Tantangan Tegangan SST: Topologi & Teknologi SiC
Salah satu tantangan inti dari Solid-State Transformers (SST) adalah bahwa peringkat tegangan dari satu perangkat semikonduktor daya jauh tidak cukup untuk menangani langsung jaringan distribusi tegangan menengah (misalnya, 10 kV). Mengatasi batasan tegangan ini tidak bergantung pada satu teknologi, tetapi lebih pada "pendekatan kombinasi." Strategi utama dapat dikategorikan menjadi dua jenis: "internal" (melalui inovasi teknologi dan material tingkat perangkat) dan "kolaborasi eksternal" (melalui topologi sirkuit).
1. Kolaborasi Eksternal: Penyelesaian melalui Topologi Sirkuit (Saat Ini Pendekatan yang Paling Utama dan Matang)
Ini adalah pendekatan yang paling andal dan paling banyak diterapkan saat ini dalam aplikasi daya menengah dan tinggi, dengan tegangan tinggi. Ide intinya adalah "kekuatan dalam persatuan"—menggunakan hubungan seri atau kombinasi modul dari beberapa perangkat untuk berbagi tegangan tinggi.
1.1 Hubungan Seri Perangkat
Prinsip: Beberapa perangkat switching (misalnya, IGBTs atau SiC MOSFETs) dihubungkan secara langsung dalam seri untuk bersama-sama menahan tegangan tinggi. Ini mirip dengan menghubungkan beberapa baterai secara seri untuk mencapai tegangan yang lebih tinggi.
Tantangan Kunci:
Pembagian Tegangan Dinamis: Karena adanya perbedaan parameter kecil antar perangkat (misalnya, kecepatan switching, kapasitansi junction), tegangan tidak dapat didistribusikan merata antar perangkat selama switching cepat, yang berpotensi menyebabkan overvoltage dan kegagalan pada satu perangkat.
Solusi: Diperlukan rangkaian pembagian tegangan aktif atau pasif yang kompleks (misalnya, snubber circuits, kontrol gate) untuk memaksakan pembagian tegangan, yang meningkatkan kompleksitas dan biaya sistem.
2. Topologi Konverter Multilevel (Pilihan Utama untuk SST Saat Ini)
2.1 Prinsip: Ini adalah konsep "seri modular" yang lebih maju dan performanya lebih tinggi. Ini menghasilkan aproksimasi bertingkat dari gelombang sinus menggunakan beberapa tingkat tegangan, sehingga setiap perangkat switching hanya menahan sebagian dari tegangan bus DC total.
2.2 Topologi Umum:
Modular Multilevel Converter (MMC): Salah satu topologi yang paling disukai untuk SST tegangan menengah dan tinggi. Terdiri dari banyak submodul (SMs) identik yang dihubungkan secara seri. Setiap submodul biasanya termasuk kapasitor dan beberapa perangkat switching. Perangkat hanya menahan tegangan kapasitor submodul, secara efektif menyelesaikan masalah stres tegangan. Keuntungan termasuk modular, skalabilitas, dan kualitas gelombang output yang sangat baik.
Flying Capacitor Multilevel Converter (FCMC) dan Diode-Clamped Multilevel Converter (DNPC): Juga struktur multilevel yang umum digunakan, tetapi menjadi struktural dan kontrol yang kompleks seiring bertambahnya jumlah level.
Keuntungan: Secara fundamental menyelesaikan batasan peringkat tegangan perangkat individu, secara signifikan meningkatkan kualitas gelombang tegangan output, dan mengurangi ukuran filter.
3. Struktur Bertingkat Input-Seri Output-Paralel (ISOP)
Prinsip: Beberapa unit konversi daya lengkap dan independen (misalnya, DAB, Dual Active Bridge) dihubungkan dengan input mereka secara seri untuk menahan tegangan tinggi dan output secara paralel untuk menghasilkan arus tinggi. Ini adalah solusi moduler tingkat sistem.
Keuntungan: Setiap unit adalah modul standar tegangan rendah, memudahkan desain, manufaktur, dan pemeliharaan. Reliabilitas tinggi (kegagalan satu unit tidak mengganggu operasi sistem secara keseluruhan). Sangat sesuai dengan filosofi desain modular SST.
4. Penguatan Internal: Inovasi Teknologi Tingkat Perangkat (Arah Pengembangan Masa Depan)
Pendekatan ini mengatasi masalah secara fundamental dari sudut pandang ilmu material dan fisika semikonduktor.
