Изазови на напонот SST: Тополошки и SiC технологија
Еден од основните предизвикови на трансформаторите со тверда состојка (SST) е тоа што напонската класификација на едно електронско полупроводничко уред е далеку недостаточна за директна работа со средно-напонски распределбени мрежи (напр. 10 кВ). Решавањето на ова ограничување не се заснова на една технологија, туку на „комбинирани пристапи“. Главните стратегии можат да се категоризираат во два типа: „интерни“ (преку технологички и материјални иновации на ниво на уредот) и „екстерна колаборација“ (преку топологија на кружницата).
1. Екстерна колаборација: Решавање преку топологија на кружницата (Тренутно најпопуларен и најзрел пристап)
Овој пристап е тренутно најнадежниот и најшироко применуван во средно- и високо-напонски, високомоќни апликации. Нејзината главна идеја е „сила во единство“ - користење сериески поврзани или модуларни комбинации на многу уреди за споделување на високиот напон.
1.1 Сериско поврзување на уредите
Принцип: Многу свртливи уреди (напр. IGBTs или SiC MOSFETs) се директно поврзани во серија за заедничко издржување на висок напон. Ова е аналогно на поврзување на многу батерији во серија за постигнување на повисок напон.
Клучни предизвикови:
Динамичко балансирање на напонот: Због малите разлики во параметрите меѓу уредите (напр. брзина на свртване, јункција капацитет), напонот не може да се равномерно дистрибуира по уредите при брзо свртване, што може да доведе до прекумерен напон и грешка во еден од уредите.
Решенија: Потребни се комплексни активни или пасивни циркуити за балансирање на напонот (напр. snubber circuits, контрола на порта) за да се насилува споделување на напонот, што зголемува комплексноста и цената на системот.
2. Топологија на мултиниво конвертери (Главен избор за SST денес)
2.1 Принцип: Ова е понапреден и поефективен концепт на „модуларна серија“. Генерира апроксимација на синусоидна волна со помош на многу нивоа на напон, така што секој свртлив уред издржува само дел од целосниот DC bus напон.
2.2 Обични топологии:
Модуларен мултиниво конвертер (MMC): Една од најпопуларните топологии за средно- и високо-напонски SSTs. Се состои од многу идентични подмодули (SMs) поврзани во серија. Секој подмодул обично вклучува кондензатор и неколку свртливи уреди. Уредите издржуваат само напонот на кондензаторот на подмодулот, ефективно решавајќи проблемот со напонски стрес. Преимуществата вклучуваат модуларност, скалабилност и одлична квалитет на излезната волна.
Мултиниво конвертер со летечки кондензатор (FCMC) и мултиниво конвертер со диодно клипсирање (DNPC): Така исто така често користени мултинивни структури, но стануваат структурно и контролно комплексни како што се зголемува бројот на нивоа.
Преимущества: Фундаментално решава ограничувањето на напонската класификација на индивидуалните уреди, значително подобрува квалитетот на излезната напонска волна и намалува големината на филтерот.
3. Влез-серис Излез-паралел (ISOP) Каскадна структура
Принцип: Многу комплетни, независни единици за конверзија на моќ (напр. DAB, Двойен активен мост) се поврзуваат со нивните входи во серија за издржување на висок напон и излезите во паралела за доставување на висок стрuja. Ова е системска модуларна решенија.
Преимущества: Секоја единица е стандардна модул со ниско напон, што го поедноставува дизајнот, производството и одржуването. Висока надежност (неуспех на една единица не прекинува работата на целостниот систем). Високо подобрува модуларниот дизајн на SST.
4. Интерна јачање: Технологичка иновација на ниво на уредот (Будушна насока на развој)
Овој пристап фундаментално го решава проблемот од гледна точка на науката за материјалите и полупроводничката физика.
4.1 Користење на уреди со широк зазор
Принцип: Новата генерација на полупроводнички материјали како кремниев карбида (SiC) и галениум нитрид (GaN) имаат критични напонски полиња за разбијање една деценија поголеми од традиционалниот кремник (Si). Ова значи дека SiC уредите можат да постигнат многу поголеми напонски класификации при истата дејност споредено со Si уредите.
