SST Voltage Challenges: Topologies & SiC Tech SST voltagi väljakutsed: Topoloogiad ja SiC tehnoloogia

Ühed Solid-State Transformerite (SST) põhiline väljakutse on see, et ühe elektriseadme pingelimiit on liiga madal, et otse hoida keskmist lülituspinge võrgu (nt 10 kV). Selle pingelimiidi lahendamisel ei ole tegemist ühe tehnoloogiaga, vaid "kombineeritud lähenemisega". Peamised strateegiad võivad olla kaks tüüpi: "sisene" (tehnoloogiliste ja materjalide innovatsioonide kaudu seadmetasandil) ja "välispartnerlus" (lüliti topoloogia kaudu).

1. Välispartnerlus: Lahendamine Lüliti Topoloogia Kaudu (Praegu Kõige Levinum ja Täiuslikum Meetod)
See on praegu kõige usaldusväärsem ja laialdasem meetod kesk- ja kõrgepinge, suure jõudlusega rakendustes. Selle põhiline idee on "ükskõikus on jõud" - mitme seadme sariveose või modulaarse kombinatsiooni kasutamine, et jagada kõrget pinget.

1.1 Seadme Sariveos

 Printsip: Mitmed lülituseadmed (nt IGBT-d või SiC MOSFET-id) on otse sariveseks ühendatud, et ühiselt taluda kõrget pinget. See on analoogne mitme aku sariveoga ühendamisega, et saavutada kõrgeampine.

 Omadused:

• Dünaamiline Pingeseire: Seadmete vahel (nt lülituskiirus, ymikulaste kapatsiits) esinevad väikesed parameetrite erinevused, mis tähendavad, et pingi ei saa ühtlaseks jagada kiire lülitamise ajal, mis võib põhjustada ühe seadme ülepinge ja katkise.

• Lahendused: Komplekssed aktiivsed või passiivsed pingeseire tsirkvid (nt snubber tsirkvid, väravakontroll) on vajalikud, et ohjata pingi jagunemist, mis suurendab süsteemi keerukust ja kulutusi.

2. Mitmetasandilised Lülitite Topoloogiad (Praegu SST-de Levinum Valik)

2.1 Printsip: See on edukama ja parema jõudlusega "modulaarne sarivese" mõte. See genereerib sinedi lainekujundit kasutades mitut pingetasemeid, nii et igal lülituseadmel on vaja taluda ainult osa kogu DC-bussi pingest.

2.2 Tavalised Topoloogiad:

• Modulaarne Mitmetasandiline Lülitija (MMC): Üks levinumatest topoloogiatest kesk- ja kõrgepinge SST-ides. See koosneb paljude identsete alammoduulide (SM) sariveseks ühendusest. Igal alammoduulis on tavaliselt kondensaator ja mitu lülituseadet. Seadmed kannavad ainult alammoduuli kondensaatori pinget, mis efektivselt lahendab pingelise stressi probleemi. Eelised hõlmavad modulaarsust, skaalalaveldavust ja häid väljundlainekuju omadusi.

• Lenduv Kondensaatoriga Mitmetasandiline Lülitija (FCMC) ja Dioodiga Klambimine Mitmetasandilises Lülitijas (DNPC): Samuti tavaliselt kasutatavad mitmetasandilised struktuurid, kuid need muutuvad struktuurselt ja juhtimisel keeruliseks, kui tasandite arv suureneb.

• Eelised: Põhiline lahendus individuaalsete seadmete pingelimiidi probleemile, oluliselt parandab väljundpinge lainekuju kvaliteeti ja vähendab filtrite suurust.

3. Sisendsarivee-Väljundparalleel (ISOP) Kaskade Struktuur

• Printsip: Mitmed täielikud, sõltumatud energiakonversiooniyhikud (nt DAB, Dual Active Bridge) on ühendatud nende sisendite sariveseks, et taluda kõrget pinget, ja nende väljundite paralleelselt, et anda kõrgeampine. See on süsteemi tasandil modulaarne lahendus.

