SST Voltage Challenges: Topologies & SiC Tech Deastuithe Vocht SST: Caitheáin & Teicneolaíocht SiC

Is é ceann de na dúshláin gníomhacha Iarthach Tábhachtach (SST) ná go bhfuil an raon voltaíochta aon chuidéire amháin ríomhchúlach cumhachta tar éis bheith an-ard chun líonuithe meán-voltaíocha (mar shampla, 10 kV) a dhéanamh go díreach. Ní dhépendeann an réiteach ar aon teicneolaíocht amháin, ach ar "modh comhbhaint." Is féidir na príomhstraitéisí a ghradú i dhá chineál: "intíriúil" (trí nuálachas teicneolaíoch agus ábharach leibhéal cinniúna) agus "comhoibriú seachtrach" (trí topólacht ciorcail).

1. Comhoibriú Seachtrach: Réiteach trí Topólacht Ciorcail (An Modh is Coitianta agus is Fónta sa Lár)
Is é seo an modh is ionsaithí agus is coitianta atá in úsáid sa tionscal meán- agus ard-voltaíochta, cumhacht mhór. Is é an smaoineamh bunúsach "néart sa chomhtháth"—úsáid nascadh sraithe nó comhbhaint modúil a dhéanamh idir roinnt cuidéirí chun an voltáil ard a roinnt.

1.1 Nascadh Sraithe Cuidéirí

 Prionsabal: Tá roinnt cuidéirí scuilinge (mar shampla, IGBTs nó SiC MOSFETs) díreach nasctha sraithe le chéile chun an voltáil ard a ndearfach. Is cosúil leis an nascadh sraithe a dhéanamh ar pilí bataí chun voltáil níos airde a bhaint amach.

 Dúshláin Gníomha:

• Cothrombheothú Voltáil Dhinimiciúil: Mar gheall ar éagsúlachtaí beaga paraiméad (mar shampla, luas scuilinge, capicitás comhchrutha), ní féidir an voltáil a roinnt go cothrom idir na cuidéireanna le linn scuilinge luasach, rud a d'fhéadfadh a bheith mar chúis don ollvoltáil agus d'éagóir i gcuidéir amháin.

• Réitíochtaí: Tá circeanna cothrombheothaithe voltáil forleathan nó pasívuighthe (mar shampla, snubber circuits, rialú geata) ag teastáil chun an roinnt voltáil a fhorbairt, ag méadaíodh an castacht agus an costas an chórais.

2. Topólaithe Coivél Measta (An Roghainn is Coitianta do SST Anois)

2.1 Prionsabal: Is é seo smaoineamh níos forleathana agus níos forleatha "modúil sraithe." Ghineann sé meastachán stapa de shínú uafásach tríd leibhéal voltáil éagsúla, ionróidh gur gá gach cuidéir scuilinge a dhéanamh faoi chuid amháin den voltáil bus DC iomlán.

2.2 Topólaithe Coitianta:

• Modular Multilevel Converter (MMC): Céad rogha do SSTí meán- agus ard-voltaíocha. Tá sé bunaithe ar roinnt submódúil (SMs) comhionann a nascadh sraithe. Tá capacitor agus cuidéirí scuilinge ag gach submódúil. Tá sé sin a dhéanamh faoi chuid amháin den voltáil capacitor an submódúil, ag réiteach an tionscal voltáil. Tá na buntáistí aige modúlacht, scalabhlacht, agus cáilíocht foirme out put den scoth.

• Flying Capacitor Multilevel Converter (FCMC) agus Diode-Clamped Multilevel Converter (DNPC): Topólaithe measta eile a úsáidtear freisin, ach tá siad níos casta agus níos forleatha ó thaobh rialú agus struchtúr de mar a mheastar an líon leibhéal.

• Buntáistí: Réiteach bunúsach ar an teorainn reatha aon chuidéire, agus measúnú suntasach ar an cháilíocht foirm out put voltáil, agus laghdú ar mhéide filtre.

