SST напряжениесының қиындықтары: Топологиялар және SiC технологиясы
Соид-жүктеу трансформаторларының (SST) негізгі мәселелерінің бірі – бір құрылғының жоғары көлемдік напрямдасуына тура келмейтіндігі. Бұл мәселе бір технологияға байланысты емес, бірақ "комбинациялық ықтималдық" арқылы шешілетін. Негізгі стратегияларды екі түрде бөлуге болады: "ішкі" (құрылғы деңгейіндегі технологиялық және материалдық инновация арқылы) және " сыртқы ынталас" (электр схемасының топологиясы арқылы).
1. Сыртқы ынталас: Электр схемасының топологиясы арқылы шешу (Азырғы таңдағы ең кең таралған және дамыған ықтималдық)
Бұл азырғы таңда орта және жоғары напрямдасуда, жоғары қуатты қолданбаларда ең иттикарулы және кең таралған ықтималдық. Оның негізгі идеясы - "бірліктің күші" - бірнеше құрылғыларды сериялық байланыс арқылы немесе модульдік комбинациялар арқылы жоғары напрямдасуды бөлісу.
1.1 Құрылғыларды сериялық байланыс
Принцип: Бірнеше коммутациялық құрылғылар (мысалы, IGBT немесе SiC MOSFET) сериялық байланыс арқылы жоғары напрямдасуды жабу үшін пайдаланылады. Бұл батарейаларды сериялық байланыс арқылы жоғары напрямдасу алуға ұқсас.
Негізгі мәселелер:
Динамикалық напрямдасу теңсіздігі: Құрылғылардың (мысалы, коммутациялық жылдамдық, жабыс жарықтық) параметрлерінің есеңгі өзгерістерінен, жоғары жылдамдық коммутация уақытында напрямдасу теңсіздіктері пайда болуы мүмкін, бір құрылғыда жоғары напрямдасу және жоғалуына әкеледі.
Шешімдер: Комплексті активті немесе пассивті напрямдасу теңсіздігін жою схемалары (мысалы, снибер схемалары, вороттау контролі) қажет, бұл системаға құралы тәулігін және құнын арттырады.
2. Көптүрлі конвертор топологиялары (Азырғы SST үшін негізгі таңда)
2.1 Принцип: Бұл дамыған және жоғары өнімділікті "модульді сериялық" концепция. Бұл бірнеше напрямдасу деңгейлерін пайдаланып синусоидалық толқынды қадамдық реттеу арқылы әрбір коммутациялық құрылғы жалпы DC автобус напрямдасуының бөлігін ғана жабады.
2.2 Кең таралған топологиялар:
Модульді көптүрлі конвертор (MMC): Орта және жоғары напрямдасудағы SST үшін ең ұнамды топологиялардың бірі. Бұл бірдей модульдер (SM) сериялық байланыс арқылы құрастырылған. Аралық әр модульде капаситор және бірнеше коммутациялық құрылғылар болады. Құрылғылар ғана модульдің капаситорының напрямдасуын жабады, бұл напрямдасу стрессін шешеді. Адымдардың модульділігі, масштабдауы және жақсы шығыс толқын сурет сапасының артықшылығы бар.
Уақытша капаситорлы көптүрлі конвертор (FCMC) және диодмен жабылған көптүрлі конвертор (DNPC): Дамыған көптүрлі структура, бірақ деңгейлер саны артқан сайын структуралық және басқару қиындығы артады.
Артықшылықтар: Жеке құрылғылардың напрямдасу деңгейінің шектеулерін негізгі түрде шешеді, шығыс напрямдасу толқынының сапасын өттік жақсартады, фильтр өлшемін азайтады.
3. Енгізу-сериялық Шығыс-параллель (ISOP) каскадтық структура
Принцип: Бірнеше толық, өзара тәуелсіз энергия конвертациялық бірліктер (мысалы, DAB, Dual Active Bridge) енгізулерін сериялық байланыс арқылы жоғары напрямдасуды жабу үшін, ал шығыстары параллель байланыс арқылы жоғары ағым беру үшін қосылады. Бұл системалық деңгейде модульді шешім.
Артықшылықтар: Аралық әр бір бірлік төмен напрямдасу стандартты модуль, дизайн, өндіру және қызмет көрсету қиындығын азайтады. Жоғары иттикарулдық (бір бірліктің қындығы барысын бұза бермейді). SST-нің модульді дизайн философиясына өте қолайлы.
4. Ішкі жақсарту: Құрылғы деңгейіндегі технологиялық инновация (Келер жылдардағы даму бағыты)
Бұл ықтималдық материалдық ғылым мен полупроводник физикасы жағдайында негізгі мәселе шешілетін.
4.1 Жоғары бандық полупроводник құрылғыларды қолдану
Принцип: Жаңа ұстақтық полупроводник материалдары, мысалы, кремний карбиді (SiC) және галий азот (GaN), ұсталған кремний (Si) құрылғыларына қарағанда критикалық бұзылу электр талағы жоғары деңгейде. Бұл SiC құрылғыларының Si құрылғыларына қарағанда бірдей қалыңдықта жоғары напрямдасу деңгейін жеткізгенін маңызды деп айтады.
