Προκλήσεις Τάσης SST: Τοπολογίες & Τεχνολογία SiC
Ένα από τα βασικά προβλήματα των Στερεών Μετατροπέων (SST) είναι ότι η ισχύς τάσης ενός μοναδικού συστήματος ηλεκτρονικών υψηλής ισχύος είναι πολύ μικρή για να αντιμετωπίσει άμεσα δίκτυα μεσαίας ισχύος (π.χ., 10 kV). Η αντιμετώπιση αυτού του περιορισμού τάσης δεν εξαρτάται από μία μόνη τεχνολογία, αλλά από μια «συνδυασμένη προσέγγιση». Οι κύριες στρατηγικές μπορούν να κατατάσσονται σε δύο τύπους: «εσωτερικές» (μέσω τεχνολογικής και υλικής καινοτομίας επιπέδου συσκευής) και «εξωτερική συνεργασία» (μέσω τοπολογίας κύκλωματος).
1.Εξωτερική Συνεργασία: Επίλυση μέσω Τοπολογίας Κυκλώματος (Παρούσα η Πιο Λειτουργική και Εξελιγμένη Προσέγγιση)
Αυτή είναι η πιο αξιόπιστη και ευρέως εφαρμοσμένη προσέγγιση σε εφαρμογές μεσαίας και υψηλής ισχύος. Η βασική ιδέα είναι «η ισχύς στην ενότητα» - χρησιμοποιώντας σειριακές συνδέσεις ή μοντουλάρες συνδυασμοί πολλαπλών συσκευών για την κατανομή της υψηλής τάσης.
1.1 Σειριακή Σύνδεση Συσκευών
Αρχή: Πολλαπλά συστήματα κατάτμησης (π.χ., IGBTs ή SiC MOSFETs) συνδέονται άμεσα σε σειρά για να αντέχουν την υψηλή τάση. Αυτό είναι αντιστοιχο στη σύνδεση πολλαπλών μπαταριών σε σειρά για να επιτευχθεί υψηλότερη τάση.
Κύριες Προκλήσεις:
Δυναμική Ισορροπία Τάσης: Λόγω μικρών διαφορών στα χαρακτηριστικά των συσκευών (π.χ., ταχύτητα κατάτμησης, κατανεμημένη ικανότητα), η τάση δεν μπορεί να κατανεμηθεί ομοιόμορφα στις συσκευές κατά την υψηλή ταχύτητα κατάτμησης, με επιπτώσεις υπερτάσης και αποτυχίας μιας συσκευής.
Λύσεις: Απαιτούνται περίπλοκα ενεργά ή παθητικά κυκλώματα ισορροπίας τάσης (π.χ., κυκλώματα συγκράτησης, ελεγκτής πύλης) για την επιβολή κατανομής τάσης, αυξάνοντας την πολυπλοκότητα και το κόστος του συστήματος.
2. Τοπολογίες Πολυεπίπεδων Μετατροπέων (Κύρια Επιλογή για SST Σήμερα)
2.1 Αρχή: Αυτή είναι μια πιο προηγμένη και υψηλότερης απόδοσης «μοντουλάρης σειρά» έννοια. Δημιουργεί μια βηματοδρομημένη προσέγγιση του ημιτονοειδούς κύματος με πολλά επίπεδα τάσης, έτσι ώστε κάθε σύστημα κατάτμησης να αντέχει μόνο ένα μέρος της συνολικής τάσης DC bus.
2.2 Κοινές Τοπολογίες:
Μοντουλάρης Πολυεπίπεδος Μετατροπέας (MMC): Ένας από τους πιο ευνοούμενους τύπους για μεσαίες και υψηλές ισχύες SST. Αποτελείται από πολλά ίδια υπο-μοντούλα (SMs) σε σειρά. Κάθε υπο-μοντούλο συνήθως περιλαμβάνει έναν κατανεμητή και αρκετά συστήματα κατάτμησης. Οι συσκευές αντέχουν μόνο την τάση του κατανεμητή του υπο-μοντούλου, λύνοντας αποτελεσματικά το ζήτημα της τάσης. Οι πλεονεκτήσεις περιλαμβάνουν τη μοντουλαρότητα, την επικτιριμότητα και την εξαιρετική ποιότητα του εξόδου του κύματος.
Πολυεπίπεδος Μετατροπέας με Κατανεμητή (FCMC) και Πολυεπίπεδος Μετατροπέας με Πινακίδες (DNPC): Επίσης κοινές πολυεπίπεδες δομές, αλλά γίνονται δομικά και ελεγκτικά πιο περίπλοκες ως αυξάνεται το πλήθος των επιπέδων.
Πλεονεκτήματα: Λύνει θεμελιωδώς τον περιορισμό της τάσης των μεμονωμένων συσκευών, βελτιώνει σημαντικά την ποιότητα του εξόδου τάσης και μειώνει το μέγεθος των φίλτρων.
3. Σειριακή Σύνδεση Εισόδου-Παράλληλη Σύνδεση Εξόδου (ISOP) Κατασταλτική Δομή
Αρχή: Πολλά πλήρη, ανεξάρτητα μονάδες μετατροπής (π.χ., DAB, Διπλός Ενεργός Γέφυρας) συνδέονται με τους εισόδους τους σε σειρά για να αντέχουν υψηλή τάση και τους εξόδους τους παράλληλα για να παρέχουν υψηλή ροή. Αυτή είναι μια συστημική μοντουλάρη λύση.
Πλεονεκτήματα: Κάθε μονάδα είναι ένα πρότυπο μέτριας τάσης μέτρο, απλοποιώντας τη σχεδίαση, την κατασκευή και την συντήρηση. Υψηλή αξιοπιστία (η αποτυχία μιας μονάδας δεν διαταράσσει τη λειτουργία του συνολικού συστήματος). Υψίστη ευκαιρία για τη μοντουλάρη φιλοσοφία των SST.
4. Εσωτερική Ενίσχυση: Τεχνολογική Καινοτομία Επιπέδου Συσκευής (Μέλλον)
Αυτή η προσέγγιση αντιμετωπίζει θεμελιωδώς το ζήτημα από την άποψη της επιστήμης των υλικών και της φυσικής των σηματοδοτών.
4.1 Χρήση Συσκευών Σεμικωνδυκών Πλάτους Ζώνης
Αρχή: Νέα γενιά υλικών σηματοδοτών όπως το καρβούνιο (SiC) και το νιτριδογαλλίου (GaN) έχουν κρίσιμα πεδία κατάρρευσης ηλεκτρικού πεδίου με επίπεδο μεγέθους υψηλότερο από το παραδοσιακό σίλικο (Si). Αυτό σημαίνει ότι οι συσκευές SiC μπορούν να επιτευχθούν πολύ υψηλότερες τιμές τάσης στο ίδιο πάχος σε σύγκριση με τις συσκευές Si.
Πλεονεκτήματα:
Υψηλότερη Τάση: Ένα μοναδικό SiC MOSFET μπορεί να φτάσει εύκολα σε τιμές τάσης πάνω από 10 kV, ενώ τα silicon IGBTs είναι συνήθως περιορισμένα κάτω από 6.5 kV. Αυτό επιτρέπει πιο απλές τοπολογίες SST (μειώνοντας τον αριθμό των σειριακά συνδεδεμένων συσκευών).
Υψηλότερη Απόδοση: Οι συσκευές πλάτους ζώνης προσφέρουν χαμηλότερη αντίσταση κατάνεμησης και απώλειες κατάτμησης, επιτρέποντας στα SST να λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες, με αποτέλεσμα να μειώνεται σημαντικά το μέγεθος και το βάρος των μαγνητικών συστατικών (μετατροπείς, συμπληρωματικά).
Κατάσταση: Οι υψηλής τάσης συσκευές SiC είναι τώρα ένας ζωντανός τομέας έρευνας για τα SST και θεωρούνται μια κλειδί τεχνολογία για μελλοντικές επικαυστικές σχεδιασμοί SST.
4.2 Τεχνολογία Superjunction
Αρχή: Μια προηγμένη τεχνική για συστήματα MOSFET βασισμένα σε σίλικο που εισάγει εναλλακτικές περιοχές πυλώνα P-τύπου και N-τύπου για να αλλάξει την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου, βελτιώνοντας σημαντικά την ικανότητα αποκλεισμού τάσης ενώ διατηρεί χαμηλή αντίσταση.
Εφαρμογή: Χρησιμοποιείται κυρίως σε συσκευές με τάση από 600 V έως 900 V. Εφαρμόζεται στην πλευρά χαμηλής τάσης ή στα τμήματα μεχριαίνουσας δύναμης των SSTs, αλλά είναι ακόμη ανεπαρκής για άμεσες εφαρμογές μεσαίας τάσης.
