SST-spanningsuitdagingen: Topologieën & SiC-technologie

Een van de kernuitdagingen van Solid-State Transformers (SST) is dat de spanningklasse van een enkel stroomkringhalfgeleiderapparaat verre van voldoende is om rechtstreeks te werken met middenspanningsverdelingsnetwerken (bijv. 10 kV). Het aanpakken van deze spanningsbeperking berust niet op één technologie, maar eerder op een "combinatiebenadering". De belangrijkste strategieën kunnen worden ingedeeld in twee categorieën: "intern" (door technologische en materiaalinnovatie op apparaatniveau) en "externe samenwerking" (door schakelingsconfiguraties).

1.Externe Samenwerking: Oplossen via Schakelingsconfiguraties (Momenteel de Meest Gepopulariseerde en Volwassen Benadering)
Dit is momenteel de meest betrouwbare en breed toegepaste benadering in middenspanning- en hogespannings, hoogvermogens toepassingen. Het kernidee is "sterk door eenheid"—het gebruik van serieschakelingen of modulaire combinaties van meerdere apparaten om de hoge spanning te delen.

1.1 Serieschakeling van Apparaten

 Principe: Meerdere schakelapparaten (bijv. IGBT's of SiC MOSFET's) worden direct in serie verbonden om gezamenlijk hoge spanning te weerstaan. Dit is analoog aan het in serie verbinden van meerdere batterijen om een hogere spanning te bereiken.

 Belangrijke Uitdagingen:

• Dynamische Spanningsbalans: Vanwege kleine parameterverschillen tussen apparaten (bijv., schakelsnelheid, junctioncapaciteit), kan de spanning tijdens snelle schakelingen niet gelijkmatig over de apparaten worden verdeeld, wat kan leiden tot overspanning en falen van een apparaat.

• Oplossingen: Complexe actieve of passieve spanningsbalansschakelingen (bijv., demperschakelingen, gatecontrole) zijn vereist om spanningsdeling af te dwingen, waardoor de systeemcomplexiteit en -kosten toenemen.

2. Multiniveauschakelaars (Huidige Keuze voor SST)

2.1 Principe: Dit is een meer geavanceerde en hoger presterende "modulaire serie" concept. Het genereert een gestapeld benadering van een sinusgolf met behulp van meerdere spanningsniveaus, zodat elk schakelapparaat slechts een fractie van de totale DC-busspanning hoeft te weerstaan.

2.2 Algemene Topologieën:

• Modulaire Multiniveauschakelaar (MMC): Een van de meest favoriete topologieën voor middenspanning- en hogespanning SST's. Het bestaat uit talloze identieke submodules (SM's) die in serie zijn verbonden. Elke submodule bevat doorgaans een condensator en verschillende schakelapparaten. Apparaten weerstaan alleen de spanning van de condensator van de submodule, waardoor effectief de spanningstressproblemen worden opgelost. Voordelen zijn modulariteit, schaalbaarheid en uitstekende uitgangsgolfformulekwaliteit.

• Flying Capacitor Multiniveauschakelaar (FCMC) en Diode-Clamped Multiniveauschakelaar (DNPC): Ook veel gebruikte multiniveaustructuren, maar worden structureel en controletechnisch complexer naarmate het aantal niveaus toeneemt.

• Voordelen: Fundamenteel oplost de spanningklassebeperking van individuele apparaten, verbetert aanzienlijk de kwaliteit van de uitgangsspanningsgolf en vermindert de grootte van filters.

3. Serie-Invoer Parallel-Uitvoer (ISOP) Gecascardeerde Structuur

• Principe: Meerdere complete, onafhankelijke stroomomzettingsunits (bijv. DAB, Dual Active Bridge) worden verbonden met hun invoer in serie om hoge spanning te weerstaan en hun uitvoer parallel om hoge stroom te leveren. Dit is een systeemniveau modulaire oplossing.

• Voordelen: Elk element is een laagspanningsstandaardmodule, wat het ontwerp, de productie en het onderhoud vereenvoudigt. Hoog betrouwbaar (falend van een eenheid verstoort de algemene systeemoperatie niet). Zeer geschikt voor de modulaire ontwerpfilosofie van SST.

4. Interne Versterking: Technologische Innovatie op Apparaatniveau (Toekomstige Ontwikkelingsrichting)

Deze benadering lost fundamenteel het probleem aan vanuit het perspectief van materialenwetenschappen en halfgeleiderfysica.

4.1 Gebruik van Breedbandhalfgeleiders

Principe: Nieuwe generatie halfgeleidermaterialen zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) hebben kritische breuk elektrische velden die een orde van grootte hoger zijn dan traditioneel silicium (Si). Dit betekent dat SiC-apparaten bij dezelfde dikte veel hogere spanningklassen kunnen bereiken vergeleken met Si-apparaten.
Voordelen:

• Hogere Spanningsklasse: Een enkele SiC MOSFET kan nu gemakkelijk spanningklassen boven de 10 kV bereiken, terwijl silicium IGBT's doorgaans beperkt zijn tot onder de 6,5 kV. Dit maakt eenvoudigere SST-topologieën mogelijk (met minder in serie verbonden apparaten).

• Hoger Efficiëntie: Breedbandhalfgeleiders bieden lagere geleidingsweerstanden en schakelverliezen, waardoor SST's op hogere frequenties kunnen werken, waardoor de grootte en het gewicht van magnetische componenten (transformatoren, spoelen) aanzienlijk verminderd worden.
  

• Status: Hogespanning SiC-apparaten zijn momenteel een heet onderwerp in SST-onderzoek en worden beschouwd als een sleuteltechnologie voor toekomstige disruptieve SST-ontwerpen.

4. 2 Superjunction Technologie

• Principe: Een geavanceerde techniek voor silicium gebaseerde MOSFET's die wisselende P-type en N-type pilaarregio's introduceert om de elektrisch veldverdeling te veranderen, waardoor de spanningblokkeringcapaciteit aanzienlijk wordt verbeterd terwijl de lage weerstand wordt behouden.

• Toepassing: Voornamelijk gebruikt in apparaten met spanningklassen tussen 600 V en 900 V. Toegepast aan de laagspanningszijde of lagere vermogenssecties van SST's, maar nog ontoereikend voor directe middenspanningsapplicaties.

5. Vergelijking

Hoe omgaan met de spanningklassebeperkingen van stroomkringhalfgeleiderapparaten in SST's?

• De meest praktische en betrouwbare oplossing op dit moment is het gebruik van multiniveauschakelaartopologieën (vooral Modulaire Multiniveauschakelaars, MMC) of gecascadeerde input-serie output-parallel (ISOP) structuren. Deze benaderingen, gebaseerd op volwassen silicium gebaseerde apparaten, omzeilen de spanningklasseknelpunt van individuele apparaten door geavanceerde systeemniveau architecturen.

• De fundamentele oplossing voor de toekomst ligt in de volwassenheid en kostenreductie van hoge-spannings breedbandhalfgeleiderapparaten, vooral siliciumcarbide (SiC). Zodra dit gerealiseerd is, kunnen SST-topologieën aanzienlijk worden vereenvoudigd, waardoor een sprong voorwaarts in efficiëntie en vermogsdichtheid mogelijk wordt.

In de daadwerkelijke SST-onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteiten worden vaak meerdere technologieën gecombineerd—bijvoorbeeld, het gebruik van een MMC-topologie met SiC-apparaten—om optimale prestaties en betrouwbaarheid te bereiken.