SST spændingsudfordringer: Topologier & SiC-teknologi

En af de centrale udfordringer for fasttilstands-transformatorer (SST) er, at spændingsklassifikationen for en enkelt effektleddet halvleder er langt fra tilstrækkelig til at håndtere mellemspændingsforsyningsnet (f.eks. 10 kV). Løsningen på denne spændingsbegrænsning ligger ikke i en enkelt teknologi, men snarere i en "kombinationsmetode". De primære strategier kan inddeles i to typer: "intern" (gennem teknologisk og materiale innovation på enhedsniveau) og "ekstern samarbejde" (gennem kredsløbs-topologi).

1. Ekstern Samarbejde: Løsning via Kredsløbs-Topologi (i Øjeblikket den Mest Almindelige og Modne Metode)
Dette er i øjeblikket den mest pålidelige og bredt anvendte metode i mellem- og højspændings, høj-effekt applikationer. Dens kerneide er "styrke i enhed" - ved at bruge serieforbindelser eller modulare kombinationer af flere enheder for at dele det høje spænding.

1.1 Serieforbindelse af Enheder

 Princip: Flere skiftende enheder (f.eks. IGBT'er eller SiC MOSFET'er) forbinder direkte i serie for at tilsammen klare højt spænding. Dette ligner at forbinde flere batterier i serie for at opnå højere spænding.

 Kritiske Udfordringer:

• Dynamisk Spændingsudligevægt: På grund af mindre parametre forskelle mellem enheder (f.eks. skiftehastighed, junction kapacitance), kan spændingen ikke jævnt fordeles over enheder under hurtigt skifte, hvilket potentielt kan føre til overspænding og fejl i en enhed.

• Løsninger: Komplekse aktive eller passive spændingsudligevægt kredsløb (f.eks. snubber kredsløb, gate kontrol) er nødvendige for at fremme spændingsdeling, hvilket øger systemkompleksitet og -omkostninger.

2. Multiniveaulige Konverter Topologier (Hovedvalg for SST i Dag)

2.1 Princip: Dette er et mere avanceret og højere præstation "modulær serie" koncept. Det genererer en trappet approximation af en sinus bølge ved hjælp af flere spændingsniveauer, så hver skiftende enhed kun udmærker sig ved en del af det totale DC bus spænding.

2.2 Almindelige Topologier:

• Modulær Multiniveaulig Konverter (MMC): En af de mest favoriserede topologier for mellem- og højspændings SST'er. Den består af mange identiske submoduler (SM'er) forbundet i serie. Hver submodul inkluderer typisk en kondensator og flere skiftende enheder. Enheder udmærker sig kun ved spændingen af submodulens kondensator, hvilket effektivt løser spændingsstress problemet. Fordele inkluderer modularitet, skalering og fremragende output bølgeform kvalitet.

• Flyvende Kondensator Multiniveaulig Konverter (FCMC) og Diode-Blokerede Multiniveaulig Konverter (DNPC): Også ofte anvendte multiniveaulige strukturer, men bliver strukturelt og kontrolleringsmæssigt komplekse som antallet af niveauer stiger.

• Fordele: Løser grundlæggende spændingsklassifikationsbegrænsningen for individuelle enheder, forbedrer betydeligt output spændings bølgeform kvalitet, og reducerer filter størrelse.

3. Input-Serie Output-Parallel (ISOP) Cascaded Struktur

• Princip: Flere komplette, uafhængige effektkonverteringsenheder (f.eks. DAB, Dual Active Bridge) forbinder med deres input i serie for at klare højt spænding og output parallelt for at levere høj strøm. Dette er en system-niveaumodulær løsning.

• Fordele: Hver enhed er en lavspændingsstandardmodul, forenkler design, produktion og vedligeholdelse. Høj pålidelighed (fejl i én enhed forstyrrer ikke det samlede systems drift). Meget velegnet til den modulære designfilosofi for SST.

4. Intern Styrkelse: Teknologisk Innovation på Enhedsniveau (Fremtidig Udviklingsretning)

Denne tilgang løser problemet grundlæggende fra perspektivet af materialvidenskab og halvlederfysik.

4.1 Brug af Bredbandhalvleder-enheder

Princip: Nye generations halvledermaterialer som siliciumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) har kritiske nedbrydningselektriske felter en orden større end traditionel silicium (Si). Dette betyder, at SiC-enheder kan opnå meget højere spændingsklassifikationer ved samme tykkelse sammenlignet med Si-enheder.
Fordele:

• Højere Spændingsklassifikation: En enkelt SiC MOSFET kan nu let nå spændingsklassifikationer over 10 kV, mens silicium IGBT'er typisk begrænses til under 6.5 kV. Dette gør SST-topologier enklere (reducerer antallet af serieforbundne enheder).

• Højere Effektivitet: Bredbandhalvledere tilbyder lavere ledningsmodstand og skiftetab, hvilket tillader SST'er at fungere på højere frekvenser, og dermed betydeligt reducere størrelsen og vægten af magnetiske komponenter (transformatorer, induktorer).
  

• Status: Højspændings SiC-enheder er i øjeblikket et populært emne i SST-forskning og anses for at være en vigtig teknologi for fremtidige revolutionerende SST-designer.

4. 2 Superjunction Teknologi

• Princip: En avanceret teknik for silicium-baserede MOSFET'er, der introducerer alternativ P-type og N-type piler regioner for at ændre elektriske feltfordeling, hvilket betydeligt forbedrer spændingsblokeringskapacitet samtidig med at bevare lav on-modstand.

• Anvendelse: Primært anvendt i enheder med spændingsklassifikationer mellem 600 V og 900 V. Anvendt på lavspændings side eller lav-effekt sektioner af SST'er, men stadig utilstrækkelige for direkte mellemspændings applikationer.

5. Sammenligning

Hvordan adresseres spændingsklassifikationsbegrænsningerne for effektleddet halvledere i SST'er?

• Den mest praktiske og pålidelige løsning i øjeblikket er at anvende multiniveaulige konverter topologier (især Modular Multilevel Converters, MMC) eller cascaded input-serie output-parallel (ISOP) strukturer. Disse tilgange, baseret på modne silicium-baserede enheder, undgår spændingsklassifikationsflaskehalsen for individuelle enheder gennem avancerede system-niveaufokuserede arkitekturer.

• Den fundamentale løsning for fremtiden ligger i modenhed og kostnadsreduktion af højspændingsbredbandhalvleder-enheder, især siliciumkarbid (SiC). Når dette er realiseret, kan SST-topologier betydeligt forenkles, hvilket giver mulighed for et spræng til forbedring af effektivitet og effektdensitet.

I faktisk SST-forskning og -udvikling kombineres ofte flere teknologier – for eksempel ved at anvende en MMC-topologi med SiC-enheder – for at opnå optimal ydeevne og pålidelighed.