jedná se o systémové modulární řešení.

• Výhody: Každá jednotka je nízkonapěťový standardní modul, což zjednodušuje návrh, výrobu a údržbu. Vysoká spolehlivost (selhání jedné jednotky naruší fungování celého systému). Výborně se hodí pro modulární design filosofie SST.

4. Interní posílení: Inovační technologie na úrovni zařízení (budoucí směr vývoje)

Tento přístup zásadně řeší problém z hlediska materiálové vědy a fyziky polovodičů.

4.1 Použití širokopásmových polovodičových zařízení

Princip: Nové generace polovodičových materiálů, jako je křemík uhličitý (SiC) a dusičnan hořečnatý (GaN), mají kritické elektrické pole prolomu o desetkrát vyšší než tradiční křemík (Si). To znamená, že SiC zařízení mohou dosáhnout mnohem vyšších napěťových hodnocení ve stejné tloušťce než Si zařízení.
Výhody:

• Vyšší napěťové hodnocení: Jeden SiC MOSFET může teď snadno dosáhnout napěťového hodnocení nad 10 kV, zatímco silikónové IGBT jsou obvykle omezeny na méně než 6,5 kV. To umožňuje zjednodušení topologií SST (snížení počtu sériově spojených zařízení).

• Vyšší efektivita: Širokopásmová zařízení nabízejí nižší odpornost při průchodu a ztráty při přepínání, což umožňuje SST pracovat na vyšších frekvencích, což významně snižuje velikost a hmotnost magnetických komponent (transformátorů, cívek).
  

• Stav: Vysokonapěťová SiC zařízení jsou v současnosti populárním tématem výzkumu SST a jsou považována za klíčovou povolující technologii pro budoucí revoluční návrhy SST.

4. 2 Superjunction technologie

• Princip: Pokročilá technika pro MOSFETY na bázi křemíku, která zavádí střídající se P-typ a N-typ pilířové oblasti, aby změnila rozložení elektrického pole, což výrazně zlepšuje schopnost blokovat napětí při zachování nízkého odpornosti při průchodu.

• Aplikace: Hlavně používána v zařízeních s napěťovým hodnocením mezi 600 V a 900 V. Používá se na níznínapěťové straně nebo v nižkomocných částech SST, ale stále není dostatečná pro přímé střední napěťové aplikace.

5. Porovnání

Jak řešit omezení v napěťovém hodnocení polovodičových přepínačů v SST?

• Nejpoužitelnějším a nejspolehlivějším řešením v současnosti je použití topologií víceúrovňových převodníků (zejména Modulární víceúrovňové převodníky, MMC) nebo kaskádových struktur s vstupem v sérii a výstupem v paralelní (ISOP). Tyto přístupy, založené na zralých silikónových zařízeních, obejdou látkové omezení individuálních zařízení prostřednictvím sofistikovaných architektur na úrovni systému.

• Základním řešením pro budoucnost je zralost a snížení nákladů na vysokonapěťová širokopásmová polovodičová zařízení, zejména křemík uhličitý (SiC). Jakmile to bude realizováno, topologie SST mohou být výrazně zjednodušeny, což umožní skok vpřed v efektivitě a hustotě výkonu.

V reálném výzkumu a vývoji SST se často kombinují více technologií – například použití topologie MMC s SiC zařízeními – aby byly dosaženy optimální výkony a spolehlivost.