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 ولتاژی به یک فناوری خاص وابسته نیست، بلکه رویکرد «ترکیبی» است. استراتژی‌های اصلی می‌توانند به دو نوع تقسیم شوند: «داخلی» (از طریق نوآوری‌های 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 پخته‌ترین)
این در حال حاضر روش قابل اعتمادترین و پراکنش‌یافته‌ترین در کاربردهای ولتاژ متوسط و بالا و توان بالا است. ایده اصلی آن «قوی در یگی» است—استفاده از اتصال‌های سری یا ترکیب‌های ماژولار چند دستگاه برای تقسیم ولتاژ بالا.

۱.۱ اتصال سری دستگاه

 اصل: چندین دستگاه مسیریابی (مانند IGBTs یا SiC MOSFETs) به صورت مستقیم به صورت سری 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 جزئی پارامترها در بین دستگاه‌ها (مانند سرعت مسیریابی، ظرفیت گره)، ولتاژ در زمان مسیریابی با سرعت بالا به طور مساوی در بین دستگاه‌ها توزیع نمی‌شود که ممکن است منجر به ولتاژ بیش از حد و خرابی یک دستگاه شود.

• راه‌حل‌ها: نیاز به مدارهای تعادل ولتاژ پیچیده فعال یا غیرفعال (مانند مدارهای سنبک، کنترل گیت) برای افراز ولتاژ، که پیچیدگی و هزینه سیستم را افزایش می‌دهد.

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

۲.۱ اصل: این یک مفهوم پیشرفته‌تر و با عملکرد بالاتر «سری ماژولار» است. با استفاده از چندین سطح ولتاژ، تقریب مقطعی از موج سینوسی ایجاد می‌کند تا هر دستگاه مسیریابی فقط بخشی از ولتاژ DC بزرگ را تحمل کند.

۲.۲ توپولوژی‌های معمول:

• مبدل چندسطحی ماژولار (MMC): یکی از محبوب‌ترین توپولوژی‌ها برای SST‌های ولتاژ متوسط و بالا. شامل تعداد زیادی زیرماژول (SMs) به صورت سری است. هر زیرماژول معمولاً شامل یک خازن و چندین دستگاه مسیریابی است. دستگاه‌ها فقط ولتاژ خازن زیرماژول را تحمل می‌کنند که به طور موثر مسئله تنش ولتاژ را حل می‌کند. مزایای آن شامل ماژولاریتی، مقیاس‌پذیری و کیفیت عالی موج خروجی است.

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

• مزایا: به طور بنیادی محدودیت نمره ولتاژ دستگاه‌های فردی 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)

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

• مزایا: هر واحد یک ماژول استاندارد ولتاژ پایین است که طراحی، تولید و نگهداری را ساده می‌کند. قابلیت اطمینان بالا (خرابی یک واحد عملکرد کلی سیستم را اختلال نمی‌دهد). بسیار مناسب برای فلسفه طراحی ماژولار 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 بنیادی حل می‌کند.

۴.۱ استفاده از دستگاه‌های نیمه‌رسانا با فاصله باند گسترده

اصل: مواد نیمه‌رسانا نسل جدید مانند کربید سیلیسیوم (SiC) و نیترید گالیوم (GaN) دارای میدان‌های شکست الکتریکی بحرانی یک دهه بالاتر از سیلیسیوم (Si) سنتی هستند. این بدان معناست که دستگاه‌های SiC می‌توانند در ضخامت یکسان نسبت به دستگاه‌های Si نمره ولتاژ بسیار بالاتری داشته باشند.
مزایا:

• نمره ولتاژ بالاتر: یک SiC MOSFET می‌تواند به راحتی به نمره ولتاژ بالاتر از ۱۰ کیلوولت دست یابد، در حالی که IGBT‌های سیلیسیوم معمولاً به زیر ۶.۵ کیلوولت محدود می‌شوند. این امکان می‌دهد تا توپولوژی‌های SST ساده‌تر شوند (تعداد دستگاه‌های سری متصل را کاهش می‌دهد).

• کارایی بالاتر: دستگاه‌های با فاصله باند گسترده مقاومت انتقال و تلفات مسیریابی کمتری دارند که به SST‌ها اجازه می‌دهد در فرکانس‌های بالاتر کار کنند و در نتیجه اندازه و وزن مولفه‌های مغناطیسی (ترانسفورماتورها، القایی‌ها) را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.
  

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

۴.۲ فناوری سوپرجانکشن

• اصل: یک روش پیشرفته برای MOSFET‌های بر پایه سیلیسیوم که مناطق ستون‌وار P و N را معرفی می‌کند تا توزیع میدان الکتریکی را تغییر دهد و بدین ترتیب توانایی مسدود کردن ولتاژ را به طور قابل توجهی بهبود بخشد در حالی که مقاومت روشن را کم نگه می‌دارد.

• برنامه: این دستگاه عمدتاً در دستگاه‌هایی با نرخ ولتاژ بین ۶۰۰ وولت تا ۹۰۰ وولت استفاده می‌شود. در سمت ولتاژ پایین یا بخش‌های کم‌توان SSTs به کار گرفته می‌شود، اما هنوز برای کاربردهای مستقیم ولتاژ متوسط کافی نیست.

۵. مقایسه

چگونه می‌توان محدودیت‌های رتبه‌بندی ولتاژ دستگاه‌های نیمه‌رسانا در SSTs را حل کرد؟

• حل عملی و قابل اعتماد در حال حاضر استفاده از توپولوژی‌های تبدیل‌دهنده‌های چندسطحی (به خصوص تبدیل‌دهنده‌های چندسطحی ماژولار، MMC) یا ساختارهای پی‌در‌پی-سری و موازی (ISOP) است. این رویکردها که بر اساس دستگاه‌های مبتنی بر سیلیسون بنا شده‌اند، با استفاده از معماری‌های پیچیده سطح سیستمی، محدودیت رتبه‌بندی ولتاژ دستگاه‌های فردی را دور می‌زنند.

• حل بنیادی برای آینده در رسیدن به بالغ شدن و کاهش هزینه دستگاه‌های نیمه‌رسانا با پهنای باند گسترده ولتاژ بالا، به خصوص کربید سیلیسیوم (SiC) قرار دارد. یک بار این امر تحقق یافته، توپولوژی‌های SST می‌توانند به طور قابل توجهی ساده‌تر شوند و پیشرفت قابل توجهی در کارایی و چگالی توان ایجاد کنند.

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