Desafios de Tensão SST: Topologias & Tecnologia SiC

Um dos principais desafios dos Transformadores de Estado Sólido (SST) é que a classificação de tensão de um único dispositivo semicondutor de potência é muito insuficiente para lidar diretamente com redes de distribuição de média tensão (por exemplo, 10 kV). Resolver essa limitação de tensão não depende de uma única tecnologia, mas sim de uma "abordagem combinada". As principais estratégias podem ser categorizadas em dois tipos: "interna" (através de inovação tecnológica e material no nível do dispositivo) e "colaboração externa" (através da topologia do circuito).

1. Colaboração Externa: Resolvendo via Topologia de Circuito (Atualmente a Abordagem Mais Mainstream e Madura)
Esta é atualmente a abordagem mais confiável e amplamente aplicada em aplicações de média e alta tensão, alta potência. Sua ideia central é "força na unidade"—usando conexões em série ou combinações modulares de múltiplos dispositivos para compartilhar a alta tensão.

1.1 Conexão em Série de Dispositivos

 Princípio: Múltiplos dispositivos de comutação (por exemplo, IGBTs ou SiC MOSFETs) são conectados diretamente em série para suportar coletivamente a alta tensão. Isso é análogo a conectar múltiplas baterias em série para alcançar uma tensão mais alta.

 Desafios Principais:

• Balanceamento Dinâmico de Tensão: Devido a pequenas diferenças nos parâmetros entre os dispositivos (por exemplo, velocidade de comutação, capacitância de junção), a tensão não pode ser distribuída uniformemente entre os dispositivos durante a comutação de alta velocidade, potencialmente causando sobretensão e falha em um dispositivo.

• Soluções: São necessários circuitos complexos de balanceamento de tensão ativos ou passivos (por exemplo, circuitos snubber, controle de gate) para forçar o compartilhamento de tensão, aumentando a complexidade e o custo do sistema.

2. Topologias de Conversores Multinível (Escolha Mainstream para SST Hoje)

2.1 Princípio: Este é um conceito mais avançado e de alto desempenho de "série modular". Ele gera uma aproximação em degraus de uma onda senoidal usando múltiplos níveis de tensão, de modo que cada dispositivo de comutação suporte apenas uma fração da tensão total do barramento DC.

2.2 Topologias Comuns:

• Conversor Modular Multinível (MMC): Uma das topologias mais favoritas para SSTs de média e alta tensão. Consiste em numerosos submódulos (SMs) idênticos conectados em série. Cada submódulo geralmente inclui um capacitor e vários dispositivos de comutação. Os dispositivos suportam apenas a tensão do capacitor do submódulo, resolvendo efetivamente o problema de estresse de tensão. As vantagens incluem modularidade, escalabilidade e excelente qualidade de onda de saída.

• Conversor Multinível de Capacitor Voador (FCMC) e Conversor Multinível com Diodos de Clamping (DNPC): Estruturas multinível também comumente usadas, mas se tornam estruturalmente e de controle complexas à medida que o número de níveis aumenta.

• Vantagens: Resolve fundamentalmente a limitação de classificação de tensão de dispositivos individuais, melhora significativamente a qualidade da onda de tensão de saída e reduz o tamanho do filtro.

3. Estrutura em Cascata de Entrada em Série Saída em Paralelo (ISOP)

• Princípio: Múltiplas unidades de conversão de potência completas e independentes (por exemplo, DAB, Ponte Ativa Dupla) são conectadas com suas entradas em série para suportar alta tensão e saídas em paralelo para fornecer alta corrente. Esta é uma solução modular no nível do sistema.

• Vantagens: Cada unidade é um módulo padrão de baixa tensão, simplificando o design, a fabricação e a manutenção. Alta confiabilidade (a falha de uma unidade não interrompe a operação geral do sistema). Altamente adequado para a filosofia de design modular de SST.

4. Reforço Interno: Inovação Tecnológica no Nível do Dispositivo (Direção de Desenvolvimento Futuro)

Esta abordagem aborda fundamentalmente o problema das perspectivas da ciência dos materiais e da física dos semicondutores.

4.1 Uso de Dispositivos Semicondutores de Grande Largura de Banda

Princípio: Novos materiais semicondutores, como carbeto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN), têm campos elétricos críticos de ruptura uma ordem de magnitude maior do que o silício tradicional (Si). Isso significa que os dispositivos SiC podem atingir classificações de tensão muito maiores na mesma espessura em comparação com os dispositivos Si.
Vantagens:

• Classificação de Tensão Maior: Um único SiC MOSFET pode agora facilmente atingir classificações de tensão acima de 10 kV, enquanto IGBTs de silício são tipicamente limitados a abaixo de 6,5 kV. Isso permite topologias de SST simplificadas (reduzindo o número de dispositivos conectados em série).

• Maior Eficiência: Dispositivos de grande largura de banda oferecem menor resistência de condução e perdas de comutação, permitindo que os SSTs operem em frequências mais altas, reduzindo significativamente o tamanho e o peso dos componentes magnéticos (transformadores, indutores).
  

• Status: Dispositivos SiC de alta tensão são atualmente um tópico quente na pesquisa de SST e são considerados uma tecnologia habilitadora-chave para designs de SST disruptivos futuros.

4.2 Tecnologia Superjunction

• Princípio: Uma técnica avançada para MOSFETs baseados em silício que introduz regiões alternadas de pilares P e N para alterar a distribuição do campo elétrico, melhorando significativamente a capacidade de bloqueio de tensão, mantendo uma baixa resistência de ligação.

• Aplicação: Principalmente usada em dispositivos com classificações de tensão entre 600 V e 900 V. Aplicada no lado de baixa tensão ou seções de menor potência de SSTs, mas ainda insuficiente para aplicações de média tensão direta.

5. Comparação

Como abordar as limitações de classificação de tensão dos dispositivos semicondutores de potência em SSTs?

• A solução mais prática e confiável no momento é adotar topologias de conversores multinível (especialmente Conversores Modulares Multinível, MMC) ou estruturas em cascata de entrada em série saída em paralelo (ISOP). Essas abordagens, baseadas em dispositivos maduros de silício, contornam a garrafa de pescoço de classificação de tensão de dispositivos individuais através de arquiteturas sofisticadas no nível do sistema.

• A solução fundamental para o futuro reside na maturação e redução de custo de dispositivos semicondutores de alta tensão de grande largura de banda, especialmente o carbeto de silício (SiC). Uma vez realizada, as topologias de SST podem ser significativamente simplificadas, permitindo um salto em eficiência e densidade de potência.

Na pesquisa e desenvolvimento real de SST, muitas vezes são combinadas várias tecnologias—por exemplo, usar uma topologia MMC com dispositivos SiC—para alcançar o desempenho e a confiabilidade ótimos.