SST वोल्टेज चुनौतियाँ: टोपोलजी र SiC टेक्

ठोस अवस्थाको ट्रान्सफर्मरहरू (SST) को मुख्य चुनौती भनेको एकल विद्युत सेमीकंडक्टर डिभाइसको वोल्टेज रेटिंग लामो वोल्टेज वितरण नेटवर्कहरू (उदाहरणका लागि, 10 kV) को साथ सीधा प्रभावित हुन गरी बहुत नपुगुन हुनु छ। यो वोल्टेज सीमाको समस्यालाई लामो गर्ने एकल प्रযुक्तिको उपरान्त एक "संयोजन दृष्टिकोण" आवश्यक छ। मुख्य रणनीतिहरू दुई प्रकारमा वर्गीकृत गरिन सकिन्छ: "आंतरिक" (डिभाइस-स्तरको प्रौद्योगिकी र सामग्री नवावलोकन द्वारा) र "बाह्य सहयोग" (सर्किट टोपोलोजी द्वारा)।

1. बाह्य सहयोग: सर्किट टोपोलोजी द्वारा समाधान (वर्तमान सबैभन्दा मुख्यधारा र परिपक्व दृष्टिकोण)
यो वर्तमान मध्य र उच्च वोल्टेज, उच्च शक्ति अनुप्रयोगहरूमा सबैभन्दा निश्चित र व्यापक रूपमा लागू भएको दृष्टिकोण हो। यसको मुख्य विचार भनेको "एकतामा बल"—अनेक डिभाइसहरूको श्रृंखला जोडाउन वा मॉड्युलर संयोजन गरी उच्च वोल्टेज साझा गर्ने।

1.1 डिभाइस श्रृंखला जोडाउन

 सिद्धांत: अनेक स्विचिङ डिभाइसहरू (उदाहरणका लागि, IGBTs वा SiC MOSFETs) लाई ठूलो वोल्टेज सहन गर्न सीधा श्रृंखला जोडाइन्छ। यो अनेक बैटरीहरूलाई श्रृंखला जोडाउन उच्च वोल्टेज प्राप्त गर्न समान हुन्छ।

 मुख्य चुनौतिहरू:

• गतिशील वोल्टेज बैलेन्सिङ: डिभाइसहरू (उदाहरणका लागि, स्विचिङ गति, जंक्सन क्षमता) बीच थोरै परिमाणको फरकले कारण उच्च गतिको स्विचिङमा वोल्टेज डिभाइसहरूमा समान वितरित नहुन्छ, यसले एक डिभाइसमा ओवरवोल्टेज र विफलता ल्याउन सक्छ।

• समाधान: जटिल सक्रिय वा निष्क्रिय वोल्टेज बैलेन्सिङ सर्किट (उदाहरणका लागि, स्नबर सर्किट, गेट नियन्त्रण) आवश्यक छ जसले वोल्टेज साझा गर्न वाध्य गर्छ, यसले प्रणालीको जटिलता र खर्च बढाउँछ।

2. बहुस्तरीय कन्वर्टर टोपोलोजीहरू (आजको SST को मुख्य चुनाव)

2.1 सिद्धांत: यो एक अग्रगामी र उच्च गुणस्तरको "मॉड्युलर श्रृंखला" विचार हो। यसले अनेक वोल्टेज स्तरहरू द्वारा साइन वेवको एक चरणित अनुमान उत्पन्न गर्छ, जसले प्रत्येक स्विचिङ डिभाइसले कुल DC बस वोल्टेजको एक अंश मात्र सहन गर्छ।

2.2 सामान्य टोपोलोजीहरू:

• मॉड्युलर बहुस्तरीय कन्वर्टर (MMC): मध्य र उच्च वोल्टेज SSTहरूको लागि सबैभन्दा प्रिय टोपोलोजीहरू मध्ये एक। यसमा अनेक समान उप-मॉड्युलहरू (SMs) श्रृंखला जोडिएको छ। प्रत्येक उप-मॉड्युलमा आमतौरले एक क्षमता र केही स्विचिङ डिभाइसहरू छन्। डिभाइसहरूले केवल उप-मॉड्युलको क्षमताको वोल्टेज मात्र सहन गर्छ, यसले वोल्टेज स्ट्रेस समस्यालाई प्रभावी रूपमा समाधान गर्छ। लाभहरूमा मॉड्युलरता, स्केलेबिलिटी, र उत्कृष्ट आउटपुट वेवफार्म गुणस्तर समावेश छ।

• फ्लाइइंग क्षमता बहुस्तरीय कन्वर्टर (FCMC) र डायोड-क्लाम्प्ड बहुस्तरीय कन्वर्टर (DNPC): अन्य सामान्य बहुस्तरीय संरचनाहरू, तर स्तरहरूको संख्या बढेमा संरचनात्मक र नियन्त्रण जटिल बन्छ।

• लाभ: व्यक्तिगत डिभाइसहरूको वोल्टेज रेटिंग सीमा समस्यालाई मूलभूत रूपमा समाधान गर्छ, आउटपुट वोल्टेज वेवफार्म गुणस्तरमा उल्लेखनीय सुधार र फिल्टरको आकार घटाउँछ।

3. इनपुट-श्रृंखला आउटपुट-समान्तर (ISOP) कास्केड संरचना

• सिद्धांत: अनेक पूर्ण, स्वतंत्र शक्ति रूपान्तरण युनिटहरू (उदाहरणका लागि, DAB, डुअल एक्टिभ ब्रिज) लाई उनीहरूको इनपुटहरू श्रृंखला जोडाइ उच्च वोल्टेज सहन गर्न र आउटपुटहरू समान्तर जोडाइ उच्च धारा प्रदान गर्न संयोजन गरिन्छ। यो एक प्रणाली-स्तरको मॉड्युलर समाधान हो।

