Sfide della Tensione SST: Topologie e Tecnologia SiC

Uno dei principali problemi degli Solid-State Transformers (SST) è che il rating di tensione di un singolo dispositivo semiconduttore è ben lontano dall'essere sufficiente per gestire direttamente le reti di distribuzione a media tensione (ad esempio, 10 kV). Affrontare questa limitazione di tensione non dipende da una singola tecnologia, ma piuttosto da un "approccio combinato". Le strategie principali possono essere categorizzate in due tipi: "interno" (attraverso innovazioni tecnologiche e materiali a livello di dispositivo) e "collaborazione esterna" (attraverso la topologia del circuito).

1. Collaborazione Esterna: Soluzione tramite Topologia del Circuito (Attualmente l'Approccio Più Mainstream e Maturo)
Questo è attualmente l'approccio più affidabile e ampiamente applicato nelle applicazioni a media e alta tensione, ad alta potenza. L'idea centrale è "la forza nella unità"—usando connessioni in serie o combinazioni modulari di più dispositivi per condividere la tensione elevata.

1.1 Connessione in Serie dei Dispositivi

 Principio: Vengono connessi in serie direttamente più dispositivi di commutazione (ad esempio, IGBT o SiC MOSFET) per resistere collettivamente alla tensione elevata. Questo è analogo a connettere in serie più batterie per ottenere una tensione maggiore.

 Sfide Chiave:

• Equilibrio Dinamico della Tensione: A causa di piccole differenze nei parametri tra i dispositivi (ad esempio, velocità di commutazione, capacità di giunzione), la tensione non può essere distribuita uniformemente tra i dispositivi durante la commutazione ad alta velocità, potenzialmente causando sovratensione e guasto in un dispositivo.

• Soluzioni: Sono necessari circuiti di equilibrio della tensione complessi, attivi o passivi (ad esempio, circuiti snubber, controllo del gate) per imporre la condivisione della tensione, aumentando la complessità e il costo del sistema.

2. Topologie di Convertitori Multilivello (Scelta Mainstream per gli SST Oggi)

2.1 Principio: Questo è un concetto più avanzato e ad alte prestazioni di "serie modulare". Genera un'approssimazione a gradini di un'onda sinusoidale utilizzando più livelli di tensione, in modo che ogni dispositivo di commutazione resista solo a una frazione della tensione continua totale dell'autobus.

2.2 Topologie Comuni:

• Convertitore Modulare Multilivello (MMC): Una delle topologie preferite per gli SST a media e alta tensione. È costituito da numerosi sottomoduli (SM) identici connessi in serie. Ogni sottomodulo include tipicamente un condensatore e diversi dispositivi di commutazione. I dispositivi sopportano solo la tensione del condensatore del sottomodulo, risolvendo efficacemente il problema dello stress da tensione. I vantaggi includono modularità, scalabilità e ottima qualità della forma d'onda in uscita.

• Convertitore Multilivello a Capacità Volante (FCMC) e Convertitore Multilivello a Diodi Clamped (DNPC): Anche queste sono strutture multilivello comunemente utilizzate, ma diventano strutturalmente e dal punto di vista del controllo complesse man mano che aumenta il numero di livelli.

• Vantaggi: Risolve fondamentalmente la limitazione del rating di tensione dei singoli dispositivi, migliora significativamente la qualità della forma d'onda in uscita e riduce la dimensione del filtro.

3. Struttura Cascata Input in Serie Uscita in Parallelo (ISOP)

• Principio: Vengono connessi in serie con i loro ingressi per resistere alle alte tensioni e in parallelo con le loro uscite per fornire corrente elevata, più unità di conversione di potenza complete e indipendenti (ad esempio, DAB, Dual Active Bridge). Questa è una soluzione modulare a livello di sistema.

• Vantaggi: Ogni unità è un modulo standard a bassa tensione, semplificando progettazione, fabbricazione e manutenzione. Alta affidabilità (il guasto di un'unità non interrompe l'operazione del sistema complessivo). Altamente adatto alla filosofia di progettazione modulare degli SST.

4. Rafforzamento Interno: Innovazione Tecnologica a Livello di Dispositivo (Direzione Futura di Sviluppo)

Questo approccio affronta fondamentalmente il problema dai punti di vista della scienza dei materiali e della fisica dei semiconduttori.

4.1 Utilizzo di Dispositivi Semiconduttori a Larga Bandgap

Principio: Nuovi materiali semiconduttori come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) hanno campi elettrici critici di rottura un ordine di grandezza superiore rispetto al silicio tradizionale (Si). Ciò significa che i dispositivi SiC possono raggiungere rating di tensione molto più elevati alla stessa spessore rispetto ai dispositivi Si.
Vantaggi:

• Rating di Tensione Elevato: Un singolo SiC MOSFET può ora facilmente raggiungere rating di tensione superiori a 10 kV, mentre gli IGBT a silicio sono tipicamente limitati a meno di 6,5 kV. Questo consente di semplificare le topologie degli SST (riducendo il numero di dispositivi connessi in serie).

• Efficienza Elevata: I dispositivi a larga bandgap offrono una resistenza di conduzione e perdite di commutazione inferiori, permettendo agli SST di operare a frequenze più elevate, riducendo quindi significativamente la dimensione e il peso dei componenti magnetici (trasformatori, induttori).
  

• Stato: I dispositivi SiC ad alta tensione sono attualmente un argomento caldo nella ricerca sugli SST e sono considerati una tecnologia chiave abilitante per le prossime progettazioni disruptive degli SST.

4.2 Tecnologia Superjunction

• Principio: Una tecnica avanzata per i MOSFET a base di silicio che introduce regioni a pilastro alternanti P e N per alterare la distribuzione del campo elettrico, migliorando notevolmente la capacità di blocco della tensione mantenendo una resistenza on-state bassa.

• Applicazione: Utilizzata principalmente in dispositivi con rating di tensione tra 600 V e 900 V. Applicata nel lato a bassa tensione o nelle sezioni a bassa potenza degli SST, ma ancora insufficiente per applicazioni dirette a media tensione.

5. Confronto

Come affrontare le limitazioni del rating di tensione dei dispositivi semiconduttori negli SST?

• La soluzione più pratica e affidabile attualmente è adottare topologie di convertitori multilivello (specialmente Convertitori Modulari Multilivello, MMC) o strutture cascata input in serie uscita in parallelo (ISOP). Questi approcci, basati su dispositivi a base di silicio maturi, aggirano il collo di bottiglia del rating di tensione dei singoli dispositivi attraverso architetture sofisticate a livello di sistema.

• La soluzione fondamentale per il futuro sta nella maturità e nella riduzione dei costi dei dispositivi semiconduttori a larga bandgap ad alta tensione, in particolare il carburo di silicio (SiC). Una volta realizzata, le topologie degli SST possono essere significativamente semplificate, consentendo un balzo in avanti in termini di efficienza e densità di potenza.

Nella ricerca e sviluppo effettiva degli SST, spesso vengono combinate multiple tecnologie—ad esempio, utilizzando una topologia MMC con dispositivi SiC—per ottenere le migliori prestazioni e affidabilità.