SST 전압 문제: 구조 및 SiC 기술
고체변압기(SST)의 핵심 과제 중 하나는 단일 전력 반도체 장치의 전압 등급이 중간 전압 배전망(예: 10 kV)을 직접 처리하기에는 턱없이 부족하다는 점입니다. 이 전압 제한을 해결하는 것은 단일 기술에 의존하는 것이 아니라 "결합 접근법"에 의존합니다. 주요 전략은 "내부"(장치 수준의 기술 및 재료 혁신을 통해)와 "외부 협업"(회로 위상을 통해) 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.
1. 외부 협업: 회로 위상으로 해결(현재 가장 주류적이고 성숙한 접근법)
이는 현재 중간 및 고전압, 고출력 응용 분야에서 가장 신뢰성 있고 널리 적용되는 접근법입니다. 그 핵심 아이디어는 "단결하면 강함"—여러 장치를 직렬 연결하거나 모듈식 조합을 사용하여 높은 전압을 분담하는 것입니다.
1.1 장치 직렬 연결
원리: 여러 개의 스위칭 장치(예: IGBT 또는 SiC MOSFET)를 직접 직렬로 연결하여 집합적으로 높은 전압을 견딜 수 있게 합니다. 이것은 여러 배터리를 직렬로 연결하여 더 높은 전압을 얻는 것과 유사합니다.
주요 도전 과제:
동적 전압 균형: 장치 간 미세한 매개변수 차이(예: 스위칭 속도, 접합 용량)로 인해 고속 스위칭 중에 전압이 장치들 사이에 균등하게 분배되지 않아, 한 장치에서 과전압과 실패가 발생할 가능성이 있습니다.
해결책: 복잡한 활성 또는 비활성 전압 균형 회로(예: 스너버 회로, 게이트 제어)가 필요하여 시스템의 복잡성과 비용이 증가합니다.
2. 다중레벨 변환기 위상(현재 SST의 주류 선택)
2.1 원리: 이는 더욱 진보되고 성능이 우수한 "모듈식 직렬" 개념입니다. 여러 전압 레벨을 사용하여 사인파의 단계적인 근사를 생성하여 각 스위칭 장치가 총 DC 버스 전압의 일부만 견딜 수 있도록 합니다.
2.2 일반적인 위상:
모듈식 다중레벨 변환기(MMC): 중간 및 고전압 SST에서 가장 선호되는 위상 중 하나입니다. 여러 동일한 서브모듈(SM)을 직렬로 연결합니다. 각 서브모듈은 일반적으로 커패시터와 여러 스위칭 장치를 포함합니다. 장치는 서브모듈의 커패시터 전압만 견디므로, 효과적으로 전압 스트레스 문제를 해결합니다. 장점은 모듈화, 확장성, 우수한 출력 파형 품질입니다.
플라잉 커패시터 다중레벨 변환기(FCMC) 및 다이오드 클램핑 다중레벨 변환기(DNPC): 또한 일반적으로 사용되는 다중레벨 구조이지만, 레벨 수가 증가함에 따라 구조적 및 제어적으로 복잡해집니다.
장점: 개별 장치의 전압 등급 제한을 근본적으로 해결하고, 출력 전압 파형 품질을 크게 개선하며, 필터 크기를 줄입니다.
3. 입력 직렬 출력 병렬(ISOP) 연쇄 구조
원리: 여러 개의 완전하고 독립적인 전력 변환 유닛(예: DAB, 듀얼 액티브 브리지)을 입력을 직렬로 연결하여 높은 전압을 견디고, 출력을 병렬로 연결하여 높은 전류를 제공합니다. 이것은 시스템 수준의 모듈식 솔루션입니다.
장점: 각 유닛은 저전압 표준 모듈로서 설계, 제조, 유지 관리를 간소화합니다. 높은 신뢰성(하나의 유닛이 실패해도 전체 시스템 작동이 중단되지 않습니다). SST의 모듈식 설계 철학에 매우 적합합니다.
4. 내부 강화: 장치 수준의 기술 혁신(미래 발전 방향)
이 접근법은 재료 과학과 반도체 물리학의 관점에서 근본적인 문제를 해결합니다.
4.1 광대역 갭 반도체 장치의 사용
원리: 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화갈륨(GaN)과 같은 새로운 세대의 반도체 재료는 전통적인 실리콘(Si)보다 10배 이상 높은 임계 전기장을 가집니다. 즉, SiC 장치는 같은 두께에서도 Si 장치보다 훨씬 높은 전압 등급을 달성할 수 있습니다.
