אתגרי מתח SST: טופולוגיות וטכנולוגיית SiC
אחת האתגרים העיקריים של טרנספורטורים מוצקים (SST) היא שהדרגת המתח של מכשיר חשמל אחד היא רחוקה מלהיות מספקת כדי להתמודד ישירות עם רשתות תקורה בלחץ בינוני (לדוגמה, 10 ק"ו). פתרון הגבלת המתח הזו אינו תלוי בטכנולוגיה אחת, אלא בגישה "משלבת". המגמות העיקריות יכולות להיות מוגדרות בשתי קטגוריות: "פנימית" (דרך חדשנות טכנולוגית וחומרים ברמת המכשיר) ו"שיתוף פעולה חיצוני" (דרך טופולוגיה של מעגל).
1. שיתוף פעולה חיצוני: פתרון דרך טופולוגיה של מעגל (כיום המתודולוגיה הנפוצה והבוגרת ביותר)
זו המתודולוגיה הכי אמינה ונפוצה כיום לשימוש במערכות בעלות לחץ בינוני או גבוה, עוצמה גבוהה. הרעיון המרכזי הוא "כוח באחדות"—שימוש בחיבור סידורי או בתרכובות מודולריות של מספר מכשירים כדי לשתף את המתח הגבוה.
1.1 חיבור סידורי של מכשירים
עקרון: מכשירי מתג מרובים (לדוגמה, IGBTs או SiC MOSFETs) מחוברים ישירות בסידור כדי להישאר יציבים מול מתח גבוה. זה דומה לחברת סוללות רבות בסידור כדי להשיג מתח גבוה יותר.
אתגרים מרכזיים:
איזון מתח דינמי: עקב הבדלים קטנים בין הפרמטרים של המכשירים (לדוגמה, מהירות החלפת מצב, קיבולת גשר), המתח לא יכול להתחלק באופן אחיד בין המכשירים במהלך החלפת מצב מהירה, מה שיכול לגרום למתח יתר ולכשל במכשיר אחד.
פתרונות: נדרשים מעגלים מורכבים של איזון מתח פעיל או פסיבי (לדוגמה, מעגלי סנובר, שליטה בדלתות) כדי לאכוף שיתוף מתח, מה שמוסיף מורכבות ומחיר למערכת.
2. טופולוגיות של ממירים רב-מפלסיים (הבחירה הנפוצה ביותר עבור SST כיום)
2.1 עקרון: זהו מושג מתקדם ובעל ביצועים גבוהים יותר של "סדרה מודולרית". הוא יוצר קירוב של גל סינוס באמצעות מספר רמות מתח, כך שכל מכשיר מתג נושא רק חלק מהמתח הכולל של החשמל המשמש.
2.2 טופולוגיות נפוצות:
ממיר רב-מפלסי מודולרי (MMC): אחת מהתופולוגיות המועדפות ביותר עבור SSTs בעומס בינוני או גבוה. הוא מורכב מגופנים זהים רבים המחוברים בסידור. כל גופן כולל בדרך כלל קONDENZATOR ומספר מכשירי מתג. המכשירים נושאים רק את המתח של הקONDENZATOR של הגופן, מה שפותר את בעיית המתח. יתרונות כוללים מודולריות, היכולת להרחיב, ואיכות פלט מצוינת.
ממיר רב-מפלסי עם קONDENZATOR מעופף (FCMC) וממיר רב-מפלסי מוגבל על ידי דיודה (DNPC): גם הם מבנים רב-מפלסיים נפוצים, אך נעשים מורכבים בצורה ובשליטה ככל שמספר המפלסים גדל.
יתרונות: פותר באופן בסיסי את הגבלת דרגת המתח של מכשירים בודדים, משפר משמעותית את איכות גל המתח הפלט, ומקטין את גודל המסנן.
3. מבנה מדורג קלט-סידורי פלט-מקביל (ISOP)
עקרון: מספר יחידות המרה עצמאיות של אנרגיה (לדוגמה, DAB, גשר כפול פעיל) מחוברות עם הקלטים שלהם בסידור כדי לסבול מתח גבוה והפלטים שלהם מקבילים כדי להגיש זרם גבוה. זהו פתרון מודולרי ברמת המערכת.
יתרונות: כל יחידה היא מודול תקן במתח נמוך, מפשטת תכנון, ייצור ותחזוקה. אמינות גבוהה (כשל של יחידה אחת אינו מפריע לתפעול הכללי של המערכת). מתאים מאוד לפילוסופיית עיצוב מודולרית של SST.
4. תגבור פנימי: חדשנות טכנולוגית ברמת המכשיר (כיוון התפתחות לעתיד)
גישה זו מטפלת במהות הבעיה מנקודת מבט של מדעי החומרים ופיזיקה של מוליכים למחצה.
4.1 שימוש במכשירי מוליכים למחצה בעלי פער אנרגטי רחב
עקרון: חומרים חדשים של מוליכים למחצה כמו קריסטל סיליקון (SiC) וגליאום ניטריד (GaN) יש להם שדות שבירה קריטיים בסדר גודל גבוה יותר מאשר סיליקון מסורתי (Si). זה אומר שמכשירי SiC יכולים להשיג דרגות מתח גבוהות בהרבה בהשוואה למכשירי Si באותו עובי.
יתרונות:
דרג מתח גבוה: כעת ניתן ל-MOSFET SiC להגיע בקלות לדרגות מתח מעל 10 kV, בעוד ש-IGBTs של סיליקון מוגבלים לרוב מתחת ל-6.5 kV. זה מאפשר טופולוגיות פשוטות יותר של SST (הקטנת מספר המכשירים המחוברים בסידור).
יעילות גבוהה: מכשירים בעלי פער אנרגטי רחב מציעים התנגדות נמוכה יותר לזרם ופחתות החלפה, מה שמאפשר ל-SST לפעול בתדירויות גבוהות, מה שמצטמצם משמעותית את גודל ואיכות המרכיבים מגנטיים (טרנספורמרים, אינדוקטורים).
מצב: מכשירי SiC במתח גבוה הם נושא חם במחקר של SST ונחשבים לטכנולוגיה מפתח חשובה לעיצובים מהפכניים עתידיים של SST.
4. 2 טכנולוגיית הסופר-צומת
עקרון: טכניקה מתקדמת עבור MOSFET מבוססי סיליקון שמשתמשת באזורים צומת P ו-N מתחלפים כדי לשנות את הפיזור של השדה החשמלי, מה שמשפר משמעותית את יכולת בלוק מתח תוך שמירה על התנגדות נמוכה.
יישום: בעיקר בשימוש במכשירים עם דרגת מתח בין 600 V ל-900 V. משמש בצד המתח הנמוך או בחלקים בעלי עוצמה נמוכה של SST, אבל עדיין לא מספיק ליישומים ישירים במתח בינוני.
5. השוואה
| גישה לפתרון | שיטה ספציפית | עקרון מרכזי | יתרונות | חסרונות | בגרות |
| שיתוף פעולה חיצוני | חיבור סידורי של מכשירים | מכשירים מרובים חולקים את המתח | עקרון פשוט, ניתן להגשים במהירות | קשה לשתף מתח באופן דינמי, שליטה מורכבת, אתגר אמינות גבוה | בוגר |
| ממיר רב-מפלסי (לדוגמה, MMC) | גופנים מודולריים מחוברים בסידור, כל מודול נושא מתח נמוך | מודולרי, קל להרחיב, איכות גל טובה, אמינות גבוהה | מספר גדול של גופנים, שליטה מורכבת, מחיר יחסי גבוה | הזרם המרכזי / בוגר | |
| מבנה מדורג (לדוגמה, ISOP) | יחידות המרה תקניות מחוברות בסידור בקלט | מודולרי, עמידות חזקה לשגיאות, תכנון פשוט | צריך טרנספורמרים מבודדים מרובים, נפח המערכת עשוי להיות גדול | בוגר | |
| פנימי (חדשנות מכשיר) | מוליכים למחצה בעלי פער אנרגטי רחב (SiC/GaN) | החומר עצמו בעל שדה שבירה גבוה, ועמידות המתח היא חזקה באופן טבעי | עמידות מתח גבוהה, יעילות גבוהה, תדירות גבוהה, טופולוגיה מופשטת | מחיר גבוה, טכנולוגיות הנהיגה והגנה עדיין בשלבי פיתוח | כיוון לעתיד / פיתוח מהיר |
| טכנולוגיית הסופר-צומת | אופטימיזציה של הפיזור הפנימי של השדה החשמלי של המכשיר | ביצועים משופרים בהשוואה למכשירים מסורתיים | יש גבול עליון על עמידות המתח, קשה להתמודד עם מתח בינוני | בוגר (משמש בתחום המתח הנמוך) |
איך להתמודד עם הגבלות דרגת המתח של מכשירי חשמל ב-SSTs?
הפתרון המעשי והאמין ביותר כיום הוא להשתמש בטופולוגיות של ממירים רב-מפלסיים (במיוחד ממירים רב-מפלסיים מודולריים, MMC) או מבני קלט-סידורי פלט-מקביל מדורגים (ISOP). גישות אלו, המבוססות על מכשירי סיליקון בוגרים, מתחמקות מהבקיעה של דרגת המתח של מכשירים בודדים דרך ארכיטקטורות מתקדמות ברמת המערכת.
הפתרון הבסיסי לעתיד נמצא בשליטת והוזלת מכשירי מוליכים למחצה במתח גבוה, במיוחד קריסטל סיליקון (SiC). כשהוא מתממש, ניתן לפשט באופן משמעותי את טופולוגיות SST, מה שמאפשר קפיצה קדימה ביעילות וצפיפות עוצמה.
במחקר ופיתוח של SST, לעיתים קרובות מתאגדות מספר טכנולוגיות—לדוגמה, שימוש בטופולוגיה של MMC עם מכשירי SiC—כדי להשיג ביצועים ואמינות אופטימליים.
