IZAZOVI SST NAPONA: Topologije i SiC tehnologija

Jedan od ključnih izazova čvrstotransformatora (SST) je da naponski kapacitet pojedinog poluprovodnog uređaja za snagu daleko nije dovoljan za direktno upravljanje srednjenskim distribucijskim mrežama (npr. 10 kV). Rješavanje ove ograničenosti naponskog kapaciteta ne zavisi o jednoj tehnologiji, već se temelji na "kombiniranom pristupu." Glavne strategije mogu se podijeliti u dvije kategorije: "unutarnje" (kroz inovacije na razini uređaja i materijala) i "vanjska suradnja" (kroz topologiju kruga).

1. Vanjska suradnja: Rješavanje preko topologije kruga (trenutno najpopularniji i najzreliji pristup)
Trenutno je to najpouzdaniji i najšire primjenjivani pristup u srednjem- i visokonaponskim, visokostrujnim aplikacijama. Njegova osnovna ideja je "sila u jedinstvu"—koristeći serije spojeva ili modulare kombinacije više uređaja kako bi se dijelio visoki napon.

1.1 Serijski spoj uređaja

 Princip: Više prekidačkih uređaja (npr. IGBT-ovi ili SiC MOSFET-i) direktno se spajaju u seriju kako bi zajedno otpirali visok napon. To je analogno serijskom spoju više baterija kako bi se postigao viši napon.

 Ključni izazovi:

• Dinamičko balansiranje napona: Zbog malih razlika u parametrima među uređajima (npr. brzina prekida, kondenzacija spojnica), napon se ne može ravnomjerno raspodijeliti među uređajima tijekom visokobrzog preklapanja, što može uzrokovati previsoki napon i otkaz jednog uređaja.

• Rješenja: Potrebni su složeni aktivni ili pasivni krugovi za balansiranje napona (npr. smucerski krugovi, kontrola vrata) kako bi se prisilno dijelio napon, povećavajući složenost i trošak sustava.

2. Topologije višenivojskih pretvarača (glavni izbor za SST danas)

2.1 Princip: Ovo je napredniji i višeperformantniji koncept "modularne serije". Generira aproksimaciju sinusne valne forme koristeći više nivoa napona, tako da svaki prekidački uređaj otire samo dio ukupnog DC bus napona.

2.2 Uobičajene topologije:

• Modularni višenivojski pretvarač (MMC): Jedna od najomiljenijih topologija za srednje- i visokonaponske SST-e. Sastoji se od brojnih identičnih podmodula (SM-ova) spojenih u seriju. Svaki podmodul obično uključuje kondenzator i nekoliko prekidačkih uređaja. Uređaji podnose samo napon kondenzatora podmodula, efektivno rješavajući problem naponskog stresa. Prednosti uključuju modularnost, skalabilnost i izvrsnu kvalitetu izlazne valne forme.

• Višenivojski pretvarač s letajućim kondenzatorom (FCMC) i višenivojski pretvarač s diodno zakačenim kondenzatorom (DNPC): Također se često koriste višenivojske strukture, ali postaju strukturno i kontrolno složenije s porastom broja nivoa.

• Prednosti: Fundamentalno rješavaju ograničenje naponskog kapaciteta pojedinih uređaja, značajno poboljšavaju kvalitetu izlazne valne forme i smanjuju veličinu filtra.

3. Ulaz-serija Izlaz-paralel (ISOP) kaskadna struktura

• Princip: Više kompletnih, neovisnih jedinica pretvorbe snage (npr. DAB, Dual Active Bridge) spojene su svojim ulazima u seriju kako bi otirele visoki napon, a njihovi izlazi su spojeni paralelno kako bi dostavljali visoki struj. To je sistemski modularno rješenje.

• Prednosti: Svaka jedinica je standardni modul niskog napona, pojednostavljujući dizajn, proizvodnju i održavanje. Visoka pouzdanost (otkaz jedne jedinice ne prekidaju opće radnje sustava). Vrlo prikladno za modularni dizajn filozofiju SST-a.

4. Unutarnje pojačanje: Inovacije na razini uređaja (smjer razvoja u budućnosti)

Ovaj pristup fundamentalno rješava problem s aspekta materijalne znanosti i fizike poluprovodnika.

4.1 Uporaba širokosponznih poluprovodnih uređaja

Princip: Novi generacije poluprovodnih materijala, poput ugljik-silikona (SiC) i azota-galijuma (GaN), imaju kritično električno polje razorne elektroničke polja deset puta veće od tradicionalnog silicijuma (Si). To znači da SiC uređaji mogu doseći mnogo više naponskih kapaciteta na istoj debljini uspoređeno s Si uređajima.
Prednosti:

• Viši naponski kapacitet: Jedan SiC MOSFET lako može doseći naponske kapacitete iznad 10 kV, dok su silicijumski IGBT-ovi tipično ograničeni na ispod 6,5 kV. To omogućuje pojednostavljenje topologija SST-a (smanjuje broj serijno spojenih uređaja).

• Viša učinkovitost: Širokosponzni uređaji nude niže otpornosti provodnosti i gubitke preklapanja, omogućujući SST-ima da rade na višim frekvencijama, time značajno smanjujući veličinu i masu magnetskih komponenti (transformatori, induktori).
  

• Status: Visokonaponski SiC uređaji su trenutno popularna tema u istraživanju SST-a i smatraju se ključnom omogućujućom tehnologijom za buduće revolucionarne dizajne SST-a.

4. 2 Super-junction tehnologija

• Princip: Napredna tehnika za silicijumske MOSFET-e koja uvođenjem alternirajućih P-tipa i N-tipa stupaca mijenja raspodjelu električnog polja, značajno poboljšavajući sposobnost blokiranja napona dok se održava niska otpornost.

• Primjena: Primarno se koristi u uređajima s naponskim kapacitetima između 600 V i 900 V. Primjenjuje se na niskonaponskoj strani ili u manje snaznim sekcijama SST-a, ali još uvijek nije dovoljno za direktnu primjenu u srednjem naponusu.

5. Usporedba

Kako riješiti ograničenja naponskog kapaciteta poluprovodnih uređaja za snagu u SST-ima?

• Najpraktičnije i najpouzdanije rješenje u ovom trenutku jest upotreba višenivojskih topologija pretvarača (posebno Modularni višenivojski pretvarač, MMC) ili kaskadne strukture s ulazom u seriji i izlazom paralelno (ISOP). Ovi pristupi, temeljeni na zrelim silicijumskim uređajima, omiljevaju ograničenje naponskog kapaciteta pojedinih uređaja kroz sofisticirane arhitekture na razini sustava.

• Fundamentalno rješenje za budućnost leži u zrelosti i smanjenju cijene visokonaponskih širokosponznih poluprovodnih uređaja, posebno ugljik-silikona (SiC). Kada se to ostvari, topologije SST-a mogu biti značajno pojednostavljene, omogućujući veliki skok u učinkovitosti i gustoći snage.

U stvarnom istraživanju i razvoju SST-a, često se kombiniraju više tehnologija—na primjer, korištenje MMC topologije s SiC uređajima—kako bi se postigla optimalna performanca i pouzdanost.