5. Σύγκριση
| Προσέγγιση Λύσης | Συγκεκριμένη Μέθοδος | Βασική Αρχή | Πλεονεκτήματα | Μειονεκτήματα | Ζήλη |
| Εξωτερική Συνεργασία | Σειριακή Σύνδεση Συσκευών | Πολλαπλές συσκευές μοιράζονται την τάση | Απλή αρχή, μπορεί να υλοποιηθεί γρήγορα | Δύσκολη δυναμική κατανομή τάσης, πολύπλοκη ελεγχο-προστασία, υψηλό πρόσκομμα αξιοπιστίας | Ζήλη |
| Πολυεπίπεδος Μετατροπέας (π.χ., MMC) | Μοντουλάρια υπο-μονάδες είναι συνδεδεμένες σε σειρά, κάθε μονάδα φέρει χαμηλή τάση | Μοντουλάριο, εύκολη επέκταση, καλή ποιότητα κύματος, υψηλή αξιοπιστία | Μεγάλος αριθμός υπο-μονάδων, πολύπλοκη ελεγχο-προστασία, σχετικά υψηλό κόστος | Τρέχουσα Κύρια / Ζήλη | |
| Κατακερματισμένη Δομή (π.χ., ISOP) | Τυπικές μονάδες μετατροπής είναι συνδεδεμένες σε σειρά στην είσοδο | Μοντουλάριο, ισχυρή αντοχή σε λάθη, απλή σχεδίαση | Απαιτεί πολλαπλούς τρανσφορματόρες απομόνωσης, το μέγεθος του συστήματος μπορεί να είναι μεγάλο | Ζήλη | |
| Εσωτερική (Επινοία Συσκευής) | Πλάτος Παρακμής Πολυκρυστάλλων (SiC/GaN) | Το υλικό έχει υψηλό πεδίο διάβρωσης, και η αντοχή σε τάση είναι φυσικά ισχυρή | Υψηλή αντοχή σε τάση, υψηλή απόδοση, υψηλή συχνότητα, απλοποιημένη τοπολογία | Υψηλό κόστος, η τεχνολογία οδηγήσεως και προστασίας είναι ακόμη σε εξέλιξη | Μέλλον / Γρήγορη Ανάπτυξη |
| Τεχνολογία Υπερ-Συνδέσεων | Βελτίωση της εσωτερικής κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου της συσκευής | Βελτιωμένη απόδοση σε σύγκριση με παραδοσιακές συσκευές | Υπάρχει άνω φράγμα στην αντοχή σε τάση, δύσκολη αντιμετώπιση μεσαίας τάσης | Ζήλη (χρησιμοποιείται στον τομέα χαμηλής τάσης) |
Πώς να αντιμετωπίσετε τους περιορισμούς της έντασης επιφάνειας των συσκευών ενεργειακών υλικών σε SSTs;
Η πιο πρακτική και αξιόπιστη λύση σήμερα είναι η χρήση τοπολογιών πολυεπίπεδων μετατροπέων (ιδιαίτερα Modular Multilevel Converters, MMC) ή δομών σε σειρά-παράλληλα (ISOP). Αυτές οι προσεγγίσεις, βασισμένες σε ωριμές σιλικιούχες συσκευές, παρακάμπτουν το φράγμα της έντασης επιφάνειας των μεμονωμένων συσκευών μέσω περίπλοκων αρχιτεκτονικών σε επίπεδο συστήματος.
Η θεμελιώδης λύση για το μέλλον βρίσκεται στην ωρίμανση και τη μείωση του κόστους των υλικών ευρείας ζώνης με υψηλή ένταση, ειδικά του σιλικίου καρβίδιου (SiC). Μόλις εφαρμοστεί, οι τοπολογίες SST μπορούν να απλοποιηθούν σημαντικά, επιτρέποντας έναν μεγάλο βήμα προς την αποδοτικότητα και την πυκνότητα δύναμης.
Στην πραγματική έρευνα και ανάπτυξη SST, συχνά συνδυάζονται πολλές τεχνολογίες—παράδειγμα, η χρήση μιας τοπολογίας MMC με συσκευές SiC—για να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση και αξιοπιστία.
