SST Voltage Challenges: Topologioj & SiC Teknologio

Unu el la kernaj defioj de Solid-State Transformers (SST) estas, ke la voltago de ununura potenco-semikondukta elemento estas longe ne sufiĉa por direktmane pritrakti mezvoltagajn distribuajn retojn (ekz., 10 kV). Solvado de ĉi tiu voltaglimo ne dependas de ununura teknologio, sed pli proksime de "kombina aliro". La ĉefaj strategioj povas esti klasifikitaj en du tipoj: "interna" (tra teknologia kaj materiala inovacio je la nivelo de aparato) kaj "ekstera kunlaboro" (tra cirkvito-topologio).

1. Ekstera Kunlaboro: Solvado per Cirkvito-Topologio (Ĉi-momente la Plej Flanka kaj Maturoja Aliro)
Ĉi tio estas nuntempe la plej fidinda kaj amplate aplikata aliro en mez- kaj altvoltagaj, alt-potencaj apliko. Ĝia kernidea estas "forteco en unueco"—uzado de seriovicigo aŭ modulaj kombinoj de multaj aparatoj por dividi la altan voltagon.

1.1 Seriovicigo de Aparatoj

 Principo: Multaj ŝalt-aparatoj (ekz., IGBT-oj aŭ SiC MOSFET-oj) estas rekte vicigitaj en serio por kolektive rezisti alta voltago. Ĉi tio estas analoga al la seriovicigo de multaj akumuloj por atingi pli altan voltagon.

 Kernaj Defioj:

• Dinamika Voltago-Ekvilibro: Pro malgrandaj parametro-diferencoj inter aparatoj (ekz., ŝalt-rapideco, jonkapacitanceto), la voltago ne povas esti egale disdividita inter aparatoj dum alta-rapida ŝaltado, eble kaŭzante super-voltagon kaj malsukceson de unu aparato.

• Solvoj: Kompleksaj aktiva aŭ pasiva voltago-ekvilibraj cirkvitoj (ekz., snubber-cirkvitoj, portal-kontrolo) estas neceseblaj por forci voltago-divido, kio pligrandigas sisteman kompleksecon kaj koston.

2. Multnivela Konvertilo-Topologioj (Flanka Elekto por SST Hodiaŭ)

2.1 Principo: Ĉi tio estas pli avancita kaj pli alta-presta "modula serio" koncepto. Ĝi generas gradigan aproksimadon de sinusa ondo uzante multajn voltag-nivelejojn, tiel ke ĉiu ŝalt-aparato nur rezistas frakcion de la totala DC-buso voltago.

2.2 Komunaj Topologioj:

• Modula Multnivela Konvertilo (MMC): Unu el la plej favoritaj topologioj por mez- kaj altvoltagaj SST-oj. Ĝi konsistas el multaj identaj submoduloj (SM-oj) vicigitaj en serio. Ĉiu submodul kutime inkludas kondensatoron kaj kelkajn ŝalt-aparatojn. Aparatoj nur sopiras la voltagon de la submodula kondensatoro, efektive solvante la problemon de voltag-streso. Avantaĝoj inkludas modularon, skaleblecon, kaj exzellentan elig-onduformon.

• Volantkondensatora Multnivela Konvertilo (FCMC) kaj Diod-ligatora Multnivela Konvertilo (DNPC): Ankaŭ komune uzitaj multnivelaj strukturoj, sed ili iĝas strukture kaj kontrole kompleksaj kiam la nombro de niveloj pligrandiĝas.

• Avantaĝoj: Fundamente solvas la voltago-rezistan limon de individuaj aparatoj, signife plibonigas la qualiton de la eliga voltag-ondformaĵo, kaj reduktas la grandon de filtro.

3. Enserio-Elparalelo (ISOP) Kaskada Strukturo

• Principo: Multaj kompletaj, sendependaj potenco-konvertaj unuoj (ekz., DAB, Dual Active Bridge) estas konektitaj kun iliaj enigoj en serio por rezisti altan voltagon kaj iliaj eligoj en paralelo por liveri altan koranton. Ĉi tio estas sistemebla modula solvo.