Преимущества:
Поголема напонска класификација: Еден SiC MOSFET лесно може да достигне напонска класификација над 10 кВ, додека кремниевите IGBTs типички се ограничени под 6.5 кВ. Ова го овозможува поедноставен SST топологија (намалување на бројот на сериески поврзани уреди).
Повисока ефикасност: Уредите со широк зазор нудат нижо проводно отпорство и загуби при свртване, што овозможува SSTs да работат на повисоки фреквенции, со што значително се намалува големината и тежината на магнетните компоненти (трансформатори, индуктори).
Статус: Високонапонските SiC уреди моментално се актуелна тема во истражувањата за SST и се сметаат за ключна технолошка можност за будушните револуционерни дизајни на SST.
4. 2 Суперјункционална технологија
Принцип: Напредна техника за кремниеви MOSFETs која воведува алтернативни P-тип и N-тип региони во форма на стълбови за измена на дистрибуцијата на електричното поле, со што значително се подобрува способноста за блокирање на напонот, додека се одржува ниско ON отпорство.
Примена: Првенствено се користи во уреди со напонски класификација помеѓу 600 В и 900 В. Се применува на низковолтната страна или деловите со помал мощност на SST-овите, но все уште не е доволно за директна примена на средноволтни системи.
5. Споредба
| Пристап за решението | Специфична метода | Основен принцип | Преимаги | Недостатоци | Зрелост |
| Екстерна колаборација | Сериесна врска на уредите | Повеќе уреди го споделуваат напонот | Једноставен принцип, брзо се реализира | Тешко динамично споделување на напонот, комплексна контрола, голем предизвик за надежност | Зрела |
| Многуниво конвертер (напр. MMC) | Модуларни подмодули се поврзани во серија, секој модул носи ниски напон | Модуларен, лесно се расширува, добар квалитет на формата, висока надежност | Голем број на подмодули, комплексна контрола, релативно висока цена | Тренутна магистрална / зрела | |
| Каскадна структура (напр. ISOP) | Стандардни конвертиски единици се поврзани во серија на входот | Модуларен, силна толеранција на грешки, едноставен дизајн | Бара многу изолациони трансформатори, системската зафатност може да биде голема | Зрела | |
| Интерна (иновации на уредите) | Широкопасусни полупроводници (SiC/GaN) | Материалот сам по себе има висок разбивачки електричен поље, и инхерентно е високо одржлив на напон | Висока оддржливост на напон, висока ефикасност, висока фреквенција, поедноставена топологија | Висока цена, технологијата за управување и заштита все още се развива | Будучна насока / брз развој |
| Технологија со супер јункција | Оптимизира дистрибуцијата на електричното поље во уредот | Подобрен перформанс споредено со традиционалните уреди | Постојат горни граници за оддржливост на напон, тешко се справува со среден напон | Зрела (се користи во полето на ниски напон) |
Как да се справим со ограничувањата на напонската класификација на елементите за енергетска електроника во SST-ови?
Најпрактичното и надежно решение во моментов е да се применат топологија на конвертери со повеќе нивоа (особено модуларни конвертери со повеќе нивоа, MMC) или каскадни структури со сериески влез и паралелен излез (ISOP). Овие пристапи, базирани на зрели силициумски елементи, обидуваат бутилнето коло на напонската класификација на поединечните елементи преку сложени системски архитектури.
Основното решение за будучноста лежи во зрењето и намалувањето на цените на полупроводници со широки јазоли за висок напон, особено карборунд (SiC). Кога тоа се реализира, топологиите на SST можат значително да се поедностават, што овозможува честичен скок во ефективноста и густината на моќта.
Во реалните истражувања и развој на SST, често се комбинираат повеќе технологии - на пример, користење на топологија на MMC со SiC елементи - за да се постигне оптимална перформанса и надежност.
