SST Uoltāžas Izšūtības: Topoloģijas & SiC Tehnoloģija
Viena no galvenajām Solid State Transformatoru (SST) problēmām ir tā, ka viena enerģijas polārās pārveidotāja ķermeņa sprieguma rādītājspēja ir daudz mazāka, lai tieši apstrādātu vidējas sprieguma elektrotīklu (piemēram, 10 kV). Šī sprieguma ierobežojuma risināšana nesasniedz ar vienu tehnoloģiju, bet gan "kombinētu pieeju". Galvenās stratēģijas var saskaitīt divos veidos: "ietilpstošā" (caur ierīču līmeņa tehnoloģisko un materiālo inovāciju) un "ārējā sadarbība" (caur shēmas topoloģiju).
1.Ārējā sadarbība: Risinājums caur shēmas topoloģiju (Pašlaik visizplatītākais un saderīgākais risinājums)
Šis ir pašlaik uzticamākais un visvairāk izmantotais risinājums vidējā un augstā sprieguma, lielā jaudas aplikācijās. Tā pamatdoma ir "spēks vienotībā"—vairāku ierīču savienojums šķēles virzienā vai modulāru kombināciju izmantošana, lai dalītos augstā spriegumā.
1.1 Ierīču savienojums šķēles virzienā
Princips: Vairākas pārslēgšanas ierīces (piemēram, IGBT vai SiC MOSFET) tiek tieši savienotas šķēles virzienā, lai kopā izturētu augstu spriegumu. Tas ir līdzīgs bateriju savienošanai šķēles virzienā, lai sasniegtu augstāku spriegumu.
Galvenie izaicinājumi:
Dinamiskā sprieguma izlīdzināšana: Tā kā ierīcēs ir nedaudzas parametru atšķirības (piemēram, pārslēgšanas ātrums, savienojuma kapacitance), spriegums nevar tikt vienmērīgi sadalīts starp ierīcēm straujā pārslēgšanā, kas var izraisīt pārspriegumu un vienas ierīces bojājumu.
Risinājumi: Nodrošināt sprieguma izlīdzināšanu prasa sarežģītas aktīvas vai pasīvas sprieguma izlīdzināšanas shēmas (piemēram, amortizators, vārtu kontrolēšana), kas palielina sistēmas sarežģītību un izmaksas.
2. Daudzlīmeņu konvertera topoloģijas (Pašreizējais SST izvēles variants)
2.1 Princips: Tas ir vēl sarežģītāks un augstākas veiktspējas "modulārs šķēles" koncepts. Tas izmanto daudzus sprieguma līmeņus, lai ģenerētu sinusa veida signāla apakškopumu, tādējādi katra pārslēgšanas ierīce tikai izturētu daļu no kopējā DC dīzeņa sprieguma.
2.2 Bieži izmantotās topoloģijas:
Modulārs daudzlīmeņu konvertētājs (MMC): Viens no vislabāk novērtētajiem vidējā un augstā sprieguma SST topoloģijām. Tas sastāv no daudziem identiskiem submoduļiem (SM), kas savienoti šķēles virzienā. Katrs submodulis parasti ietver kondensatoru un vairākas pārslēgšanas ierīces. Ierīces tikai izturē to spriegumu, ko nodrošina submoduļa kondensators, efektīvi risinot sprieguma stresa problēmu. Priekšrocības ietver modulāritāti, skalējamību un labu izvades formas kvalitāti.
Lidojošā kondensatora daudzlīmeņu konvertētājs (FCMC) un dioda fiksētais daudzlīmeņu konvertētājs (DNPC): Arī bieži izmantotas daudzlīmeņu struktūras, bet strukturāli un kontroles ziņā kļūst sarežģītākas, kā pieaug līmeņu skaits.
Priekšrocības: Fundamentāli risina individuālo ierīču sprieguma rādītājspējas ierobežojumu, būtiski uzlabo izvades sprieguma formas kvalitāti un samazina filtra izmēru.
3. Ievades šķēles izvades paralēlā (ISOP) kaskāde
Princips: Vairāki pilni, neatkarīgi enerģijas pārveidotāju bloki (piemēram, DAB, Dual Active Bridge) tiek savienoti ar to ievadi šķēles virzienā, lai izturētu augstu spriegumu, un izvades paralēli, lai nodrošinātu lielu strāvu. Tas ir sistēmas līmeņa modulāris risinājums.
Priekšrocības: Katrs bloks ir zema sprieguma standarta modulis, vienkāršojot dizainu, ražošanu un uzturēšanu. Augsta uzticamība (viens bloka trūkums neizraisa visu sistēmas darbības traucējumu). Īpaši piemērots SST modulārajai dizaina filozofijai.
4. Iekšējā pastiprināšana: Ierīču līmeņa tehnoloģiska inovācija (Nākotnes attīstības virzieni)
Šis pieejas risina problēmu materiālzinātnes un polārās fizikas perspektīvā.
4.1 Plašās bandes polārās ierīces izmantošana
Princips: Jaunākās polārās materiālas, piemēram, silīcijs karbidss (SiC) un gāls nitrids (GaN), ir kritiskās sabojāšanas elektriskās laukas aptuveni desmit reizes lielāks nekā tradicionālajā silīcijā (Si). Tas nozīmē, ka SiC ierīces var sasniegt daudz augstākus sprieguma rādītājspējas indeksus salīdzinājumā ar Si ierīcēm vienādā biezumā.