• Avantaĝoj: Ĉiu unuo estas nizavoltaga standarda modul, simpligante dizajnon, fabrikadon, kaj manutenecon. Alta fidindeco (malsukceso de unu unuo ne perturbas la tutan sistemon). Altan taŭgecon por la modula dizajnfilozofio de SST.

4. Interna Fortigo: Teknologia Inovacio je la Nivelo de Aparato (Estonta Disvolviĝa Direkto)

Ĉi tiu aliro fundamentale traktas la problemon el la perspektivoj de material-sciencaj kaj semikondukta-fizikaj.

4.1 Uzo de Largabanduraj Semikondukta Aparatoj

Principo: Novgeneraciaj semikondukta materialoj kiel silicio-karburo (SiC) kaj galium-nitrido (GaN) havas krizajn disrompajn elektrajn kampon unu ordon de grandeco pli altan ol tradicia silicio (Si). Ĉi tio signifas, ke SiC-aparatoj povas atingi multe pli altan voltagreziston je la sama dikiĝo komparite al Si-aparatoj.
Avantaĝoj:

• Pli Alta Voltago-Rezisto: Ununura SiC MOSFET nun facile atingas voltagreziston super 10 kV, dum silicio IGBT-oj tipike estas limigitaj sub 6,5 kV. Ĉi tio ebligas plisimpligitajn SST-topologiojn (reduktante la nombron de seriovicitaj aparatoj).

• Pli Alta Efikeco: Largabanduraj aparatoj oferas pli malaltan kondukan reziston kaj ŝaltperdojn, permesante al SST-oj operadi je pli alta frekvenco, do signife reduktante la grandon kaj pezon de magnetaj komponentoj (transformiloj, induktoroj).
  

• Stato: Altvoltagaj SiC-aparatoj nuntempe estas varma temo en SST-forsatado kaj estas konsideritaj kiel klava abilitiga teknologio por estontaj rompanaj SST-dizajnoj.

4. 2 Superjunckta Teknologio

• Principo: Avancita tekniko por silicio-bazaj MOSFET-oj, kiuj enkondukas alternantajn P-tipajn kaj N-tipajn stulregionojn por ŝanĝi la elektran kampdistribuon, tiel tre plibonigante la voltag-blokadan kapablon dum daŭrigado de malalta konduka rezisto.

• Apliko: Plejparte uzata en aparatoj kun voltagrezisto inter 600 V kaj 900 V. Aplikata en la malalta-voltaga flanko aŭ malalt-potencaj sekcioj de SST-oj, sed ankoraŭ ne sufiĉa por rekta mezvoltaga apliko.

5. Komparo

Kiel trakti la voltago-rezistan limon de potenco-semikondukta aparatoj en SST-oj?

• La plej praktika kaj fidinda solvo nuntempe estas adopti multnivelajn konvertilo-topologiojn (especialte Modularajn Multnivelajn Konvertilojn, MMC) aŭ kaskadajn en-serio-el-paralelan (ISOP) strukturojn. Ĉi tiuj aliroj, bazitaj sur maturoj silicio-bazaj aparatoj, evitas la voltago-rezistan engleton de individuaj aparatoj tra sofistikaj sistemeblaj arkiteturoj.

• La fundamenta solvo por la estonto kuŝas en la maturo kaj kost-redukto de altvoltagaj largabanduraj semikondukta aparatoj, specialte silicio-karburo (SiC). Kiam realigita, SST-topologioj povos esti signife plisimpligitaj, ebligante salteton antaŭen en efikeco kaj potencdenseco.

En faktaj SST-forsatado kaj disvolviĝo, multaj teknologioj ofte estas kombinitaj—ekzemple, uzado de MMC-topologio kun SiC-aparatoj—por atingi optimuman preston kaj fidindecon.