• लाभ: प्रत्येक युनिट एक निम्न वोल्टेज मानक मॉड्युल हो, यसले डिजाइन, निर्माण, र रक्षण आसान बनाउँछ। उच्च विश्वसनीयता (एक युनिटको विफलता सम्पूर्ण प्रणालीको संचालन बिगार्दैन)। SST को मॉड्युलर डिजाइन दर्शनको लागि अत्यधिक उपयुक्त।

4. आंतरिक बलान्तरण: डिभाइस-स्तरको प्रौद्योगिकी नवावलोकन (भविष्यको विकास दिशा)

यो दृष्टिकोण मूलभूत रूपमा सामग्री विज्ञान र सेमीकंडक्टर भौतिकीको दृष्टिकोणबाट समस्यालाई समाधान गर्छ।

4.1 वाइड-बँडगैप सेमीकंडक्टर डिभाइसहरूको प्रयोग

सिद्धांत: नयाँ पिढी सेमीकंडक्टर सामग्रीहरू जस्तै सिलिकन कार्बाइड (SiC) र गैलियम नाइट्राइड (GaN) ले पारम्परिक सिलिकन (Si) भन्दा एक दशक उच्च विघटन विद्युत क्षेत्र छन्। यो अर्थ छ कि समान मोटावटमा SiC डिभाइसहरू ले Si डिभाइसहरू भन्दा धेरै उच्च वोल्टेज रेटिंग प्राप्त गर्न सक्छ।
लाभ:

• उच्च वोल्टेज रेटिंग: एक एकल SiC MOSFET अब 10 kV भन्दा उपरि वोल्टेज रेटिंग आसानी साथै पुग्छ, जहाँ पर्यन्त सिलिकन IGBTहरू लामो गर्दा 6.5 kV भन्दा तल रहने छन्। यो SST टोपोलोजीहरूलाई सरल बनाउँछ (श्रृंखला-जोडिएको डिभाइसहरूको संख्या घटाउँछ)।

• उच्च दक्षता: वाइड-बँडगैप डिभाइसहरूले निम्न संवहन प्रतिरोध र स्विचिङ नुकसान छन्, जसले SSTहरूलाई उच्च आवृत्तिमा संचालन गर्न सक्षम बनाउँछ, यसले चुंबकीय घटकहरू (ट्रान्सफर्मर, इनडक्टर) को आकार र वजन मेटाउँछ।
  

• स्थिति: उच्च वोल्टेज SiC डिभाइसहरू वर्तमान SST अनुसन्धानको गर्म विषय हुनु र भावी विपरीतात्मक SST डिजाइनको लागि एक महत्वपूर्ण सक्षमकरण प्रौद्योगिकी मानिन्छ।

4. 2 सुपरजंक्सन प्रौद्योगिकी

• सिद्धांत: सिलिकन-आधारित MOSFETहरूको एक अग्रगामी प्रक्रिया जसले वैकल्पिक P-प्रकार र N-प्रकार को खम्भा क्षेत्रहरू सामेल गरेर विद्युत क्षेत्र वितरण बदल्छ, यसले वोल्टेज ब्लकिङ क्षमतालाई बढाउँछ तथा निम्न ऑन-प्रतिरोध बनाएको छ।

• प्रयोग: मुख्यतया ६०० वोल्ट र ९०० वोल्ट के बीच के वोल्टेज रेटिंग भएका उपकरणहरूमा प्रयोग हुन्छ। SSTs को निम्न वोल्टेज तिर वा कम शक्ति वाली खण्डहरूमा लागू गरिन्छ, तर सधैं मध्यवर्गीय वोल्टेज अनुप्रयोगका लागि पर्याप्त छैन।

५. तुलना

कसरी SST मा विद्युत अनुपात संचालक उपकरणहरूको वोल्टेज रेटिंग सीमा सम्बन्धी समस्यालाई समाधान गर्ने?

• वर्तमानमा सबैभन्दा व्यावहारिक र विश्वसनीय समाधान मल्टीलेभल कन्वर्टर टोपोलोजी (विशेष गरी मोड्युलर मल्टीलेभल कन्वर्टर, MMC) वा इनपुट-श्रेणीक्रम आउटपुट-समानान्तर (ISOP) संरचनाहरू अपनाउने हो। यी दृष्टिकोणहरू परिपक्व सिलिकन आधारित उपकरणहरू आधारमा एकल उपकरणको वोल्टेज रेटिंग बोतलमुखीलाई जटिल सिस्टम-स्तरको विन्यास द्वारा टाल्ने छन्।

• भविष्यको मौलिक समाधान उच्च-वोल्टेज व्यापक बैंडगैप सेमीकंडक्टर उपकरणहरू, विशेष गरी सिलिकन कार्बाइड (SiC) को परिपक्वता र लागत घटाउने छ। यसले वास्तविक भएपछि, SST टोपोलोजीहरूलाई ठूलो हक्कले सरल गर्न सकिन्छ, जसले दक्षता र शक्ति घनत्वमा एक लामो लाफ गर्न सक्षम बनाउँदछ।

वास्तविक SST अनुसन्धान र विकासमा, अनेक तकनीकहरू अक्सर जोडिएको छन्—उदाहरणका लागि, SiC उपकरणहरू प्रयोग गरेर MMC टोपोलोजी अपनाउने—अनुकूल प्रदर्शन र विश्वसनीयता प्राप्त गर्न।