Priekšrocības:
Augsts sprieguma rādītājspējas indekss: Viens SiC MOSFET tagad viegli var sasniegt sprieguma rādītājspējas indeksus virs 10 kV, kamēr silīcija IGBT tipiski ir ierobežots līdz 6,5 kV. Tas ļauj vienkāršot SST topoloģijas (samazinot šķēles savienoto ierīču skaitu).
Augstāka efektivitāte: Plašās bandes ierīces piedāvā zemāku vadības pretestību un pārslēgšanas zudumu, ļaujot SST strādāt augstākos frekvences rādītājspējās, tādējādi būtiski samazinot magnētiskā komponenta (transformatoru, induktora) izmēru un svaru.
Statuss: Augsti sprieguma SiC ierīces pašlaik ir aktuāla SST pētniecības tēma un tiek uzskatītas par galveno rīkošanos nākotnes SST disrupcijas dizainā.
4.2 Superjunction tehnoloģija
Princips: Uzsilīcija balstītas MOSFET ierīces ievērojami uzlabota tehnika, kas ievieš alternējošus P-tipa un N-tipa stiprinājumu reģionus, lai mainītu elektriskā lauka sadalījumu, tādējādi būtiski uzlabojot sprieguma bloķēšanas spēju, saglabājot zemu ieprasīšanas pretestību.
Lietojums: Galvenokārt izmantots ierīcēs ar sprieguma rādītājspējas indeksu starp 600 V un 900 V. Lietots SST zemā sprieguma puses vai mazākas jaudas daļās, bet vēl nepietiekami tiešiem vidējiem sprieguma pielietojumiem.
5. Salīdzinājums
| Risinājuma pieeja | Konkrēta metode | Galvenais princips | Priekšrocības | Trūkumi | Pārbaudītība |
| Ārējā sadarbība | Ierīču savienojums šķēles virzienā | Vairākas ierīces dalās spriegumā | Vienkāršs princips, ātri realizējams | Grūta dinamiskā sprieguma izlīdzināšana, sarežģīta kontrole, augsta uzticamības izaicinājumi | Pārbaudīts |
| Daudzlīmeņu konvertētājs (piemēram, MMC) | Modulāri submoduļi tiek savienoti šķēles virzienā, katrs modulis iztur zemu spriegumu | Modulārs, viegli paplašināms, laba forma kvalitāte, augsta uzticamība | Lielisks submoduļu skaits, sarežģīta kontrole, relatīvi augstas izmaksas | Pašreizējais izvēles variants / Pārbaudīts | |
| Kaskādes struktūra (piemēram, ISOP) | Standarta konvertēšanas vienības tiek savienotas šķēles virzienā ievadē | Modulārs, stiprs kļūdu noturība, vienkāršs dizains | Nepieciešamas vairākas izolācijas transformatoru, sistēmas tilpums var būt liels | Pārbaudīts | |
| Iekšējā (ierīču inovācija) | Plašās bandes polārās (SiC/GaN) | Materiāls pats par sevi ir augstsabojāšanas elektriskā lauka, un sprieguma izturēšana ir būtiski stipra | Augsts sprieguma izturēšanas indekss, augsta efektivitāte, augsta frekvence, vienkāršota topoloģija | Augstas izmaksas, braukšanas un aizsardzības tehnoloģijas joprojām attīstās | Nākotnes virziens / Ātra attīstība |
| Superjunction tehnoloģija | Optimizē ierīces iekšējo elektriskā lauka sadalījumu | Uzlabota veiktspēja salīdzinājumā ar tradicionālajām ierīcēm | Ir augstāks sprieguma izturēšanas indekss, grūti cīnīties ar vidējo spriegumu | Pārbaudīts (izmantots zema sprieguma jomā) |
Kā risināt enerģijas polārās ierīču sprieguma rādītājspējas ierobežojumus SST?
Pašreizējais praktiskākais un uzticamākais risinājums ir izmantot daudzlīmeņu konvertētāju topoloģijas (jo īpaši Modulāros daudzlīmeņu konvertētājus, MMC) vai kaskādes ievades šķēles izvades paralēlās (ISOP) struktūras. Šie pieejas, balstoties uz pārbaudītām silīcija balstītām ierīcēm, izvairās no individuālo ierīču sprieguma rādītājspējas sprādziena, izmantojot sarežģītas sistēmas līmeņa arhitektūras.
Nākotnes fundamentālais risinājums atrodas augstsprieguma plašās bandes polārās ierīču, īpaši silīcijs karbidss (SiC), matūrācijā un izmaksu samazināšanā. Kad tas tiks realizēts, SST topoloģijas var būt būtiski vienkāršotas, ļaujot efektivitātes un jaudas blīvuma sprādzienu.
Reālajā SST pētījumu un izstrādē bieži tiek kombinētas vairākas tehnoloģijas—piemēram, MMC topoloģijas izmantošana ar SiC ierīcēm—lai sasniegtu optimālo veiktspēju un uzticamību.
