Desafíos de tensión SST: Topoloxías e tecnoloxía SiC

Un dos principais desafíos dos Transformadores de Estado Sólido (SST) é que a clasificación de voltaxe dun único dispositivo semiconductivo de potencia é moi insuficiente para manexar directamente as redes de distribución de media tensión (por exemplo, 10 kV). Abordar esta limitación de voltaxe non depende dunha única tecnoloxía, senón dunha "aproximación combinada". As estratexias principais poden categorizarse en dous tipos: "interna" (a través da innovación tecnolóxica e material ao nivel do dispositivo) e "colaboración externa" (a través da topoloxía do circuito).

1. Colaboración Externa: Resolución a través da Topoloxía do Circuito (Actualmente a Aproximación Máis Premeada e Madura)
Esta é actualmente a aproximación máis fiable e ampliamente aplicada en aplicacións de media e alta tensión, de alta potencia. A súa idea central é "a forza na unidade"—usando conexións en serie ou combinacións modulares de múltiples dispositivos para compartir a alta tensión.

1.1 Conexión en Serie de Dispositivos

 Principio: Múltiples dispositivos de conmutación (por exemplo, IGBTs ou SiC MOSFETs) están conectados directamente en serie para resistir colectivamente a alta tensión. Esto é análogo a conectar múltiples baterías en serie para lograr unha maior tensión.

 Desafíos Clave:

• Balanceo Dinámico de Tensión: Debido a pequenas diferenzas nos parámetros entre dispositivos (por exemplo, velocidade de conmutación, capacitancia de xuncción), a tensión non pode distribuírse uniformemente entre os dispositivos durante a conmutación de alta velocidade, o que pode causar sobretensión e fallo nun dispositivo.

• Solucións: Requírense circuitos de balanceo de tensión activos ou pasivos complexos (por exemplo, circuitos snubber, control de porta) para forzar a compartición de tensión, aumentando a complexidade e o custo do sistema.

2. Topoloxías de Convertidores Multinivel (Opción Premeada Actual para SST)

2.1 Principio: Este é un concepto "modular en serie" máis avanzado e de alto rendemento. Xera unha aproximación escalonada dunha onda senoidal usando múltiples niveis de tensión, de maneira que cada dispositivo de conmutación só resiste unha fracción da tensión total do bus DC.

2.2 Topoloxías Comúns:

• Convertidor Modular Multinivel (MMC): Unha das topoloxías máis favorecidas para SSTs de media e alta tensión. Consiste en moitos submódulos (SMs) idénticos conectados en serie. Cada submódulo xeralmente inclúe un condensador e varios dispositivos de conmutación. Os dispositivos só suportan a tensión do condensador do submódulo, solucionando eficazmente o problema de estrés de tensión. As vantaxes inclúen modularidade, escalabilidade e excelente calidade da forma de onda de saída.

• Convertidor Multinivel de Capacitor Volante (FCMC) e Convertidor Multinivel de Diodo Clampado (DNPC): Tamén son estructuras multinivel comúnmente utilizadas, pero se tornan estrutural e controladamente complexas á medida que aumenta o número de niveis.

• Vantaxes: Soluciona fundamentalmente a limitación de clasificación de tensión de dispositivos individuais, mellora significativamente a calidade da forma de onda de tensión de saída e reduce o tamaño do filtro.

3. Estructura Cascada de Entrada en Serie-Saída en Paralelo (ISOP)

• Principio: Múltiples unidades de conversión de potencia completas e independentes (por exemplo, DAB, Puente Activo Dual) están conectadas con as súas entradas en serie para resistir a alta tensión e as súas saídas en paralelo para entregar corrente alta. Esta é unha solución modular ao nivel do sistema.

• Vantaxes: Cada unidade é un módulo estándar de baixa tensión, simplificando o deseño, a fabricación e a manutención. Alta fiabilidade (a fallo dunha unidade non interrompe a operación do sistema en xeral). Altamente adecuado para a filosofía de deseño modular de SST.

4. Reforzo Interno: Innovación Tecnolóxica ao Nivel do Dispositivo (Dirección de Desenvolvemento Futuro)

Esta aproximación aborda fundamentalmente o problema desde as perspectivas da ciencia dos materiais e da física dos semiconductores.

4.1 Uso de Dispositivos Semiconductores de Ancho de Banda Largo

Principio: Novos materiais semiconductores como o carburo de silicio (SiC) e o nitrato de galio (GaN) teñen campos críticos de ruptura eléctrica unha orde de magnitude superior aos do silicio (Si) tradicional. Isto significa que os dispositivos SiC poden lograr clasificacións de tensión moito máis altas no mesmo espesor comparados cos dispositivos Si.
Vantaxes:

• Maior Clasificación de Tensión: Un único SiC MOSFET pode agora alcanzar facilmente clasificacións de tensión superiores a 10 kV, mentres que os IGBTs de silicio típicamente están limitados a menos de 6.5 kV. Isto permite simplificar as topoloxías SST (reducindo o número de dispositivos conectados en serie).

• Máis Eficiencia: Os dispositivos de ancho de banda largo ofrecen menor resistencia de conducción e perdas de conmutación, permitindo que os SSTs operen a frecuencias máis altas, reducindo significativamente o tamaño e o peso dos componentes magnéticos (transformadores, inductores).
  

• Estado: Os dispositivos SiC de alta tensión son actualmente un tema de gran interese na investigación de SST e consideranse unha tecnoloxía clave para diseños futuros disruptivos de SST.

4. 2 Tecnoloxía Superjunction

• Principio: Unha técnica avanzada para MOSFETs baseados en silicio que introduce rexións alternantes de tipo P e N para alterar a distribución do campo eléctrico, mellorando así significativamente a capacidade de bloqueo de tensión mantendo unha baixa resistencia de encendido.

• Aplicación: Principalmente usada en dispositivos con clasificacións de tensión entre 600 V e 900 V. Aplicada no lado de baixa tensión ou nas seccións de menor potencia de SST, pero aínda insuficiente para aplicacións directas de media tensión.

5. Comparación

Como abordar as limitacións de clasificación de tensión dos dispositivos semiconductores de potencia en SST?

• A solución máis práctica e fiable actualmente é adoptar topoloxías de convertidores multinivel (especialmente Convertidores Modulares Multinivel, MMC) ou estructuras cascada de entrada en serie-saída en paralelo (ISOP). Estas aproximacións, basadas en dispositivos de silicio maduros, eluden a garrafa de cuello de clasificación de tensión de dispositivos individuais mediante arquitecturas sofisticadas ao nivel do sistema.

• A solución fundamental para o futuro reside na maduración e redución de custos de dispositivos semiconductores de ancho de banda largo de alta tensión, especialmente o carburo de silicio (SiC). Unha vez realizada, as topoloxías SST poden simplificarse significativamente, permitindo un salto adiante en eficiencia e densidade de potencia.

Na investigación e desenvolvemento real de SST, múltiples tecnoloxías adoitan combinarse—por exemplo, empregando unha topoloxía MMC usando dispositivos SiC—para lograr un rendemento e fiabilidade óptimos.