SST Voltage Challenges: Topologies & SiC Tech چالش‌های ولتاژ SST: توپولوژی‌ها و فناوری SiC

یکی از چالش‌های اصلی ترانسفورماتورهای حالت جامد (SST) این است که نمره ولتاژ یک دستگاه نیمه‌رسانا واحد بسیار کمتر از آن است که بتواند مستقیماً شبکه‌های توزیع ولتاژ متوسط (مثلاً ۱۰ کیلوولت) را مدیریت کند. حل این محدودیت ولتاژ به یک تکنولوژی واحد متکی نیست، بلکه رویکرد "ترکیبی" است. استراتژی‌های اصلی می‌توانند به دو نوع تقسیم شوند: "داخلی" (از طریق نوآوری فناوری و ماده در سطح دستگاه) و "همکاری خارجی" (از طریق توپولوژی مدار).

۱. همکاری خارجی: حل با استفاده از توپولوژی مدار (در حال حاضر روش غالب و پربارترین)
این در حال حاضر روش قابل اعتمادترین و پرکاربردترین در کاربردهای ولتاژ متوسط و بالا با توان بالا است. ایده اصلی آن "قوی‌تر در یگی" است - استفاده از اتصالات سری یا ترکیبات مدولار چند دستگاه برای به اشتراک گذاشتن ولتاژ بالا.

۱.۱ اتصال سری دستگاه‌ها

 اصول: چندین دستگاه سوئیچینگ (مانند IGBTs یا SiC MOSFETs) به صورت مستقیم به یکدیگر متصل می‌شوند تا به طور مشترک ولتاژ بالا را تحمل کنند. این مانند اتصال چندین باتری به صورت سری برای دستیابی به ولتاژ بالاتر است.

 چالش‌های کلیدی:

• تعادل ولتاژ پویا: به دلیل تفاوت‌های کوچک پارامتری بین دستگاه‌ها (مانند سرعت سوئیچینگ، ظرفیت گره)، ولتاژ نمی‌تواند به طور مساوی بین دستگاه‌ها در زمان سوئیچینگ با سرعت بالا توزیع شود که می‌تواند منجر به ولتاژ بالا و خرابی یک دستگاه شود.

• راه‌حل‌ها: نیاز به مدارهای تعادل ولتاژ فعال یا غیرفعال پیچیده (مانند مدارهای سنابر، کنترل گیت) برای افروختن به اشتراک گذاری ولتاژ، که منجر به افزایش پیچیدگی و هزینه سیستم می‌شود.

۲. توپولوژی‌های مبدل چندسطحی (انتخاب غالب برای SST امروز)

۲.۱ اصول: این یک مفهوم پیشرفته‌تر و با عملکرد بالاتر "سری مدولار" است. این مدل با استفاده از چندین سطح ولتاژ یک تقریب پله‌ای از موج سینوسی تولید می‌کند، به طوری که هر دستگاه سوئیچینگ فقط یک بخش از ولتاژ DC اصلی را تحمل می‌کند.

۲.۲ توپولوژی‌های معمول:

• مبدل چندسطحی مدولار (MMC): یکی از محبوب‌ترین توپولوژی‌ها برای SSTهای ولتاژ متوسط و بالا. این شامل تعداد زیادی زیرمدول‌های (SMs) یکسان است که به صورت سری متصل شده‌اند. هر زیرمدول معمولاً شامل یک خازن و چندین دستگاه سوئیچینگ است. دستگاه‌ها فقط ولتاژ خازن زیرمدول را تحمل می‌کنند، که به طور موثر مسئله استرس ولتاژ را حل می‌کند. مزایای آن شامل مدولاریتی، مقیاس‌پذیری و کیفیت عالی موج خروجی است.

• مبدل چندسطحی با خازن پرنده (FCMC) و مبدل چندسطحی با دیود ضبط‌کننده (DNPC): نیز ساختارهای چندسطحی معمول هستند، اما با افزایش تعداد سطوح از نظر ساختاری و کنترل پیچیده می‌شوند.

• مزایا: به طور اساسی محدودیت ولتاژ نمره دستگاه‌های انفرادی را حل می‌کند، کیفیت موج ولتاژ خروجی را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد و اندازه فیلتر را کاهش می‌دهد.

۳. ساختار کASCADE با ورودی‌های سری و خروجی‌های موازی (ISOP)

• اصول: چندین واحد تبدیل توان کامل و مستقل (مانند DAB، پل دوگانه فعال) با ورودی‌های سری برای تحمل ولتاژ بالا و خروجی‌های موازی برای تحویل جریان بالا متصل می‌شوند. این یک راه‌حل مدولار در سطح سیستم است.

