SST-jännitehaasteet: Topologiat & SiC-teknologia

Yksi ydinsolidimuunnin (SST) keskeisistä haasteista on, että yhden sähkökomponentin jännitearvo on kaukana riittävältä käsitellä suoraan keskijännitteisiä jakeluverkkoja (esim. 10 kV). Tämän jänniterajoituksen ratkaiseminen ei perustu yhteen teknologiaan, vaan "yhdistelmälähesty" lähestymistapaan. Päästrategiat voidaan luokitella kahteen ryhmään: "sisäiseen" (laitetasolla teknologian ja materiaalin innovaation kautta) ja "ulkopuoliseen yhteistyöhön" (piirityypin kautta).

1.Ulkopuolinen yhteistyö: Ratkaisu piirityypin kautta (Nykyisin eniten käytetty ja kypsynein lähestymistapa)
Tämä on tällä hetkellä luotettavin ja laajasti sovellettava lähestymistapa keski- ja korkeajännitteisiin, suuriin tehnoihin liittyviin sovelluksiin. Sen ydinidea on "voima yhdessä" - useiden laitteiden sarjallinen kytkentä tai modulaariset yhdistelmät jakavat korkean jännitteen.

1.1 Laitteiden sarjakytkentä

 Periaate: Useita kytkentälaitteita (esim. IGBT:t tai SiC MOSFET:t) kytketään suoraan sarjaksi yhteisesti korkean jännitteen kestämiseksi. Tämä on vastaava kuin akkujen sarjallinen kytkentä saavuttaakseen korkeamman jännitteen.

 Avaintehokkuudet:

• Dynaaminen jännitejakautuminen: Laiteparametrien (esim. kytkennän nopeus, solmukapasiteetti) pieniä eroja johtaa epätasaiseen jännitejakautumiseen nopeissa kytkennyksissä, mikä voi aiheuttaa yhden laitteen ylijännitteen ja häiriöt.

• Ratkaisut: Vaaditaan monimutkaisia aktiivisia tai passiivisia jännitejakautumispielet (esim. snubber-pielet, porttikontrolli) jännitetason ylläpitämiseksi, mikä lisää järjestelmän monimutkaisuutta ja kustannuksia.

2. Monitasoisten muuntimen topologiat (Nykyinen SST:n päävalinta)

2.1 Periaate: Tämä on edistyneämpi ja suorituskykyisempi "modulaarinen sarja" -konsepti. Se luo askeltavan approksimaation siniaallon avulla useilla jänniteasteilla, jolloin jokainen kytkentälaite kestää vain osan koko DC-bussijännitteestä.

2.2 Yleiset topologiat:

• Modulaarinen monitasomuunnin (MMC): Yksi suosituimmista topologioista keski- ja korkeajännitteisiin SST:ihin. Se koostuu useista identtisistä alamoduuleista (SM), jotka ovat kytketty sarjaksi. Jokainen alamoduuli sisältää yleensä kondensaattorin ja useita kytkentälaitteita. Laitteet kestävät vain alamoduulin kondensaattorin jännitteen, mikä ratkaisee tehokkaasti jännitepainetta. Edoissa ovat modulaarisuus, skaalautuvuus ja erinomainen ulostuloaalto.

• Lentävä kapasitorin monitasomuunnin (FCMC) ja diodipitojen monitasomuunnin (DNPC): Myös yleisesti käytetyt monitasorakenteet, mutta niiden rakenne ja ohjaus monimutkistuvat, kun tasoja lisätään.

• Edut: Ratkaisee perustavanlaatuisesti yksilöllisten laitteiden jännitearvorajoituksen, parantaa merkittävästi ulostuloaallon laatua ja vähentää suodattimen kokoa.

3. Sarjakytketty syöttö, rinnakkaiskytketty ulostulo (ISOP) kaskadejärjestelmä

• Periaate: Useat täydelliset, itsenäiset tehojen muuntoyksiköt (esim. DAB, Kaksiosainen aktiivinen silta) kytketään sarjaksi syöttölaitteilla korkean jännitteen kestämiseksi ja rinnakkaan ulostulolla korkean virran tuottamiseksi. Tämä on järjestelmätason modulaarinen ratkaisu.

• Edut: Jokainen yksikkö on matalajännitelohko, joka yksinkertaistaa suunnittelua, valmistusta ja huoltoa. Korkea luotettavuus (yksikön epäonnistuminen ei häiritse koko järjestelmän toimintaa). Erittäin soveltuva SST:n modulaariseen suunnitteluperiaatteeseen.

4. Sisäinen vahvistus: Laitetason teknologinen innovaatio (Tulevaisuuden kehityssuunta)

Tämä lähestymistapa käsittelee ongelmaa perustavanlaatuisesti materiaalitieteen ja semanttisen fysiikan näkökulmasta.

4.1 Laajakaistaisen semanttisen laitteen käyttö

Periaate: Uudet semanttiset materiaalit, kuten siilihiili (SiC) ja galliumnitriidi (GaN), ovat kriittisillä sähkökenttäarvoilla kymmenkertainen verrattuna perinteiseen silikaattiin (Si). Tämä tarkoittaa, että SiC-laitteet voivat saavuttaa paljon korkeampia jännitearvoja samalla paksuudella kuin Si-laitteet.
Edut:

• Korkeampi jännitearvo: Yksi SiC MOSFET voi nyt helposti saavuttaa jännitearvoja yli 10 kV, kun taas silikaatti-IGBT:t ovat yleensä rajoitettuja alle 6,5 kV. Tämä mahdollistaa yksinkertaisemmat SST-topologiat (vähentää sarjakytkettyjen laitteiden määrää).

• Korkeampi tehokkuus: Laajakaistaiset laitteet tarjoavat alhaisemman johtavuuden vastuksen ja kytkennän menetykset, mikä mahdollistaa SST:n toiminnan korkeammilla taajuudilla, mikä merkittävästi vähentää magneettisten komponenttien (muuntimet, induktiot) kokoa ja painoa.
  

• Tila: Korkeajännitteiset SiC-laitteet ovat nykyään kiirehtineen tutkimuksen aihe SST:ssä ja ne pidetään avaintekniikkana tulevan radikaalisen SST-suunnittelun kannalta.

4.2 Superjunction-teknologia

• Periaate: Edistynyt tekniikka silikaattipohjaisille MOSFET:ille, jossa otetaan käyttöön vaihtoehtoisia P-tyyppisiä ja N-tyyppisiä pylväsalueita sähkökentän jakautumisen muuttamiseksi, mikä parantaa huomattavasti jännitteen estämiskykyä samalla kun säilytetään alhainen sulkuvastus.

• Sovellus: Pääasiassa käytetään laitteissa, joiden jännitearvo on 600 V ja 900 V välillä. Sovelletaan SST:n matalajännitelohkossa tai pienemmässä tehosteossa, mutta se on vielä riittämätön suoraan keskijännitteisiin sovelluksiin.

5. Vertailu

Miten voit ratkaista sähkökomponenttien jännitearvorajoituksen SST:issä?

• Nykyisin käytännöllisin ja luotettavin ratkaisu on käyttää monitasomuunnin topologioita (erityisesti modulaarista monitasomuunninta, MMC) tai kaskadejärjestelyä (ISOP). Nämä lähestymistavat, jotka perustuvat kypsyneisiin silikaattilaitteisiin, kiertävät yksilöllisten laitteiden jännitearvorajoituksen monimutkaisilla järjestelmätason rakenteilla.

• Tulevaisuuden perustavanlaatuinen ratkaisu on korkeajännitteisten laajakaistaisen semanttisen laitteen, erityisesti siilihiilekkivalmistuksen (SiC), kypsyyden ja hinnan alenemisen. Kun tämä on toteutettu, SST-topologioiden voi yksinkertaistaa merkittävästi, mikä mahdollistaa tehokkuuden ja tehokertymän suuren loikan eteenpäin.

Oikeassa SST-tutkimuksessa ja -kehityksessä usein yhdistetään useita tekniikoita – esimerkiksi käyttämällä MMC-topologiaa SiC-laitteilla – saavuttaakseen optimaalisen suorituskyvyn ja luotettavuuden.