Артықшылықтар:
Жоғары напрямдасу деңгейі: Бір SiC MOSFET қазір 10 кВ-нан жоғары напрямдасу деңгейін жеңілдету мүмкін, ал кремний IGBT-лер әдетте 6.5 кВ-нан төменге шектеледі. Бұл SST топологияларын қысқартады (сериялық байланыс арқылы құрылғылар санын азайтады).
Жоғары өнімділік: Жоғары бандық құрылғылар ток қарсылығын және коммутация жоюларын азайтады, SST-лерді жоғары дауыстыда іске қосуға мүмкіндік береді, сондықтан магнитті компоненттер (трансформаторлар, индукторлар) өлшемін және салмағын өттік азайтады.
Дамуы: Жоғары напрямдасу SiC құрылғылары азыр SST зерттеулерінің актуалды тақырыбы және келер SST дизайндерінің негізгі мүмкіндігі деп есептеледі.
4. 2 Супержабыс технологиясы
Принцип: Кремний негізіндегі MOSFET-тер үшін дамыған техника, P-түрлі және N-түрлі столбик аймақтарын енгізу арқылы электр талағын өзгерту, сондықтан напрямдасу жабу қабілетін өттік жақсартады, онымен қатар төмен қарсылықты сақтайды.
Қолданыс: Негізінен 600 В мен 900 В аралығындағы напрямдатылық деңгейлері бар құрылғыларда қолданылады. SST-лердің төмен напрямдық жағында немесе төмен энергиясы бар бөліктерінде қолданылады, бірақ тиімді орта напрямдық қолданбалар үшін әлі де жеткіліксіз.
5. Салыстыру
| Шешімдік жол | Айырмашылық әдіс | Негізгі принцип | Артықшылықтар | Жетіспеушіліктер | Денсаулық |
| Сыртқы ынтымактастық | Құрылғылардың реттеліп байланысы | Бірнеше құрылғы көлемді бөлетіндей | Түсіндірілген принцип, тез қалыптасады | Динамикалық напряжение бөлу қиын, басқару қиын, жоғары денсаулықты қамтамақтыру қиын | Денсаулықты қамтамақтыру |
| Көптексті конвертор (мысалы, MMC) | Модульдер сериялық байланысқа енгізіледі, әр модуль төмен напряжение қабылдайды | Модулді, жетістікті жеткізу, жақсы сигнал суреті, жоғары денсаулықты қамтамақтыру | Көптеген модульдер, қиын басқару, қымбат баға | Ағымдағы негізгі / Денсаулықты қамтамақтыру | |
| Каскадтық структура (мысалы, ISOP) | Стандартты айналдыру модулдері енгізуде сериялық байланысқа енгізіледі | Модулді, қата іздену қабілеті, қарапайым дизайн | Бірнеше изоляциялық трансформатор қажет, системаның көлемі үлкен болуы мүмкін | Денсаулықты қамтамақтыру | |
| Ішкі (құрылғы инновациясы) | Ерекше диапазонды бұрыштық заттар (SiC/GaN) | Материал өзінде жоғары бұрыштық электрлық өріс бар, напряжение қабылдау қабілеті өте жоғары | Жоғары напряжение қабылдау, жоғары нәтижелілік, жоғары частота, қарапайым топология | Қымбат баға, айналдыру және қорғау технологиясы дамуда | Болашақ бағыт / Тез даму |
| Супер қоңырау технологиясы | Құрылғының ішкі электрлық өрісінің таралуын оптимизациялау | Құрылғының өзінен жоғары қабілеті | Напряжение қабылдау деңгейінің жоғарғы шекті, орта напряжениеге жоғары қабілетті | Денсаулықты қамтамақтыру (төмен напряжение өрісінде қолданылады) |
Қалай SST-лердегі энергетикалық полупроводниковық приборлардың напряжение рейтингінің шектеулерін шешуге болады?
Азырғы уақытта ең практикалық және тиімді шешім - көптемірлі конвертор топологияларын (особенно модульды көптемірлі конверторлар, MMC) немесе сериялық вход-параллель выход (ISOP) структураларын қолдану. Бұл ықтималдылықтар, сапалы силициум негізіндегі приборларды пайдаланып, құрылымдық деңгейде қиындықтарды ашыру арқылы бір құрылымдың напряжение рейтингінің шектеулерін жеңілдетеді.
Будующы үшін негізгі шешім - жоғары напряжение жиыртқыштық полупроводниковық приборлардың, әсіресе силициум карбиді (SiC) қозғалтқымен, дамуы және қымбаттықты азайтуында жатады. Осыны орындағанда, SST топологиялары қиындағы қысқартыла алады, әрі өнімділік пен энергия тығыздығында әлсіз қадам алынуы мүмкін болады.
Сам деле SST зерттеу және өнімдерін әзірлеу процессінде, көбінесе бірнеше технологияларды бірге қолданылады - мысалы, SiC приборларын пайдаланып MMC топологиясын қолдану - ең жақсы жұмыс істейді және тиімділікті жеткізеді.
