SST Voltage Challenges: Topologies & SiC Tech Sfidi tal-Voltiġġ SST: Topoloġiji u Teknoloġija SiC
Wieda l-ewwel sfida kbira ta' Solid-State Transformers (SST) huwa li t-talba tal-voltazz ta' waħda jewġġa diġitali tal-enerġija mhux sufficienti biex toqgħod direttament ma' reżilta tal-distribuzzjoni ta' voltazz medju (pereżempju, 10 kV). L-aħħol ta' din il-limitazzjoni tal-voltazz ma jiġix solvuta b'teċnoloġija waħda, iżda b' "approċċ kombinat." Il-strategiji prinċipali jistgħu jiġu klassifikati f'żewġ tipi: "interna" (tramit inovazzjoni teċnoloġika u materiali fl-livell tad-diġita) u "kolabbirazzjoni esterna" (tramit topoloġija tas-silġ).
1. Kolabbirazzjoni Esterna: Soluzzjoni tramit Topoloġija tas-Silġ (Attwalment l-Approċċ Aħjar Stabill)
Dan huwa l-approċċ aħjar affidabbli u applikat amument fil-applications ta' voltazz medju u alt u potenza alta. Il-konċett ġejd huwa "l-forza fit-unità"—użu ta' konnessjonijiet serjal jew kombinazzjonijiet modulari ta' diversi diġita biex isserġu l-voltazz għoli.
1.1 Konnessjoni Serjal ta' Diġita
Prinċipju: Diversi diġita switċar (pereżempju, IGBTs jew SiC MOSFETs) ikkonnessi diretta serjal biex isserġu l-voltazz għoli. Dan huwa analoġu għall-konnessjoni serjal ta' diversi batteġġji biex tiġi raggiunta voltazz aġġar.
Suġġieġ Kbirien:
Bilans ta' Voltazz Dinamiku: Minħabba diffirenzi żgħiri fis-parametri bejn id-diġita (pereżempju, speeċ tas-switċ, kapasità tan-nifs), il-voltazz mhux jistgħu jiġu distribwiti qbil minn id-diġita waqt is-switċing veloċi, possibilment bil-ġenbu ta' overvoltazz u fail ta' waħda minn id-diġita.
Soluzzjonijiet: Huwa meħtieġ silġ attivi jew passivi kompliċati ta' bilans ta' voltazz (pereżempju, silġ snubber, kontroll ta' gate) biex iforżaw il-mixja ta' voltazz, li jiżdied il-kompliċizzazzjoni tas-sistema u s-silġ.
2. Topoloġiji ta' Konverter Multilevel (Agħar Għażla għall-SST Attwalment)
2.1 Prinċipju: Dan huwa konċett "modular serjal" aġġar avanżat u performanti. Jġeniera approssimazzjoni tal-sinewave bl-użu ta' livelli multilevel, biex tkun kull diġita switċar tikserbha sew da' l-voltazz totali tal-bus DC.
2.2 Topoloġiji Komuni:
Konverter Modular Multilevel (MMC): Wieda mill-għażlijiet aħar favuriti għall-SST ta' voltazz medju u alt. Ikonsisti mill-konnessjoni serjal ta' diversi submodules (SMs) identiċi. Kull submodule ħażin inkludiv kapasitàr u diversi diġita switċar. Id-diġita serbhu biss il-voltazz tal-kapasitàr tal-submodule, effettivament solvend il-problema tal-stress tal-voltazz. Avvantaggi inkludiv modularity, scalability, u kalità tal-output waveform eccellenza.
Konverter Multilevel tal-Kapasitàr Volante (FCMC) u Konverter Multilevel tal-Diode Clamped (DNPC): Anki huma strutturi multilevel komuni, iżda jkunu strutturali u kontrolu kompliċati meta s-silġ tal-livelli jżidu.
Avvantaggi: Solvi fundamentali r-limitazzjoni tal-voltazz ta' id-diġita individwali, jisbetta signifikantement il-kalità tal-output waveform, u jżidu s-silġ tal-filtru.
3. Struttura Kaskata Input-Serjal Output-Parallel (ISOP)
Prinċipju: Diversi unitajiet komplet, indipendenti ta' konverżjoni tal-enerġija (pereżempju, DAB, Dual Active Bridge) ikkonnessi b'input serjal biex isserġu l-voltazz għoli u output parallel biex jagħmlu corrent aġġar. Dan huwa soluzzjoni modulare tas-sistema.
Avvantaggi: Kull unita hija modulu standard ta' voltazz bass, semplifikand it-design, it-manufacturing, u l-maintenance. Affidabilità aġġar (fail ta' waħda minn l-unitajiet mhux jiġborba l-operazzjoni tas-sistema oħra). Mhux appropriat għall-filosofija ta' design modulare ta' SST.
4. Rinforzo Intern: Inovazzjoni Teċnoloġika fl-Livell tad-Diġita (Direzzjoni ta' Develupp futur)
Dan l-approċċ solvi fundamentali l-is-suġġett mill-perspettivi tal-materiali wetensk u fizika tas-semiconductors.
4.1 Użu ta' Diġita Semiconductors ta' Bandgap Wid
Prinċipju: Materiali semiconductors ġdida bħal carbide tal-silġ (SiC) u nitru tal-gallju (GaN) għandhom fields elektriki ta' breakdown kritiku b'ordni ta' grandezza aġġar minn is-silġ tradizzjonali (Si). Dan ifisser li d-diġita ta' SiC jistgħu jiġu raggiunti ratings tal-voltazz aġġar kemm fuq l-istess spessor minn d-diġita ta' Si.