4.1 Penggunaan Perangkat Semikonduktor Lebar Bandgap
Prinsip: Bahan semikonduktor generasi baru seperti karbida silikon (SiC) dan nitrida galium (GaN) memiliki medan listrik ambang kritis satu tingkat lebih tinggi dibandingkan silikon tradisional (Si). Ini berarti bahwa perangkat SiC dapat mencapai peringkat tegangan yang jauh lebih tinggi pada ketebalan yang sama dibandingkan perangkat Si.
Keuntungan:
Peringkat Tegangan Lebih Tinggi: Satu SiC MOSFET sekarang dapat dengan mudah mencapai peringkat tegangan di atas 10 kV, sementara IGBT silikon biasanya terbatas di bawah 6,5 kV. Ini memungkinkan topologi SST yang lebih sederhana (mengurangi jumlah perangkat yang dihubungkan secara seri).
Efisiensi Lebih Tinggi: Perangkat lebar bandgap menawarkan resistansi konduksi dan kerugian switching yang lebih rendah, memungkinkan SST beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi, sehingga secara signifikan mengurangi ukuran dan berat komponen magnet (transformator, induktor).
Status: Perangkat SiC tegangan tinggi saat ini menjadi topik panas dalam penelitian SST dan dianggap sebagai teknologi penggerak kunci untuk desain SST revolusioner masa depan.
4. 2 Teknologi Superjunction
Prinsip: Teknik canggih untuk MOSFET berbasis silikon yang memperkenalkan daerah pilar P-tipe dan N-tipe secara bergantian untuk mengubah distribusi medan listrik, sehingga secara signifikan meningkatkan kemampuan blokir tegangan sambil mempertahankan resistansi on yang rendah.
Aplikasi: Utamanya digunakan pada perangkat dengan peringkat tegangan antara 600 V hingga 900 V. Diterapkan pada sisi tegangan rendah atau bagian daya rendah SST, tetapi masih kurang untuk aplikasi tegangan menengah langsung.
5. Perbandingan
| Pendekatan Solusi | Metode Spesifik | Prinsip Inti | Keuntungan | Kerugian | Kematangan |
| Kolaborasi Eksternal | Hubungan Seri Perangkat | Beberapa perangkat berbagi tegangan | Prinsip sederhana, dapat direalisasikan dengan cepat | Berbagi tegangan dinamis sulit, kontrol kompleks, tantangan reliabilitas tinggi | Matang |
| Konverter Multilevel (misalnya, MMC) | Sub-modul modular dihubungkan secara seri, setiap modul menahan tegangan rendah | Modular, mudah diperluas, kualitas gelombang baik, reliabilitas tinggi | Banyak sub-modul, kontrol kompleks, biaya relatif tinggi | Utama Saat Ini / Matang | |
| Struktur Bertingkat (misalnya, ISOP) | Unit konversi standar dihubungkan secara seri pada input | Modular, toleransi gangguan kuat, desain sederhana | Memerlukan beberapa transformator isolasi, volume sistem mungkin besar | Matang | |
| Internal (Inovasi Perangkat) | Semikonduktor Lebar Bandgap (SiC/GaN) | Bahan itu sendiri memiliki medan listrik ambang kritis yang tinggi, dan kemampuan tahan tegangan intrinsiknya kuat | Tahanan tegangan tinggi, efisiensi tinggi, frekuensi tinggi, topologi sederhana | Biaya tinggi, teknologi penggerak dan perlindungan masih berkembang | Arah Masa Depan / Perkembangan Cepat |
| Teknologi Super Junction | Optimalkan distribusi medan listrik internal perangkat | Kinerja ditingkatkan dibandingkan perangkat tradisional | Ada batas atas pada tingkat tahanan tegangan, sulit mengatasi tegangan menengah | Matang (digunakan di bidang tegangan rendah) |
Bagaimana cara mengatasi batasan peringkat tegangan perangkat semikonduktor daya dalam SST?
Solusi yang paling praktis dan andal saat ini adalah mengadopsi topologi konverter multilevel (terutama Modular Multilevel Converters, MMC) atau struktur bertingkat input-seri output-paralel (ISOP). Pendekatan-pendekatan ini, berdasarkan perangkat berbasis silikon yang matang, menghindari botleneck peringkat tegangan perangkat individu melalui arsitektur sistem yang canggih.
Solusi fundamental untuk masa depan terletak pada pematangan dan reduksi biaya perangkat semikonduktor lebar bandgap tegangan tinggi, khususnya karbida silikon (SiC). Setelah terwujud, topologi SST dapat secara signifikan disederhanakan, memungkinkan lompatan maju dalam efisiensi dan kepadatan daya.
Dalam penelitian dan pengembangan SST yang sebenarnya, sering kali beberapa teknologi digabungkan—misalnya, menggunakan topologi MMC dengan perangkat SiC—untuk mencapai kinerja dan keandalan optimal.
