SST feszültség kihívások: Topológiák & SiC technológia
Szilárdállományú transzformerek (SST) egyik fő kihívása, hogy egyetlen teljesítményes szemiletű eszköz feszültségi osztálya messze nem elegendő középfeszültségű elosztó hálózatok (pl. 10 kV) közvetlen kezelésére. Ez a feszültségi korlátozás megoldása nem egyetlen technológiától függ, hanem inkább egy "kombinált megközelítéstől". A fő stratégiák két típusba sorolhatók: "belső" (az eszköz-szinten technológiai és anyagmechanikai innováció által) és "külső együttműködés" (áramkör topológiajának segítségével).
1. Külső Együttműködés: Megoldás Áramkör Topológiajának Segítségével (Jelenleg a Legfőbbstream és Kifejlett Megközelítés)
Ez jelenleg a legmegbízhatóbb és széles körben alkalmazott megközelítés közép- és magasfeszültségű, nagy teljesítményű alkalmazásokban. Az alapötlete az "erősség az egységben" – több eszköz soros kapcsolása vagy moduláris kombinációja a magas feszültség terhelésének megosztására.
1.1 Eszközök Soros Kapcsolása
Elv: Több váltóeszköz (pl. IGBT-k vagy SiC MOSFET-ek) közvetlen soros kapcsolása, hogy együttesen tartsa ki a magas feszültséget. Ez hasonló azzal, mintha több elemet sorosan kötne össze, hogy magasabb feszültséget érjen el.
Klíves Kihívások:
Dinamikus Feszültségterhelés: Az eszközök közötti apró paraméter eltérések (pl. váltási sebesség, csomópontkapacitás) miatt a feszültség nem lehet egyenletesen elosztva a gyors váltáskor, ami potenciálisan túlfeszültséget és meghibásodást okozhat egy eszközben.
Megoldások: Bonyolult aktív vagy passzív feszültségterhelési áramkörök (pl. snubber áramkörök, kapucsomegyezet-irányítás) szükségesek a feszültség megosztásának erőltetéséhez, ami növeli a rendszer bonyolultságát és költségét.
2. Többszintű Váltótopológiák (Ma Jelenlegi Főbbstream SST Megoldás)
2.1 Elv: Ez egy fejlettebb és teljesítményesebb "moduláris soros" koncept. Számos feszültségszinttel létrehoz egy lépcsős közelítést a szinus hullámhoz, így minden váltóeszköz csak a teljes DC buszfeszültség egy részét tartja ki.
2.2 Gyakori Topológiák:
Moduláris Többszintű Váltó (MMC): A közép- és magasfeszültségű SST-ek egyik legkedveltebb topológiája. Sok azonos almodul (SM) soros kapcsolásából áll. Minden almodul általában tartalmaz egy kondenzátort és több váltóeszközt. Az eszközök csak a kondenzátor feszültségét tartják ki, hatékonyan megoldva a feszültségterhelési problémát. Előnyei a modularitás, skálázhatóság és kiváló kimeneti hullámforma minősége.
Repülő Kondenzátor Többszintű Váltó (FCMC) és Diódaszabított Többszintű Váltó (DNPC): Ezenkívül gyakran használt többszintű szerkezetek, de a szintek számának növekedésével strukturális és irányítási szempontból komplexebbé válnak.
Előnyök: Alapvetően megoldja az egyetlen eszköz feszültségi osztályának korlátozását, jelentősen javítja a kimeneti feszültség hullámforma minőségét, és csökkenti a szűrő méretét.
3. Bemeneti Soros, Kimeneti Párhuzamos (ISOP) Kaskádszerű Szerkezet
Elv: Több teljes, független teljesítményátalakító egység (pl. DAB, Dual Active Bridge) sorosan kapcsolt bemeneteivel, hogy a magas feszültséget tartsák ki, és párhuzamosan kapcsolt kimeneteivel, hogy nagy áramot biztosítson. Ez egy rendszerszintű moduláris megoldás.
Előnyök: Minden egység egy alacsony feszültségű standard modul, ami egyszerűsíti a tervezést, a gyártást és a karbantartást. Magas megbízhatóság (egy egység meghibásodása nem zavarja a rendszer működését). Nagyon alkalmas az SST moduláris tervezési filozófiájához.
4. Belső Erősítés: Eszköz-szinten Technológiai Innováció (Jövőbeli Fejlesztési Irány)
Ez a megközelítés alapvetően a anyagtudomány és a szemiletudomány szempontjából foglalkozik a kérdéssel.
4.1 Széles Zónaújágú Szemiletű Eszközök Használata
Elv: Új generációs szemiletanyagok, mint a szilíciumkarbid (SiC) és a nitrogén-gallium (GaN), nagyságrenddel magasabb kritikus romlásos elektromos mezőt mutatnak, mint a hagyományos szilícium (Si). Ez azt jelenti, hogy a SiC eszközök ugyanolyan vastagságban sokkal magasabb feszültségi osztályt tudnak elérni, mint a Si eszközök.