• Eelised: Igal ühikul on madalpingeline standardimoduul, mis lihtsustab disaini, tootmist ja hooldust. Kõrge usaldusväärsus (ühe ühiku väljapõletus ei takista süsteemi üldist tööd). Sobib hästi SST-de modulaarse disainifilosoofiale.

4. Sisene Tugevdamine: Seadmetasandilised Tehnoloogilised Innovatsioonid (Tulevikus Arengusuund)

See lähenemine lahendab küsimuse materjaliteaduse ja pooljuhtivfysiika seisukohalt.

4.1 Laia Bandi Pooljuhtivseadmete Kasutamine

Printsip: Uued pooljuhtivmaterjalid, nagu siili-karbide (SiC) ja galium-nitraan (GaN), omavad kriitilisi murdepunktide elektrivälju, mis on ühe järjekorra suuremad kui traditsiooniline silikoon (Si). See tähendab, et SiC-seadmed saavad sama paksuse korral saavutada palju kõrgemat pingelimiiti kui Si-seadmed.
Eelised:

• Kõrge Pingelimiit: Üks SiC MOSFET-i saab nüüd lihtsalt saavutada üle 10 kV pingelimiiti, samas kui silikoone IGBT-l on tavaliselt piirang alla 6,5 kV. See võimaldab lihtsustada SST-topoloogia (vähendada sariveseks ühendatud seadmete arvu).

• Kõrge Efektiivsus: Laia bandi seadmed pakuvad madalamat joonituse vastust ja lülituskaotusi, mis võimaldab SST-l töötada kõrgemas frekvendis, mis oluliselt vähendab magnetkomponentide (transformaatorid, induktoriid) suurust ja kaalu.
  

• Olek: Kõrgepingelised SiC-seadmed on praegu aktiivselt uurimisel SST-s ja peetakse neid oluliseks võtmestechnoloogiaks tulevaste revolutsioneerivate SST-disainide jaoks.

4. 2 Superjunction Tehnoloogia

• Printsip: Edasijõudnud tehnik silikoone põhiseadmete (MOSFET) jaoks, mis sisaldab alterneerivaid P-tüübilisi ja N-tüübilisi pilveid, et muuta elektrivälja jaotust, mis suurepäraselt parandab pingelise blokeerimisvõimet, säilitades madala sisse lülituse vastuse.

• Rakendus: Põhiliselt kasutatakse seadmetes, mille pingelimiit on 600 V ja 900 V vahel. Rakendatakse SST-de madalpinge poolel või madalam jõudlusega osadel, kuid see on ikka veel ebasobiv otse keskpinge rakenduste jaoks.

5. Võrdlus

Kuidas lahendada elektriseadmete pingelimiidi piiranguid SST-s?

• Praegu kõige praktilisem ja usaldusväärsem lahendus on kasutada mitmetasandilisi lülitite topoloogiaid (eriti Modulaarne Mitmetasandiline Lülitija, MMC) või kaskade sisendsarivee-väljundparalleel (ISOP) struktuure. Need meetodid, mis põhinevad täiuslikul silikoone põhiste seadmete kasutamisel, ümberlülitavad individuaalsete seadmete pingelimiidi piirangu keerukate süsteemi tasandi arhitektuuride kaudu.

• Tulevikus on põhiline lahendus kõrgepingeliste laia bandi pooljuhtivseadmete (eriti SiC) täiuslikumaks ja odavamaks muutumine. Kui see on realiseeritud, siis SST-topoloogiaid saab oluliselt lihtsustada, mis võimaldab efektiivsuse ja jõudluse suurendamiseks hüppet.

Tegelikus SST-uuringutes ja arenduses kasutatakse sageli mitut tehnoloogiat - näiteks MMC topoloogia SiC-seadmete abil - et saavutada optimaalne jõudlus ja usaldusväärsus.