SST լարումների հարցերը. Տոպոլոգիաներ և SiC տեխնոլոգիա

Պինդ մարմնի տրանսֆորմատորների (SST) հիմնական մարտահրավերներից մեկը այն է, որ մեկ ուժային կիսահաղորդչային սարքի լարման հատկանիշը բավականաչափ չի համապատասխանում միջին լարման բաշխման ցանցերին (օրինակ՝ 10 կՎ): Այս լարման սահմանափակումը հաղթահարելու համար չի կարելի հիմնվել մեկ տեխնոլոգիայի վրա, այլ անհրաժեշտ է «համակցված մոտեցում»: Հիմնական ռազմավարությունները կարող են բաժանվել երկու տեսակի՝ «ներքին» (սարքի մակարդակի տեխնոլոգիական և նյութական նորարարությունների միջոցով) և «արտաքին համագործակցություն» (շղթայի տոպոլոգիայի միջոցով):

1. Արտաքին համագործակցություն. լուծում շղթայի տոպոլոգիայի միջոցով (ներկայումս ամենատարածված և հասուն մոտեցումը)
Սա ներկայումս միջին և բարձր լարման, բարձր հզորության կիրառություններում ամենավստահելի և լայնորեն կիրառվող մոտեցումն է: Դրա հիմնական գաղափարը «միասնության ուժն» է՝ մի քանի սարքերի հաջորդական կամ մոդուլային միացումների միջոցով բարձր լարումը բաշխելով:

1.1 Սարքերի հաջորդական միացում

 Ծրագիծ. Մի քանի անջատիչ սարքեր (օրինակ՝ IGBT-ներ կամ SiC MOSFET-ներ) ուղղակիորեն միացված են հաջորդաբար՝ համատեղ դիմադրելով բարձր լարումը: Սա նման է մի քանի մարտկոցների հաջորդական միացմանը՝ բարձր լարում ստանալու համար:

 Հիմնական մարտահրավերներ.

• Շարժական լարման հավասարակշռում. Սարքերի փոքր պարամետրային տարբերությունների պատճառով (օրինակ՝ անջատման արագություն, հողակապման ունակություն), բարձր արագությամբ անջատման ընթացքում լարումը հավասարաչափ չի բաշխվում սարքերի վրա, ինչը կարող է հանգեցնել մեկ սարքի վրա գերլարման և անսարքության:

• Լուծումներ. Պահանջվում են բարդ ակտիվ կամ պասիվ լարման հավասարակշռման շղթաներ (օրինակ՝ snubber շղթաներ, դարպասի կառավարում), որոնք ստիպում են լարման բաշխում, ինչը մեծացնում է համակարգի բարդությունն ու արժեքը:

2. Բազմամակարդակ փոխակերպիչի տոպոլոգիաներ (այսօրվա SST-ների համար հիմնական ընտրությունը)

2.1 Ծրագիծ. Սա ավելի բարդ և բարձր կատարողականությամբ «մոդուլային հաջորդական» գաղափար է: Այն օգտագործում է մի քանի լարման մակարդակներ՝ սինուսոիդային ալիքի ստեփանավոր մոտարկում ստեղծելու համար, այնպես որ յուրաքանչյուր անջատիչ սարք դիմադրում է ընդհանուր DC ավտոբուսի լարման միայն մի մասը:

2.2 Տարածված տոպոլոգիաներ.

• Մոդուլային բազմամակարդակ փոխակերպիչ (MMC). Միջին և բարձր լարման SST-ների համար ամենանախընտրելի տոպոլոգիաներից մեկը: Այն կազմված է շատ նույնական ենթամոդուլներից (SM), որոնք միացված են հաջորդական: Յուրաքանչյուր ենթամոդուլ սովորաբար ներառում է մի կոնդենսատոր և մի քանի անջատիչ սարքեր: Սարքերը դիմադրում են միայն ենթամոդուլի կոնդենսատորի լարումը, ինչը համարյա լուծում է լարման լարվածության խնդիրը: Օգուտները ներառում են մոդուլայնություն, մասշտաբավորում և արտահայտված ելքային ալիքի ձևի որակ:

• Թռչող կոնդենսատորով բազմամակարդակ փոխակերպիչ (FCMC) և դիոդային կապված բազմամակարդակ փոխակերպիչ (DNPC). Նույնպես տարածված բազմամակարդակ կառույցներ, սակայն մակարդակների քանակի ավելացման հետ կառուցվածքային և կառավարման առումով դառնում են բարդ:

• Օգուտներ. Լուծում է առանձին սարքերի լարման հատկանիշի սահմանափակումը, էականորեն բարելավում է ելքային լարման ալիքի ձևի որակը և նվազեցնում է ֆիլտրի չափսերը:

3. Մուտքային հաջորդական, ելքային զուգահեռ (ISOP) կասկադային կառույց

• Ծրագիծ. Մի քանի ամբողջական, անկախ ուժային փոխակերպման միավորներ (օրինակ՝ DAB, Dual Active Bridge) միացված են իրենց մուտքերը հաջորդական՝ բարձր լարում դիմադրելու և ելքերը զուգահեռ՝ բարձր հոսանք տրամադրելու համար: Սա համակարգային մակարդակի մոդուլային լուծում է:

