SST Voltage Challenges: Topologies & SiC Tech Mga Hamon sa SST Voltage: Mga Topolohiya at SiC Tech

Isa sa mga pangunahing hamon ng Solid-State Transformers (SST) ang rating ng tensyon ng isang solo na semiconductor device para sa power na hindi sapat upang direktang makapag-handle ng medium-voltage distribution networks (halimbawa, 10 kV). Ang pagtugon sa limitasyon ng tensyon na ito ay hindi nakasalalay sa iisang teknolohiya, kundi sa isang "pagsasama-samang pamamaraan." Ang pangunahing estratehiya ay maaaring ikategorya sa dalawang uri: "panloob" (sa pamamagitan ng inobasyon sa teknolohiya at materyales sa antas ng device) at "pakikipagtulungan sa labas" (sa pamamagitan ng circuit topology).

1. Pakikipagtulungan sa Labas: Paglutas sa pamamagitan ng Circuit Topology (Kasalukuyang Pinakamainstream at Matatag na Pamamaraan)
Ang ito ang kasalukuyang pinaka-maatatag at malaganap na ginagamit sa medium- at high-voltage, high-power applications. Ang pundamental na ideya nito ay "strength in unity"—gamit ang series connections o modular combinations ng maraming device upang ibahagi ang mataas na tensyon.

1.1 Series Connection ng Device

 Prinsipyo: Maraming switching devices (halimbawa, IGBTs o SiC MOSFETs) ay direkta na konektado sa serye upang kolektibong tanggihan ang mataas na tensyon. Ito ay katulad ng pagkonekta ng maraming baterya sa serye upang makamit ang mas mataas na tensyon.

 Pangunahing Hamon:

• Dynamic Voltage Balancing: Dahil sa maliit na pagkakaiba-iba ng mga parameter sa mga device (halimbawa, bilis ng switching, junction capacitance), ang tensyon ay hindi maaring pantay-pantay na ibahagi sa mga device sa panahon ng mataas na bilis ng switching, na maaaring magresulta sa overvoltage at pagkasira ng isang device.

• Solusyon: Kinakailangan ng komplikadong aktibong o pasibong voltage balancing circuits (halimbawa, snubber circuits, gate control) upang ipatupad ang voltage sharing, na nagdudulot ng pagtaas ng komplikasyon at gastos ng sistema.

2. Multilevel Converter Topologies (Pinakamainstream na Piliin para sa SST Ngayon)

2.1 Prinsipyo: Ito ay isang mas advanced at mas mataas na performance na konsepto ng "modular series." Ito ay lumilikha ng hagdanan na paghahati-hati ng sine wave gamit ang maraming voltage levels, kaya ang bawat switching device ay lamang tumatanggap ng bahagi ng kabuuang DC bus voltage.

2.2 Karaniwang Topologies:

• Modular Multilevel Converter (MMC): Isa sa pinakapaboritong topologies para sa medium- at high-voltage SSTs. Ito ay binubuo ng maraming identical submodules (SMs) na konektado sa serye. Bawat submodule karaniwang mayroong isang capacitor at ilang switching devices. Ang mga device ay lamang tumatanggap ng tensyon ng capacitor ng submodule, na epektibong naglulutas ng voltage stress issue. Ang mga benepisyo ay kinabibilangan ng modularity, scalability, at excellent output waveform quality.

• Flying Capacitor Multilevel Converter (FCMC) at Diode-Clamped Multilevel Converter (DNPC): Din karaniwang ginagamit na multilevel structures, ngunit naging komplikado sa struktura at kontrol habang tumaas ang bilang ng mga level.

• Benepisyo: Pundamental na naglulutas ng voltage rating limitation ng individual na devices, malaking pagbabago sa kalidad ng output voltage waveform, at pagbawas ng laki ng filter.