• مزایا: هر واحد یک مدول استاندارد ولتاژ پایین است که طراحی، ساخت و نگهداری را ساده می‌کند. قابلیت اطمینان بالا (خرابی یک واحد عملکرد کلی سیستم را اختلال نمی‌دهد). بسیار مناسب برای فلسفه طراحی مدولار SST است.

۴. تقویت داخلی: نوآوری فناوری در سطح دستگاه (جهت توسعه آینده)

این رویکرد از نظر علم مواد و فیزیک نیمه‌رسانا مسئله را به طور اساسی حل می‌کند.

۴.۱ استفاده از دستگاه‌های نیمه‌رسانا با فاصله باند گسترده

اصول: مواد نیمه‌رسانا جدید مانند کربید سیلیسیم (SiC) و نیترید گالیوم (GaN) دارای میدان‌های شکست الکتریکی اساسی یک مرتبه بزرگتر از سیلیسیم (Si) سنتی هستند. این بدان معناست که دستگاه‌های SiC می‌توانند در ضخامت یکسان ولتاژ نمره‌های بسیار بالاتر را نسبت به دستگاه‌های Si به دست آورند.
مزایا:

• ولتاژ نمره بالاتر: یک SiC MOSFET می‌تواند به راحتی ولتاژ نمره‌های بالای ۱۰ کیلوولت را داشته باشد، در حالی که IGBTهای سیلیسیم معمولاً به زیر ۶.۵ کیلوولت محدود می‌شوند. این امکان می‌دهد تا توپولوژی‌های SST را ساده‌تر کنیم (تعداد دستگاه‌های متصل شده به صورت سری را کاهش دهیم).

• کارایی بالاتر: دستگاه‌های با فاصله باند گسترده مقاومت اتصال و ضایعات سوئیچینگ کمتری دارند، که امکان می‌دهد SSTها در فرکانس‌های بالاتر کار کنند، بنابراین اندازه و وزن مولفه‌های مغناطیسی (ترانسفورماتورها، القایی‌ها) را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.
  

• وضعیت: دستگاه‌های SiC با ولتاژ بالا در حال حاضر موضوعی داغ در تحقیقات SST هستند و به عنوان یک تکنولوژی کلیدی برای طراحی‌های SST مخرب آینده در نظر گرفته می‌شوند.

۴.۲ فناوری سوپرجانکشن

• اصول: یک تکنیک پیشرفته برای MOSFETهای بر پایه سیلیسیم که مناطق ستونی P و N را معرفی می‌کند تا توزیع میدان الکتریکی را تغییر دهد، بنابراین قابلیت مسدود کردن ولتاژ را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد در حالی که مقاومت روشن را کم نگه می‌دارد.

• برنامه: این تکنولوژی عمدتاً در دستگاه‌های با نوسان ولتاژ بین ۶۰۰ و ۹۰۰ ولت استفاده می‌شود. در سمت ولتاژ پایین یا بخش‌های کم‌توان ترانسفورماتورهای قدرت (SSTs) به کار می‌رود، اما هنوز برای کاربردهای مستقیم ولتاژ متوسط کافی نیست.

۵. مقایسه

چگونه می‌توان محدودیت‌های رتبه ولتاژ دستگاه‌های نیمه‌رسانا در SSTها را حل کرد؟

• راه‌حل عملی و قابل اعتماد در حال حاضر استفاده از توپولوژی‌های تبدیل‌دهنده چندسطحی (به ویژه تبدیل‌دهنده‌های چندسطحی مدولار، MMC) یا ساختارهای پی‌درپی ورودی-سری خروجی-موازی (ISOP) است. این رویکردها با استفاده از دستگاه‌های مبتنی بر سیلیسون بالغ، از طریق معماری‌های پیچیده سطح سیستمی، محدودیت رتبه ولتاژ دستگاه‌های فردی را دور می‌زنند.

<

• راه‌حل اساسی برای آینده در رسیدن به بلوغ و کاهش هزینه دستگاه‌های نیمه‌رسانا با شکاف باند عرض بالا، به ویژه کربید سیلیسیوم (SiC) است. یکبار این امر تحقق یابد، توپولوژی‌های SST می‌توانند به طور قابل توجهی ساده‌تر شوند و پیشرفتی در کارایی و چگالی توان به وجود آورند.

در تحقیقات و توسعه واقعی SST، اغلب تکنولوژی‌های متعددی ترکیب می‌شوند—به عنوان مثال، استفاده از توپولوژی MMC با دستگاه‌های SiC—برای دستیابی به عملکرد و قابلیت اطمینان بهینه.