SSTko Tentsioaren Ariketak: Topologiat & SiC Teknologia

IEE-Businessen arteko solido transformatzaileek (SST) duten oinarrizko arazoetako bat da, potentsia elektrikoa kontrolatzeko erabiltzen den gailu bakar baten tensio-maila oso txiki dela, ezin duela zuzenean kudeatu tensio altuaren sarea (adibidez, 10 kV). Tensio-muga hau ebazteak ez du teknologia bakar bat behar, "konbinazio-approach" bat da. Estrategi nagusiak bi motatan klasez daitezke: "barneko" (gailu mailako teknologia eta materialen berrikuntza bidez) eta "kanpo kolaborazioa" (zirkuitu topologiaren bidez).

1.Kanpo kolaborazioa: Zirkuitu Topologiaren Bidez Ebaztea (Oraindik Garrantzitsuena eta Maduraena)
Hona hemen oraindik fidagarriena eta aplikatze gehienetan dagoen abordatze modua, tensio altuan eta indarr handian. Bere ideia oinarria "batasunaren indarra" da—gailu anitz seriean konbertitzea edo moduluekin konbinatzea, hainbat gailu tensio altua banatzeko.

1.1 Gailuen Serie Konexioa

 Oinarri: Aldaketarako gailu ugari (adibidez, IGBTs edo SiC MOSFETs) seriean konpartitzen dira, tensio altua suportatzeko. Hori da pilak seriean konpartitzearen analogia, tensio altuagorako.

 Arazo Nagusiak:

• Tensio Dinamikoaren Banaketa: Gailu guztiek parametro desberdinak dituztela (adibidez, aldaketa abiadura, juntura kapasitatea), tensioa ezin da uniformeki banatu gailuetan, gailu batetan tensio altuak eta hondamenak sortzeko arriskua izatea.

• Soluzioak: Tensio-banaketa kompleksu aktibo edo pasiboko zirkuituak (adibidez, snubber zirkuituak, portailetza kontrola) beharrezkoak dira, sistemaren konplexutasuna eta kostua handitzen dituztenei.

2. Multihelburuko Konbertzaile Topologiat (Gaur egungo SST-en Aukera Garrantzitsuena)

2.1 Oinarria: Honek kontzeptu modular serierako konponbidea adierazten du, helburu gehiagorekin sinusoidearen hurbilketa eskalatua sortzen du, horrela aldatzeko gailu bakoitzak DC busko tensio osoaren zati bat soilik suportatzen du.

2.2 Topologiar Arruntasak:

• Modular Multilevel Converter (MMC): Tensio altuan eta indarr handian SST-en aukeratuenen artean dago. Zenbait azpimodulu (SMs) seriean konpartitu ditu. Azpimodulu bakoitzak kapasitzaile bat eta aldatzeko gailu ugari ditu. Gailuak azpimoduluaren kapasitzailearen tensio bakarrik suportatzen dute, hala tensio-indarraren arazoa ebazten da. Modularity, scalableta, eta irteera forma ondoa ditu.

• Flying Capacitor Multilevel Converter (FCMC) eta Diode-Clamped Multilevel Converter (DNPC): Multilevel egitura askotan erabiltzen diren beste aukerak, baina zenbakizko helburu handiagoak kontrola eta struktura konplexuagoa lortzen dituzte.

• Aurreskuak: Fundamentalki gailu individual bakoitzaren tensio muga ebazten du, irteera tensio-forma ondoa hobetzen du, eta filtroaren tamaina murriztu egiten du.

3. Sarrera Serie Irteera Paraleloa (ISOP) Estructura Kaskada

• Oinarria: Potentsia konbertitze-unitate oso ugari eta independentziak (adibidez, DAB, Dual Active Bridge) seriean konpartitzen dira, tensio altua suportatzeko, eta irteeren paraleloan, indarra handia emateko. Hona hemen sistema-nivelko soluzio modularra.

• Aurreskuak: Unitate bakoitzak tensio baxuko estandar modulua da, diseinua, fabrikazioa eta mantentzea sinplifikatzen ditu. Fidagarritasuna handia (unitate batengatik hondamenak ez ditu sistema osoaren funtzionamendua eragiten). Oso egokia da SST-en filosofia modularrekin.

4. Barne Armamendua: Gailu-Nivelko Teknologia Berrikuntza (Herritarrazko Norabidea)

Honek materialen zientzia eta semikonduktore fisika perspektibetan ebazten du arazoa.

4.1 Landa zabaltzaile semikonduktoreen erabilera

Oinarria: Silicio karburo (SiC) eta nitruro galizio (GaN) bezalako semikonduktoreen material berriak silizio tradizionalarekin (Si) alderatuta orden magnitude handiagoa duten ezkutetsiak dituzte. Honek esan nahi du SiC gailuak silizio gailuekin alderatuta, espesor berdinean, tensio maila altuagoak lortzen dituztela.
Aurreskuak:

• Tensio Maila Altuagoa: SiC MOSFET bakar bat 10 kV baino goiko tensio mailara eraman daiteke, silizio IGBT-ak 6.5 kV baino gutxiagora mugatuta daudelarik. Honek SST topologien sinplifikazioa ahalbidetzen du (seriean konpartitzen diren gailu kopurua murriztuz).

• Efizientzia Handiagoa: Landa zabaltzaile gailuak ohituzko resistentzia eta aldaketa-perdak txikiagoak dituzte, SST-ak maiztasun handiagoan erabili ahal izatea ahalbidetzen du, hala magnetiko komponenteak (transformadoreak, induktoreak) txikiagoak eta errazagoak izango dira.
  

• Egoera: Tensio altu SiC gailuak oraindik SST ikerketaren garrantzitsuen gai bat dira eta etorkizunerako SST diseinu desberdinduen teknologia garrantzitsu gisa hartzen dira.

4. 2 Superjunction Tecnologia

• Oinarria: Silizio-based MOSFET-en teknologia aurreratua, P-tipo eta N-tipo pilartar eremuren alterantzako sartzea, elektrikoa banaketa aldatzeko, hala tensio blokeo ahalmena handitzen du, baita gero on-resistance baxua mantentzen du.

• Aplikazioa: 600 V eta 900 V arteko tensio mailatik erabiltzen da. SST-en tensio baxuko aldean edo indar txikiagoen atalietan, baina ez da nahikoa tensio altu aplikazioei.

5. Konparaketa

Nola ebaztu potentsia elektrikoa kontrolatzeko gailuak SST-en tensio muga?

• Oraindik praktikoa eta fidagarria da multilevel konbertzaile topologietan (espezialki Modular Multilevel Converters, MMC) edo sarrera-serie irteera-paralelo (ISOP) estrukturak erabiltzea. Horiei, silizio-based gailu madurarik erabiliz, sistema-nivelko arkitektura sofinatuak gailu individual bakoitzaren tensio muga gainontzeko.

• Etorkizuneko soluzio oinarria tensio altu landa zabaltzaile semikonduktoreen (bereizi, silicio karburo (SiC)) maduratzea eta kostu murriztea da. Orduan, SST topologien sinplifikazio handia lortu daiteke, efizientzia eta indar-dentsitatean salto handia ahalbidetzeko.

Benetan, SST ikerketan eta garapenean teknologia ugari konbinatzen dira—adibidez, MMC topologia erabiliz SiC gailuak—ebazpen optimala eta fidagarria lortzeko.