장점:
높은 전압 등급: 단일 SiC MOSFET은 이제 쉽게 10 kV 이상의 전압 등급을 달성할 수 있으며, 실리콘 IGBT는 일반적으로 6.5 kV 미만으로 제한됩니다. 이를 통해 SST 위상이 단순화되며(직렬 연결된 장치 수 감소).
높은 효율: 광대역 갭 장치는 낮은 전도 저항과 스위칭 손실을 제공하여 SST가 더 높은 주파수로 작동할 수 있으므로, 자기 컴포넌트(변압기, 인덕터)의 크기와 무게를 크게 줄입니다.
현황: 고전압 SiC 장치는 현재 SST 연구에서 핫 토픽이며, 미래의 혁신적인 SST 설계를 위한 주요 기술로 간주됩니다.
4. 2 슈퍼저니션 기술
원리: 실리콘 기반 MOSFET에 대한 고급 기술로, P형 및 N형 기둥 영역을 번갈아가며 배치하여 전기장 분포를 변경하여 전압 차단 능력을 크게 향상시키면서 낮은 ON 저항을 유지합니다.
응용: 주로 600 V에서 900 V 사이의 전압 등급 장치에 사용됩니다. SST의 저전압 측이나 낮은 출력 섹션에 적용되지만, 중간 전압 응용에는 여전히 부족합니다.
5. 비교
| 솔루션 접근법 | 구체적인 방법 | 핵심 원리 | 장점 | 단점 | 성숙도 |
| 외부 협업 | 장치 직렬 연결 | 여러 장치가 전압을 공유 | 단순한 원리, 빠른 실현 가능 | 동적 전압 공유 어려움, 복잡한 제어, 높은 신뢰성 도전 | 성숙 |
| 다중레벨 변환기(예: MMC) | 모듈식 서브모듈을 직렬로 연결, 각 모듈은 낮은 전압을 견딤 | 모듈화, 확장 용이, 좋은 파형 품질, 높은 신뢰성 | 많은 수의 서브모듈, 복잡한 제어, 상대적으로 높은 비용 | 현재 주류 / 성숙 | |
| 연쇄 구조(예: ISOP) | 표준 변환 유닛을 입력에서 직렬로 연결 | 모듈화, 강한 오류 허용, 간단한 설계 | 여러 개의 절연 변압기가 필요, 시스템 부피가 클 수 있음 | 성숙 | |
| 내부(장치 혁신) | 광대역 갭 반도체(SiC/GaN) | 재료 자체가 높은 임계 전기장을 가지고 있어, 본질적으로 강한 전압 견딜 수 있음 | 높은 전압 견딜 수 있음, 높은 효율, 높은 주파수, 간소화된 위상 | 높은 비용, 운전 및 보호 기술이 아직 발전 중 | 미래 방향 / 급속한 발전 |
| 슈퍼저니션 기술 | 장치 내부 전기장 분포 최적화 | 전통적인 장치 대비 성능 향상 | 전압 견딜 수 있는 수준에 상한이 있어, 중간 전압 대응이 어렵음 | 성숙(저전압 분야에서 사용됨) |
SST에서 전력 반도체 장치의 전압 등급 제한을 어떻게 해결할 수 있을까요?
현재 가장 실용적이고 신뢰성 있는 해결책은 다중레벨 변환기 위상(특히 모듈식 다중레벨 변환기, MMC) 또는 연쇄 입력 직렬 출력 병렬(ISOP) 구조를 채택하는 것입니다. 이러한 접근법은 성숙한 실리콘 기반 장치를 기반으로 하여, 복잡한 시스템 수준의 아키텍처를 통해 개별 장치의 전압 등급 병목 현상을 우회합니다.
미래의 근본적인 해결책은 고전압 광대역 갭 반도체 장치, 특히 실리콘 카바이드(SiC)의 성숙과 비용 절감에 있습니다. 이를 실현하면 SST 위상이 크게 단순화되어 효율과 전력 밀도가 크게 향상될 수 있습니다.
실제 SST 연구 및 개발에서는 종종 여러 기술을 결합합니다. 예를 들어, SiC 장치를 사용하는 MMC 위상을 채택하여 최적의 성능과 신뢰성을 달성합니다.
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