3. Input-Series Output-Parallel (ISOP) Cascaded Structure

• Prinsipyo: Maraming buong, independent na power conversion units (halimbawa, DAB, Dual Active Bridge) ay konektado sa kanilang inputs sa serye upang tanggihan ang mataas na tensyon at outputs sa parallel upang ibigay ang mataas na current. Ito ay isang system-level modular solution.

• Benepisyo: Bawat unit ay isang low-voltage standard module, simplifying design, manufacturing, at maintenance. Mataas na reliability (pagkasira ng isang unit ay hindi nagdudulot ng pagkaputol ng kabuuang operasyon ng sistema). Napakasuitable para sa modular design philosophy ng SST.

4. Panloob na Pagpapatibay: Inobasyon sa Antas ng Device (Pangungunang Direksyon ng Pag-unlad sa Hinaharap)

Ang pamamaraang ito ay pundamental na naglulutas ng isyu mula sa perspektibo ng materials science at semiconductor physics.

4.1 Paggamit ng Wide-Bandgap Semiconductor Devices

Prinsipyo: Ang bagong henerasyon ng semiconductor materials tulad ng silicon carbide (SiC) at gallium nitride (GaN) ay may critical breakdown electric fields na isang order of magnitude mas mataas kaysa sa traditional na silicon (Si). Ito ang nangangahulugan na ang SiC devices ay maaaring makamit ang mas mataas na voltage ratings sa parehong lalim kumpara sa Si devices.
Benepisyo:

• Mas Mataas na Voltage Rating: Ang isang solo na SiC MOSFET ay maaaring madaling makamit ang voltage ratings na higit sa 10 kV, samantalang ang silicon IGBTs ay karaniwang limitado sa ibaba ng 6.5 kV. Ito ay nagbibigay-daan sa simplified SST topologies (pagbabawas ng bilang ng series-connected devices).

• Mas Mataas na Efisiensi: Ang wide-bandgap devices ay nagbibigay ng mas mababang conduction resistance at switching losses, na nagbibigay-daan sa SSTs na mag-operate sa mas mataas na frequencies, na siyang nagpapabawas ng laki at timbang ng magnetic components (transformers, inductors).
  

• Status: Ang high-voltage SiC devices ay kasalukuyang isang mainit na paksa sa SST research at ito ay itinuturing na isang key enabling technology para sa future disruptive SST designs.

4. 2 Superjunction Technology

• Prinsipyo: Isang advanced na teknik para sa silicon-based MOSFETs na nagpapakilala ng alternating P-type at N-type pillar regions upang baguhin ang distribusyon ng electric field, na siyang nagpapataas ng voltage blocking capability habang nananatiling mababa ang on-resistance.

• Application: Pangunahing ginagamit sa mga device na may voltage ratings sa pagitan ng 600 V at 900 V. Ginagamit sa low-voltage side o lower-power sections ng SSTs, ngunit hindi pa sapat para sa direct medium-voltage applications.

5. Paghahambing

Paano masolusyunan ang limitasyon ng voltage rating ng power semiconductor devices sa SSTs?

• Ang pinakapraktikal at pinakamataas na solusyon sa kasalukuyan ay ang pag-adopt ng multilevel converter topologies (lalo na ang Modular Multilevel Converters, MMC) o cascaded input-series output-parallel (ISOP) structures. Ang mga pamamaraang ito, batay sa matatag na silicon-based devices, ay nag-iwas sa voltage rating bottleneck ng individual na devices sa pamamagitan ng sophisticated system-level architectures.

• Ang pundamental na solusyon para sa hinaharap ay nasa maturation at pagbawas ng gastos ng high-voltage wide-bandgap semiconductor devices, lalo na ang silicon carbide (SiC). Kapag natamo, ang SST topologies ay maaaring mabigyan ng significant na simplification, na nagbibigay-daan sa leap forward sa efisiensi at power density.

Sa aktwal na SST research and development, madalas na pinagsasama ang maraming teknolohiya—halimbawa, ang paggamit ng MMC topology gamit ang SiC devices—upang makamit ang optimal na performance at reliability.