Cabaran Voltan SST: Topologi & Teknologi SiC
Salah satu cabaran utama bagi Penjana Kuasa Keadaan Padat (SST) adalah bahawa penarafan voltan bagi peranti semikonduktor kuasa tunggal jauh tidak mencukupi untuk menangani rangkaian pengagihan voltan sederhana (contohnya, 10 kV). Menangani had voltan ini tidak bergantung pada teknologi tunggal, tetapi lebih kepada "pendekatan kombinasi." Strategi utama boleh dikategorikan kepada dua jenis: "dalam" (melalui inovasi teknologi dan bahan peringkat peranti) dan "kerjasama luar" (melalui topologi litar).
1. Kerjasama Luar: Penyelesaian melalui Topologi Litar (Pendekatan Paling Utama dan Matang Saat Ini)
Ini adalah pendekatan yang paling boleh dipercayai dan luas digunakan dalam aplikasi kuasa tinggi dan voltan sederhana hingga tinggi. Idea intinya adalah "kekuatan dalam perpaduan"—menggunakan sambungan siri atau kombinasi modul peranti-peranti untuk berkongsi voltan tinggi.
1.1 Sambungan Siri Peranti
Prinsip: Beberapa peranti pemintas (contohnya, IGBTs atau SiC MOSFETs) disambungkan secara langsung dalam siri untuk bersama-sama menanggung voltan tinggi. Ini serupa dengan menyambung beberapa bateri dalam siri untuk mencapai voltan yang lebih tinggi.
Cabaran Utama:
Penyeimbangan Voltan Dinamik: Karena perbezaan parameter kecil antara peranti (contohnya, kelajuan pemintasan, kapasitansi persimpangan), voltan tidak dapat dibahagikan secara merata di antara peranti semasa pemintasan berkelajuan tinggi, yang mungkin menyebabkan overvoltan dan kegagalan pada satu peranti.
Penyelesaian: Diperlukan litar penyeimbangan voltan aktif atau pasif yang kompleks (contohnya, litar snubber, kawalan gerbang) untuk menegakkan perkongsian voltan, meningkatkan kekompleksan dan kos sistem.
2. Topologi Pengubah Tingkat Berbilang (Pilihan Utama SST Hari Ini)
2.1 Prinsip: Ini adalah konsep "siri modul" yang lebih canggih dan berprestasi lebih tinggi. Ia menghasilkan hampiran bertingkat gelombang sinus menggunakan beberapa aras voltan, supaya setiap peranti pemintas hanya menanggung sebahagian daripada voltan bus DC total.
2.2 Topologi Biasa:
Pengubah Modul Bertingkat Berbilang (MMC): Salah satu topologi yang paling difavoritkan untuk SST voltan sederhana hingga tinggi. Ia terdiri daripada banyak submodul (SMs) yang disambungkan dalam siri. Setiap submodul biasanya termasuk kapasitor dan beberapa peranti pemintas. Peranti hanya menanggung voltan kapasitor submodul, secara efektif menyelesaikan isu tekanan voltan. Kelebihannya termasuk modular, skalabilitas, dan kualiti gelombang output yang baik.
Pengubah Tingkat Berbilang Kapasitor Terbang (FCMC) dan Pengubah Tingkat Berbilang Dengan Klip Diode (DNPC): Struktur tingkat berbilang yang juga biasa digunakan, tetapi menjadi struktur dan kawalan yang kompleks apabila bilangan tingkat meningkat.
Kelebihan: Secara asas menyelesaikan had penarafan voltan peranti individu, meningkatkan kualiti gelombang voltan output secara signifikan, dan mengurangkan saiz filter.
3. Input-Siri Output-Paralel (ISOP) Struktur Bertingkat
Prinsip: Beberapa unit pengubah kuasa lengkap, bebas (contohnya, DAB, Jambatan Aktif Berganda) disambungkan dengan input mereka dalam siri untuk menanggung voltan tinggi dan output dalam paralel untuk memberikan arus tinggi. Ini adalah penyelesaian modul peringkat sistem.
Kelebihan: Setiap unit adalah modul standard voltan rendah, memudahkan reka bentuk, pembuatan, dan penyelenggaraan. Kebolehpercayaan tinggi (kegagalan satu unit tidak mengganggu operasi sistem keseluruhan). Sangat sesuai dengan filosofi reka bentuk modul SST.
4. Penguatan Dalaman: Inovasi Teknologi Peringkat Peranti (Arah Pembangunan Masa Depan)
Pendekatan ini menangani isu secara asas dari sudut sains bahan dan fizik semikonduktor.