• Օգուտներ. Յուրաքանչյուր միավոր ցածր լարման ստանդարտ մոդուլ է, որը պարզեցնում է նախագծումը, արտադրությունը և սպասարկումը: Բարձր վստահություն (մեկ միավորի անսարքությունը չի խափանում ընդհանուր համակարգի աշխատանքը): Շատ հարմար է SST-ի մոդուլային նախագծման փիլիսոփայության համար:

4. Ներքին ամրապնդում. սարքի մակարդակի տեխնոլոգիական նորարարություն (ապագայի զարգացման ուղղություն)

Այս մոտեցումը հիմնականում լուծում է խնդիրը նյութերի ֆիզիկայի և կիսահաղորդչային ֆիզիկայի տեսանկյունից:

4.1 Լայն գավազանի կիսահաղորդչային սարքերի օգտագործում

Ծրագիծ. Նոր սերնդի կիսահաղորդչային նյութեր, ինչպիսիք են կարբիդ սիլիցիումը (SiC) և կալցիումի նիտրիդը (GaN), ունեն կրիտիկական էլեկտրական դաշտ, որը մեկ կարգով ավելի բարձր է, քան ավանդական սիլիցիումը (Si): Սա նշանակում է, որ SiC սարքերը նույն հաստության դեպքում կարող են հասնել շատ ավելի բարձր լարման հատկանիշի, քան Si սարքերը:
Օգուտներ.

• Բարձր լարման հատկանիշ. Մեկ SiC MOSFET այժմ հեշտությամբ կարող է հասնել 10 կՎ-ից բարձր լարման հատկանիշի, մինչդեռ սիլիցիումային IGBT-ները սովորաբար սահմանափակված են 6.5 կՎ-ից ցածր: Սա թույլ է տալիս պարզեցված SST տոպոլոգիաներ (նվազեցնելով հաջորդական միացված սարքերի քանակը):

• Բարձր արդյունավետություն. Լայն գավազանի սարքերը առաջարկում են ցածր հաղորդականության դիմադրություն և անջատման կորուստներ, թույլ տալով SST-ներին աշխատել ավելի բարձր հաճախականությամբ, ինչը էականորեն նվազեցնում է մագնիսական բաղադրիչների չափսերն ու քաշը (տրանսֆորմատորներ, ինդուկտորներ):
  

• Կարգավիճակ. Բարձր լարման SiC սարքերը ներկայումս SST հետազոտությունների հիմնական թեման են և համարվում են ապագայի հեղափոխական SST կառույցների համար հիմնական հնարավորություն տվող տեխնոլոգիա:

4.2 Superjunction տեխնոլոգիա

• Ծրագիծ. Սիլիցիումային MOSFET-ների համար արդի տեխնիկա, որը ներդրում է փոխադարձ փոխարինվող P-տիպ և N-տիպ սյունակներ՝ էլեկտրական դաշտի բաշխումը փոխելու և այդպիսով զգալիորեն բարելավելով լարման արգելակման հնարավորությունը՝ պահպանելով ցածր դիմադրություն միացման վիճակում:

• Համակցումը. Առաջնային օգտագործվում է 600-900 Վ լարման սահմանափակումներով սարքերում: Կիրառվում է SST-ների ցածր լարման կողմում կամ ցածր հզորության բաժանումներում, բայց դեռ չի բավարարում միջին լարման ուղիղ կիրառման համար:

5. Համեմատություն

Ինչպե՞ս կարող ենք հարցիր լուծել էլեկտրական կոնդենսատորների սպառիչների սպառման գնահատականի սահմանափակումները SST-ներում:

• Այժմ ամենագործնական և հավասարակշռված լուծումը է բազմամակարդակ կոնվերտորների տոպոլոգիաների (հատկապես Մոդուլային Բազմամակարդակ Կոնվերտորներ, MMC) կամ խորհրդանիշային մուտքային-շարունակական ելքային-զուգահեռ (ISOP) կառուցվածքների օգտագործումը: Այս մոտեցումները, հիմնված ձուկ սահմանափակումներով սպառիչների վրա, կրկնակի համակարգային կառուցվածքների միջոցով շրջում են առանձին սպառիչների սպառման գնահատականի հարասանը:

• Հասարակ լուծումը ապագայում գտնվում է բարձր սպառման լայն դիապազոնով սպառիչների, հատկապես սիլիկոն կարբիդի (SiC) սպառիչների հասանելիության և արժեքի կրճատման մեջ: Երբ դա կատարվի, SST տոպոլոգիաները կարող են մի քիչ պարզեցվել, որը կթույլատրի արդյունավետության և էներգիայի խտության ներկայացման մեծ առաջընթաց:

Իրական հետազոտություններում և SST-ների զարգացման ընթացքում հաճախ կիրառվում են մի շարք տեխնոլոգիաներ՝ օրինակ, օգտագործելով ՍիCi սպառիչներով ՄՄԿ տոպոլոգիա, որպեսզի հասնեն ամենալավ կարգավիճակի և հավասարակշռության: