SST Voltage Challenges: Topologies & SiC Tech Sînora SST Ji Bersiva: Cihane û Têknîka SiC

Yek ji an joreyên girîng yên Transformerên Penayî (SST) û ew dike ku rûniya hêza yek demgirî ya ênîna penayî da çend ur bi rêjiyêk bibe li ser taybetandina rêzikên dergeha medyan (mînak, 10 kV). Çareserina wanniyê rûniya hêza wan ne dike ve bikar bînin di teknolojî yekane de, balkê "pêşketina birceh". Strategiyên serekan dikarin biguherînin bi du qat: "navendî" (di navendeyên demgirî yên teknolojî û malperdeyê) û "bircehkirina derveyî" (di topologîya cihedanê).

1. Bircehkirina Derveyî: Çareserina bi Topologîya Cihedan (Hiçê Yekan Serast û Peyamî)
Ev dike yekan serast û piyasa hatî çareserina li ser taybetandina dergeha medyan û berbiyan û guhertina guhertinên mezin. Xwendekarîya herî serkeftî ya wê ye ku "hezdarî dike hezdan" - bikaranîna girtinên serî an kombinasyonên modulara demgirên zafyên din da ku hêza mezin biberd bikin.

1.1 Girtina Serîya Demgir

 Prinsip: Zafyên demgirî yên din (mînak, IGBTs an SiC MOSFETs) hate girtin serî bi xwe da ku hêza mezin biberd bikin. Ev pêwistî ye ku bataryayên din girtin serî bikin da ku hêza mezin biberd bikin.

 Meseleyên Serkeftî:

• Berketina Hêza Dîmareyî: Ji bo parzanîna nirxên nisbi yên demgir (mînak, çepîna dîmareyî, kapasînas kesî), hêza nayê be tevahî dibikin ser demgirên din di dema çepîna dîmareyî de, ku dikare wekîn lêserîn hêza mezin û çûnîkirina yek demgir.

• Çareser: Darbixîna komplikeyên aktîf an pasîf (mînak, cihedanên snubber, kontrola gate) dibayêne ku hêza bikeribin, ku komplikeyên sistemê û maliyetê zêdetin.

2. Topologîya Cihedanên Multilevel (Peyama Herî Serast û Peyamî ya SST)

2.1 Prinsip: Ev dike konsepti mezin û performansî yên "modular serî" yên piwast. Ev dike yek şopandin ênîn a sinewave bi çend hêz da ku har demgir an navendî tikêşîn peyda bike yên hêza DC bus total.

2.2 Topologîyên Serekan:

• Modular Multilevel Converter (MMC): Yekan ji topologîyên mezin yên piyasa li ser taybetandina dergeha medyan û berbiyan û SSTs. Ev dike pir submodules (SMs) yekbûyîn serî hatine girtin. Har submodule pir tiştîk û çend demgir û navendî hatîne. Navendî tikêşîn hêza tiştîka submodule's, ku vê problemê hêza stressî çareser bikin. Berdestan: modular, scalable, û keyfiyeta output waveformê mezin.

• Flying Capacitor Multilevel Converter (FCMC) û Diode-Clamped Multilevel Converter (DNPC): Jî multilevel structures yên piyasa, lê ji roja çend levelsên din dike struktura û kontrolê komplikey bikin.

• Berdestan: Fundamentally çareserina rûniya hêza rating î individual devices, keyfiyeta output voltage waveformê zêdetin, û çend filter size reduce bikin.

3. Input-Series Output-Parallel (ISOP) Cascaded Structure

• Prinsip: Pir unitên guhertina guhertinên tam û azad (mînak, DAB, Dual Active Bridge) hatine girtin bi inputs û outputs û parallel û parallel da ku hêza mezin û current mezin biberd bikin. Ev dike yek çareserî system-level modular.

• Berdestan: Har unit ek module standard low-voltage û design, manufacturing, û maintenance simple bikin. Reliability mezin (lêserîn yek unit nayê şopandin çalakî ya systemê). Mezin destûr dike philosophy modular design û SST.

4. Navendî Bikin: Teknolojîya Navendî û Malperdey (Dîrok û Pêşketina Dîroka)

Ev dike radikalî çareserina problemê ji perspektîva malperdeyên science û physics semiconductor.

4.1 Bikaranîna Wide-Bandgap Semiconductor Devices

Prinsip: Malperên semiconductor new-generation mînak, silicon carbide (SiC) û gallium nitride (GaN) hêza electric field critical breakdown an order of magnitude higher than traditional silicon (Si) hene. Ev dike ku SiC devices dikare hêza rating voltage mezin biberd bikin ji bo thickness û Si devices.
Berdestan:

• Hêza Rating Voltage Mezin: Yek SiC MOSFET dikare hêza rating voltage li ser 10 kV biberd bikin, ji bo IGBTs silicon dikare hêza rating voltage li ser 6.5 kV biberd bikin. Ev dike topology û SST simplify bikin (reducing the number of series-connected devices).

• Efficiency Mezin: Devices wide-bandgap dikare resistance conduction mezin û switching losses zêdetin, ku SSTs dikare operate at frequencies mezin, li ser raya size û weight magnetic components (transformers, inductors) reduce bikin.
  

• Status: High-voltage SiC devices niha yekan hot topic û research û SST û dike teknolojî key enabling disruptive SST designs.

4. 2 Superjunction Technology

• Prinsip: Teknik advanced for silicon-based MOSFETs that introduces alternating P-type and N-type pillar regions to alter the electric field distribution, thereby greatly improving voltage blocking capability while maintaining low on-resistance.

• Application: Primarily used in devices with voltage ratings between 600 V and 900 V. Applied in the low-voltage side or lower-power sections of SSTs, but still insufficient for direct medium-voltage applications.

5. Comparison

How to address the voltage rating limitations of power semiconductor devices in SSTs?

• The most practical and reliable solution at present is to adopt multilevel converter topologies (especially Modular Multilevel Converters, MMC) or cascaded input-series output-parallel (ISOP) structures. These approaches, based on mature silicon-based devices, circumvent the voltage rating bottleneck of individual devices through sophisticated system-level architectures.

• The fundamental solution for the future lies in the maturation and cost reduction of high-voltage wide-bandgap semiconductor devices, particularly silicon carbide (SiC). Once realized, SST topologies can be significantly simplified, enabling a leap forward in efficiency and power density.

In actual SST research and development, multiple technologies are often combined—for example, employing an MMC topology using SiC devices—to achieve optimal performance and reliability.