4.1 Penggunaan Peranti Semikonduktor Lebar Selisih Energi
Prinsip: Bahan semikonduktor generasi baru seperti karbida silikon (SiC) dan nitrid galium (GaN) mempunyai medan elektrik kritikal yang lebih tinggi sebanyak satu magnitud berbanding silikon (Si) tradisional. Ini bermaksud bahawa peranti SiC boleh mencapai penarafan voltan yang jauh lebih tinggi pada ketebalan yang sama berbanding peranti Si.
Kelebihan:
Penarafan Voltan Lebih Tinggi: Satu SiC MOSFET kini boleh dengan mudah mencapai penarafan voltan di atas 10 kV, manakala IGBT silikon biasanya terhad kepada di bawah 6.5 kV. Ini membolehkan topologi SST yang lebih ringkas (mengurangkan bilangan peranti siri-sambung).
Kemahiran Lebih Tinggi: Peranti lebar selisih energi menawarkan rintangan konduksi dan kerugian pemintasan yang lebih rendah, membolehkan SST beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi, dengan itu mengurangkan saiz dan berat komponen magnetik (transformer, induktor) secara signifikan.
Status: Peranti SiC voltan tinggi kini merupakan topik panas dalam penyelidikan SST dan dianggap sebagai teknologi penting untuk reka bentuk SST gangguan masa depan.
4.2 Teknologi Superjunction
Prinsip: Teknik canggih untuk MOSFET berdasarkan silikon yang memperkenalkan wilayah tiang P-tipe dan N-tipe bergantian untuk mengubah taburan medan elektrik, dengan itu meningkatkan kemampuan blok voltan sambil mengekalkan rintangan on yang rendah.
Penggunaan: Utamanya digunakan dalam peranti dengan penarafan voltan antara 600 V hingga 900 V. Digunakan pada sisi voltan rendah atau bahagian kuasa rendah SST, tetapi masih tidak mencukupi untuk aplikasi voltan sederhana secara langsung.
5. Perbandingan
| Pendekatan Penyelesaian | Kaedah Spesifik | Prinsip Inti | Kelebihan | Kekurangan | Kematangan |
| Kerjasama Luar | Sambungan Siri Peranti | Beberapa peranti berkongsi voltan | Prinsip mudah, boleh direalisasikan dengan cepat | Pembahagian voltan dinamik sukar, kawalan kompleks, cabaran kebolehpercayaan tinggi | Matang |
| Pengubah Tingkat Berbilang (contohnya, MMC) | Sub-modul modul disambungkan dalam siri, setiap modul menanggung voltan rendah | Modular, mudah diperluaskan, kualiti gelombang baik, kebolehpercayaan tinggi | Bilangan sub-modul besar, kawalan kompleks, kos relatif tinggi | Utama Saat Ini / Matang | |
| Struktur Bertingkat (contohnya, ISOP) | Unit pengubah standard disambungkan dalam siri pada input | Modular, toleransi kesalahan kuat, reka bentuk mudah | Memerlukan beberapa transformer isolasi, isi padu sistem mungkin besar | Matang | |
| Dalaman (Inovasi Peranti) | Semikonduktor Lebar Selisih Energi (SiC/GaN) | Bahan itu sendiri mempunyai medan elektrik kritikal yang tinggi, dan daya tahan voltan adalah intrinsiknya kuat | Daya tahan voltan tinggi, kemahiran tinggi, frekuensi tinggi, topologi ringkas | Kos tinggi, teknologi pemanduan dan perlindungan masih dalam pembangunan | Arah Masa Depan / Pembangunan Cepat |
| Teknologi Superjunction | Optimalkan taburan medan elektrik dalaman peranti | Prestasi ditingkatkan berbanding peranti tradisional | Terdapat had pada daya tahan voltan, sukar mengatasi voltan sederhana | Matang (digunakan dalam bidang voltan rendah) |
Bagaimana menangani had penarafan voltan peranti semikonduktor kuasa dalam SST?
Penyelesaian yang paling praktikal dan boleh dipercayai pada masa kini adalah dengan mengadaptasi topologi pengubah tingkat berbilang (terutamanya Pengubah Modul Bertingkat Berbilang, MMC) atau struktur bertingkat input-siri output-parallel (ISOP). Pendekatan-pendekatan ini, berdasarkan peranti silikon yang matang, mengelakkan botol leher penarafan voltan peranti individu melalui arkitektur peringkat sistem yang canggih.
Penyelesaian asas untuk masa depan terletak pada pematangan dan pengurangan kos peranti semikonduktor lebar selisih energi voltan tinggi, terutamanya karbida silikon (SiC). Apabila direalisasikan, topologi SST boleh disederhanakan secara signifikan, membolehkan lompatan ke hadapan dalam kemahiran dan ketumpatan kuasa.
Dalam penyelidikan dan pembangunan SST yang sebenar, banyak teknologi sering dikombinasikan—misalnya, menggunakan topologi MMC dengan peranti SiC—untuk mencapai prestasi dan kebolehpercayaan optimal.
