SST spenning utfordringer: Topologier & SiC-teknologi

En av de sentrale utfordringene for fasttilstandstransformatorer (SST) er at spenningstoleransen for en enkelt effekthåndteringskomponent er langt for lav til å håndtere mediumspenningsnettverk direkte (f.eks. 10 kV). Å løse denne spenningbegrensningen bygger ikke på én enkelt teknologi, men heller en "kombinasjonsnæringsgang." De viktigste strategiene kan kategoriseres i to typer: "interne" (ved hjelp av teknologisk og materiell innovasjon på komponentnivå) og "eksterne samarbeid" (ved hjelp av kretstopologi).

1. Eksternt Samarbeid: Løsning via Kretstopologi (For Tiden Den Mest Gjengsige og Modne Metoden)
Dette er for tiden den mest pålitelige og bredt anvendte metoden i medium- og høyspenning, høyeffektanvendelser. Dens kjernetanke er "styrke i enhet"—ved bruk av serieforbindelser eller modulære kombinasjoner av flere enheter for å dele høy spenning.

1.1 Komponent Serieforbindelse

 Prinsipp: Flere skiveenheter (f.eks. IGBT-er eller SiC MOSFET-er) kobles direkte i serie for å kollektivt takle høy spenning. Dette er analogt med å koble flere batterier i serie for å oppnå høyere spenning.

 Kjerneutfordringer:

• Dynamisk spenningbalansering: På grunn av små parametriske forskjeller mellom enheter (f.eks. skivehastighet, junctionkapasitets), kan spenningen ikke jevnt fordeler seg over enhetene under hurtig skiving, noe som potensielt kan føre til overbelasting og mislykket enhet.

• Løsninger: Det kreves komplekse aktive eller passive spenningbalanserende kretser (f.eks. snubberkretser, portkontroll) for å tvinge spenningfordeling, noe som øker systemkompleksiteten og -kostnadene.

2. Flernivåkonvertertopologier (Hovedvalg for SST I Dag)

2.1 Prinsipp: Dette er et mer avansert og høyereytende "modulært serie" konsept. Det genererer en trinnvis tilnærming til en sinusbølge ved hjelp av flere spenningsnivåer, slik at hver skiveenhet bare må takle en brøkdel av den totale DC-busspenningen.

2.2 Vanlige topologier:

• Modulær flernivåkonverter (MMC): En av de mest favoriserte topologiene for medium- og høyspenning SST-er. Den består av mange identiske submoduler (SM-er) koblet i serie. Hver submodul inkluderer vanligvis en kondensator og flere skiveenheter. Enheter holder bare ut spenningen av submodulens kondensator, noe som effektivt løser spenningstressproblemet. Fordeler inkluderer modularitet, skalbarhet og fremragende utdata bølgemønsterkvalitet.

• Flygende kapasitorflernivåkonverter (FCMC) og diode-klemmet flernivåkonverter (DNPC): Også vanlige flernivåstrukturer, men blir strukturelt og kontrollmessig komplekse når antallet nivåer øker.

• Fordeler: Løser grunnleggende spenningstoleransebegrensningen for individuelle enheter, forbedrer betydelig utdata spenningbølgemønsterkvalitet, og reduserer filterstørrelsen.

3. Inn-data Serie Ut-data Parallell (ISOP) Kaskade Struktur

• Prinsipp: Flere komplette, uavhengige effektkonverteringseenheter (f.eks. DAB, Dual Active Bridge) kobles med deres innganger i serie for å takle høy spenning og utganger parallelt for å levere høy strøm. Dette er en systemnivåmodulær løsning.

• Fordeler: Hver enhet er en lavspenningsstandardmodul, forenkler design, produksjon og vedlikehold. Høy pålitelighet (feil i en enhet forstyrrer ikke det overordnede systemet). Veldig egnet for det modulære designfilosofien til SST.

4. Intern Forsterkning: Teknologisk Innovasjon på Komponentnivå (Fremtidig Utviklingsretning)

Denne tilnærmingen løser problemet grunnleggende fra perspektivet av materialvitenskap og halvlederfysikk.

4.1 Bruk av bredbandhalvlederkomponenter

Prinsipp: Nygenerasjon halvledermaterialer som silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) har kritiske nedbrytningsfelt en orden større enn tradisjonell silisium (Si). Dette betyr at SiC-enheter kan oppnå mye høyere spenningstoleranser ved samme tykkelse sammenlignet med Si-enheter.
Fordeler:

• Høyere spenningstoleranse: En enkelt SiC MOSFET kan nå lett nå spenningstoleranser over 10 kV, mens silisium IGBT-er typisk er begrenset til under 6,5 kV. Dette gjør SST-topologier enklere (reduserer antallet seriekoblet enheter).

• Høyere effektivitet: Bredbandkomponenter tilbyr lavere ledningsmotstand og skivekostnader, noe som tillater SST-er å operere på høyere frekvenser, noe som betydelig reduserer størrelsen og vekten av magnetiske komponenter (transformatorer, induktorer).
  

• Status: Høyspenning SiC-enheter er for tiden et populært emne i SST-forskning og regnes som en nøkkelteknologi for fremtidige forstyrrende SST-designer.

4. 2 Superjunction-teknologi

• Prinsipp: En avansert teknikk for silisiumbaserte MOSFET-er som introduserer alternerende P-type og N-type stolpeområder for å endre elektriske feltfordeling, noe som betydelig forbedrer spenningstoleranse mens den beholder lav motstand.

• Anvendelse: Hovedsakelig brukt i enheter med spenningstoleranser mellom 600 V og 900 V. Anvendt på lavspenningsiden eller lavereffektsider av SST-er, men fortsatt utilstrekkelig for direkte mediumspenninganvendelser.

5. Sammenligning

Hvordan adressere spenningstoleransebegrensningene for effekthåndteringskomponenter i SST-er?

• Den mest praktiske og pålitelige løsningen for tiden er å benytte flernivåkonvertertopologier (spesielt modulære flernivåkonverter, MMC) eller kaskade inn-data serie ut-data parallell (ISOP) strukturer. Disse tilnærmingene, basert på modne silisiumbaserte enheter, omgår spenningstoleranseflaskehalsen for individuelle enheter gjennom sofistikerte systemnivåarkitekturer.

• Den fundamentale løsningen for fremtiden ligger i modenhet og kostnadsreduksjon av høyspenning bredbandhalvlederkomponenter, spesielt silisiumkarbid (SiC). Når dette er realisert, kan SST-topologier bli betydelig forenklet, noe som muliggjør en språngvis forbedring i effektivitet og effekttetthet.

I faktisk SST-forskning og -utvikling kombineres ofte flere teknologier—f.eks. ved å bruke en MMC-topologi med SiC-enheter—for å oppnå optimal ytelse og pålitelighet.