Előnyök:
Magasabb Feszültségi Osztály: Egyetlen SiC MOSFET könnyen elérheti a 10 kV-nél magasabb feszültségi osztályokat, míg a szilícium IGBT-ek általában 6,5 kV alatt vannak korlátozva. Ez egyszerűsíti az SST topológiákat (csökkentve a sorosan kapcsolt eszközök számát).
Magasabb Hatékonyság: A széles zónaújágú eszközök alacsonyabb vezetőellenállást és váltási veszteségeket kínálnak, ami lehetővé teszi, hogy az SST-ek magasabb frekvencián működjenek, jelentősen csökkentve a mágneses komponensek (transzformátorok, induktívitek) méretét és súlyát.
Állapot: A magasfeszültségű SiC eszközök jelenleg egy forró téma az SST kutatásban, és jövőbeli revolucionáló SST tervezések kulcsfontosságú engedélyező technológiájaként vannak tekintve.
4. 2 Szuperszimulációs Technológia
Elv: Egy fejlett technika a szilícium-alapú MOSFET-eknél, amely váltakozó P-típusú és N-típusú pillérszerű régiókat vezet be, hogy módosítsa az elektromos mező eloszlását, ezáltal jelentősen javítva a feszültségterhelési képességet, miközben alacsony kapcsolási ellenállást tart fenn.
Alkalmazás: Főleg 600 V és 900 V közötti feszültségi osztályú eszközökben használják. Alacsony feszültségű oldalon vagy alacsony teljesítményű szekciókban használják az SST-ekben, de még mindig nem elegendő középfeszültségű alkalmazásokhoz.
5. Összehasonlítás
| Megoldási Módszer | Konkrét Módszer | Alapvető Elv | Előnyök | Hátrányok | Mérséklet |
| Külső Együttműködés | Eszközök Soros Kapcsolása | Több eszköz osztja a feszültséget | Egyszerű elv, gyorsan valósítható meg | Nehéz dinamikus feszültségterhelés, bonyolult irányítás, magas megbízhatósági kihívás | Mérsékelt |
| Többszintű Váltó (pl. MMC) | Moduláris almodulok soros kapcsolása, minden modul alacsony feszültséget tart ki | Moduláris, könnyen kiterjeszthető, jó hullámforma minősége, magas megbízhatóság | Nagy számú almodul, bonyolult irányítás, viszonylag magas költség | Jelenlegi Főbbstream / Mérsékelt | |
| Kaskádszerű Szerkezet (pl. ISOP) | Standard átalakító egységek soros kapcsolása a bemeneten | Moduláris, erős hibatűrése, egyszerű tervezés | Több izolációs transzformátor szükséges, a rendszer mérete nagy lehet | Mérsékelt | |
| Belső (Eszköz Innováció) | Széles Zónaújágú Szemiletű (SiC/GaN) | A anyag magas romlásos elektromos mezővel rendelkezik, természetesen erős feszültségterhelést bír | Magas feszültségterhelés, magas hatékonyság, magas frekvencia, egyszerűsített topológia | Magas költség, vezetési és védelmi technológia tovább fejlődik | Jövőbeli Irány / Gyors Fejlődés |
| Szuperszimulációs Technológia | Az eszköz belső elektromos mező eloszlásának optimalizálása | Teljesítmény javítva a hagyományos eszközökkel szemben | Van felső korlát a feszültségterhelési szintre, nehéz középfeszültségű alkalmazásokhoz | Mérsékelt (alkalmazva alacsony feszültségű területeken) |
Hogyan lehet megoldani a teljesítményes szemiletű eszközök feszültségi osztályának korlátozásait az SST-ekben?
A jelenleg legpraktikusabb és legmegbízhatóbb megoldás a többszintű váltótopológiák (különösen a Moduláris Többszintű Váltó, MMC) vagy a kaskádszerű bemeneti soros, kimeneti párhuzamos (ISOP) szerkezetek alkalmazása. Ezek a megközelítések, a kifejlett szilícium-alapú eszközökön alapulva, a rendszer-szintű architektúrák révén kerülik a feszültségi osztály korlátozását.
A jövőbeni alapvető megoldás a magasfeszültségű széles zónaújágú szemiletű eszközök, különösen a szilíciumkarbid (SiC) éretté válása és költségcsökkentése lesz. Amikor ez megtörténik, az SST topológiák jelentősen egyszerűsülhetnek, lehetővé téve a hatékonyság és a teljesítmény sűrűségének jelentős előrelépését.
Az SST kutatásokban és fejlesztésekben gyakran kombinálják több technológiát – például egy MMC topológiát SiC eszközökkel –, hogy optimális teljesítményt és megbízhatóságot érjenek el.