3. Input-Series Output-Parallel (ISOP) Struchtúr Chascthe

• Prionsabal: Tá roinnt aonaid iompair cumhachta iomlán neamhspleách (mar shampla, DAB, Dual Active Bridge) nasctha lena n-iontráil sraithe chun voltáil ard a ndearfach agus lena n-out put párlale chun currant ard a thabhairt. Is é seo réiteach modúil leibhéal an chórais.

• Buntáistí: Is modúl stándair í gach aonad, ag simplíodh an dearadh, an tionscal, agus an maointean. Forleathan (d'éagóir aon aonad ní héifeacht a dhéanamh ar an gcóras iomlán). Go hiondúil do phríomhsmacht an dearadh modúil SST.

4. Ionracú Intíriúil: Nuálachas Teicneolaíoch Leibhéal an Chuidéire (Treo Forbairt an Aimsire Romhainn)

Léiríonn an modh seo an fhadhb bunúsach ó thaobh eolaíochta ábhar agus fisice semicúlach.

4.1 Úsáid Cuidéirí Semicúlacha Leathan-Bandgap

Prionsabal: Tá ábhar semicúlach nua-aimseartha mar shampla carbón silící (SiC) agus nitride gallium (GaN) le réimsí briseadh leictreac um thréimhse níos airde ná sílicí (Si) traidisiúnta. Seo a chiallann gur féidir do chuidéirí SiC a dhéanamh le raonta voltáil níos airde ag an mbhéim céanna ná do chuidéirí Si.
Buntáistí:

• Raon Voltáil Níos Airde: Is féidir le SiC MOSFET amháin anois a bhaint amach raonta voltáil os cionn 10 kV, áit a bhfuil IGBTs sílicí ginearálta teoranta go dtí thíos 6.5 kV. Seo a chiallann dearadh SST níos simplí (laghdú ar líon na cuidéireanna nasc sraithe).

• Foréigean Níos Airde: Tá an-tuarisc conduction agus tuarisc scuilinge níos ísle ag cuidéirí leathan-bandgap, ag caitheamh SSTí a oibriú ag uillinní níos airde, ag laghdú go suntasach ar mhéide agus ar mhéadar an chuid mórfholúra (transformers, inductors).
  

• Stádas: Tá cuidéirí SiC ard-voltáil anois á plé go forleathan i taighde SST agus tá siad aitheanta mar theicneolaíocht chun forbartha SST rathúil sa todhchaí.

4. 2 Teicneolaíocht Superjunction

• Prionsabal: Téicneolaíocht forleathan do MOSFETs sílicí a chuirtear P-type agus N-type réigiún piolair in aice le chéile chun an réimse leictreac a athrú, agus mar thoradh, a dhéanamh an tionscal blocka voltáil a fheabhsú go mór agus a choimeád ar an on-resistance íseal.

• Feidhmíocht: Úsáidte go príomha i réimsí eochairshónra idir 600 V agus 900 V. Cuirtear isteach sa taobh íseal-voltach nó na réimsí íseal-imthuiscint de SSTs, ach is é fós gan leor do chuid feidhmeanna voltach meánacha díreach.

5. Comparáid

Conas leis an bpríomhbhrú ar líomh na ndearbhóir cumhachtúla i SSTs?

• Is é an t-iarratas is mó gníomhaí agus is íobartach faoi láthair ná úsáid topolaíocht comhthatabhala meánacha (go háirithe Modular Multilevel Converters, MMC) nó struchtúir ISOP (input-series output-parallel) incéadaithe. Iarrataí seo, bunaithe ar dearbóirí síicín bhunaithe, aistritheann brú líomh an duine amháin trí éagsúlacht forbartha ábhartha.

• Is é an t-iarratas bunúsach don todhchaí ná maireachtáil agus laghdú costais dearbóirí síicíd le líomh airde agus bandghaol ghlas, go háirithe silicon carbide (SiC). Nuair a fheicfear é seo, is féidir le topolaíocht SST a shimpliú go mór, ag cuir chun cinn sularbh éifeachtach agus tiograis cumhacht.

Sa taighde agus forbairt SST fíor, cuirtear go minic roinnt teicneolaíochtaí le chéile — mar shampla, úsáid topolaíocht MMC le dearbóirí SiC — chun réiteach is fearr agus is íobartach a bhaint amach.