Avvantaggi:
Rating ta' Voltazz Aġġar: Waħda minn SiC MOSFET tista' tirraggiungi sew lejn 10 kV, mentri l-IGBTs ta' silġ solitarji huma limitati sew lejn 6.5 kV. Dan jippermetti topoloġiji SST semplifikati (biex jżidu n-numru ta' diġita serjal ikkonnessi).
Effiċjenza Aġġar: Id-diġita ta' bandgap wid joffru resistanza ta' konduzzjoni u switching losses infeż, allowand lil SST biex joprawa b'frekwenzijiet aġġar, bil-ġenbu jżidu s-silġ u l-ippeż ta' komponenti magneti (transformers, inductors).
Status: Diġita ta' SiC ta' voltazz aġġar huma attwalment suġġett ta' riċerka aħjar fit-teknoloġija ta' SST u jkunu konsidrat bħala teknoloġija enabling uffiċjali għal designs futur SST disruptive.
4.2 Teknoloġija Superjunction
Prinċipju: Tekniku avanżat għal MOSFETs based tas-silġ li jintroduċi regions ta' P-type u N-type alternativi biex jmodifika l-distribuzzjoni tal-field elektriku, bl-ġenbu jibdil drastikament il-capabilità tal-blocking tal-voltazz waqt ma jiġu mantieni l-on-resistance bass.
Aplikazzjoni: Użu primarju f'dispożitivi b'valur tal-tensjun bejn 600 V u 900 V. Applikat fis-silġ tan-tensjun bażiku jew fis-sezzjonijiet ta' potenza żgħira ta' SSTs, imma għaddeh ma jkunux sufficjenti għal applikazzjonijiet ta' tinsil meħtieġa diretta.
5. Konfront
| Approċess Soluzzjonijiet | Metodu Speċifiċi | Prinċipju Kardinale | Avvantaggi | Svantaggi | Maturità |
| Kolabbrazzjoni Esterna | Konnessjoni Serja tal-Dispożitivi | Dispożitivi multipli jagħmlu xiġna votaġġ | Prinċipju simpli, tista' tkun realizzata b'silġa | Diffikli li nqasam il-votaġġ dinamiċament, kontroll komplikat, sfida kbira għal affidabilità | Madura |
| Konvertitur Multi-Livell (pereżempju, MMC) | Sub-moduli modulari ikonnessjaw f'serja, kwar modul jaffronta votaġġ bass | Modulari, ċiklu ħalih, kwaliż tal-forma tal-onda tiegħu ħafna, affidabilità alta | Numru kbir ta' sub-moduli, kontrol komplikat, kost relativament alt | Mainstream Aġent / Madura | |
| Struttura Kaskaduta (pereżempju, ISOP) | Unitajiet standard tal-konverżjoni ikonnessjaw f'serja fl-input | Modulari, tolleranza għall-falti fort, dissenj sempliċi | Irriġiżixxu trasformatori multipli ta' isolazzjoni, il-volum tas-sistema jista' jkun kbir | Madura | |
| Intern (Innovazzjoni tal-Dispożitiv) | Semikundutturi tal-Banda Largh (SiC/GaN) | Il-material stess għandu l-kamp elettriku ta' rottura għoli, u l-affront tal-votaġġ huwa forte naturalment | Affront tal-votaġġ għoli, effiċjenza għoli, freqwenza għoli, topoloġija semplifikata | Kost għoli, teknoloġija tal-drivjar u tal-protezzjoni qed tgħaddi | Direzjoni tal-Futur / Dwejjar Rapidi |
| Tecnoloġija Super Junction | Ottimizżazzjoni tal-distribuzzjoni interna tal-kamp elettriku tal-dispożitiv | Prestazzjoni migliorati minn dak tradizzjonali | Għandha limit superjuri għal livell affront tal-votaġġ, diffikli li taffronta votaġġ medju | Madura (użata fil-kamp tal-bassa votaġġ) |
Kif hemm jindirizzaw l-limitazzjonijiet tal-voltatt fil-dispositivi semikonducenti ta' potenza f'SSTs?
Is-soluzzjoni prattika u rilabbli l-aktar fl-aħħar hija l-adopsjoni ta' topoloġiji ta' konverturi multilivell (speċjalment Modular Multilevel Converters, MMC) jew strutturi ISOP (input-series output-parallel) mekkanizzati. Dawn il-metodi, basati fuq dispositivi bazeż silicju miftuħ, jikbissu l-bottaluna tal-voltatt tad-dispositiv individwali permezz ta' arkitetturi sustenati kompliċati.
Is-soluzzjoni funzamentali għall-ġimgħa hija l-matürità u t-tneħħija tal-kost ta' dispositivi semikonducenti tal-bandgap ħafna b'voltatt għoli, speċjalment silicon carbide (SiC). Waqt li dan jiġi realizzat, is-sistemi SST jistgħu jiġu semplifikati b'mod sostanzjali, bil-possibilità ta' pass xieraq f'effiċjenza u dencità ta' potenza.
Fl-riċerka u l-lanġas ta' SST reali, teknoloġiji differenti solit jinkombinaw—for example, l-użu ta' topoloġija MMC bl-użu ta' dispositivi SiC—biex jingħataw prestazzjoni u rilabbiltà ottimali.
