Проблемы с напряжением SST: Топологии и технологии SiC
Одним из ключевых вызовов для твердотельных трансформаторов (SST) является то, что напряжение, которое может выдержать одно силовое полупроводниковое устройство, намного недостаточно для прямой работы с сетями среднего напряжения (например, 10 кВ). Решение этой проблемы напряжения не зависит от одной технологии, а требует "комбинированного подхода". Основные стратегии можно разделить на два типа: "внутренние" (через технологические и материальные инновации на уровне устройства) и "внешнее сотрудничество" (через топологию цепи).
1. Внешнее сотрудничество: Решение через топологию цепи (на данный момент самый популярный и зрелый подход)
Это наиболее надежный и широко применяемый подход в средних и высоких напряжениях, при высокой мощности. Его основная идея — "сила в единстве" — использование последовательных соединений или модульных комбинаций нескольких устройств для распределения высокого напряжения.
1.1 Последовательное соединение устройств
Принцип: Несколько переключающихся устройств (например, IGBT или SiC MOSFET) непосредственно соединяются последовательно, чтобы совместно выдерживать высокое напряжение. Это аналогично подключению нескольких батарей последовательно для достижения более высокого напряжения.
Основные проблемы:
Динамическое распределение напряжения: Из-за небольших различий в параметрах устройств (например, скорость переключения, ёмкость перехода) напряжение не может быть равномерно распределено между устройствами во время высокоскоростного переключения, что может привести к перенапряжению и отказу одного из устройств.
Решения: Требуются сложные активные или пассивные схемы распределения напряжения (например, снабберные цепи, управление затвором), чтобы обеспечить распределение напряжения, что увеличивает сложность и стоимость системы.
2. Многоуровневые топологии преобразователей (основной выбор для SST сегодня)
2.1 Принцип: Это более продвинутая и высокопроизводительная концепция "модульной серии". Она генерирует ступенчатую аппроксимацию синусоидальной волны, используя несколько уровней напряжения, так что каждое переключающее устройство выдерживает только часть общего постоянного напряжения шины.
2.2 Общие топологии:
Модульный многоуровневый преобразователь (MMC): Одна из самых популярных топологий для SST среднего и высокого напряжения. Он состоит из множества идентичных подмодулей (SM), соединенных последовательно. Каждый подмодуль обычно включает конденсатор и несколько переключающих устройств. Устройства выдерживают только напряжение конденсатора подмодуля, эффективно решая проблему напряженности. Преимущества включают модульность, масштабируемость и отличное качество выходной формы сигнала.
Многоуровневый преобразователь с летающими конденсаторами (FCMC) и многоуровневый преобразователь с диодным зажимом (DNPC): Также часто используемые многоуровневые структуры, но становятся структурно и по контролю сложными с увеличением числа уровней.
Преимущества: Фундаментально решает ограничение по напряжению каждого устройства, значительно улучшает качество выходной формы напряжения и уменьшает размер фильтра.
3. Структура с последовательным входом и параллельным выходом (ISOP)
Принцип: Несколько полных, независимых блоков преобразования энергии (например, DAB, двойной активный мост) соединяются последовательно на входе, чтобы выдерживать высокое напряжение, и параллельно на выходе, чтобы обеспечивать высокий ток. Это системное модульное решение.
Преимущества: Каждый блок является стандартным модулем низкого напряжения, упрощая проектирование, производство и обслуживание. Высокая надежность (отказ одного блока не нарушает работу всей системы). Очень подходит для модульной философии проектирования SST.
4. Внутреннее усиление: Технологические инновации на уровне устройства (направление будущего развития)
Этот подход фундаментально решает проблему с точки зрения материаловедения и физики полупроводников.
4.1 Использование полупроводниковых устройств с широкой запрещенной зоной
Принцип: Новые поколения полупроводниковых материалов, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), имеют критическое напряжение пробоя, на порядок выше, чем у традиционного кремния (Si). Это означает, что устройства SiC могут достигать гораздо более высоких напряжений при той же толщине, чем устройства Si.
Преимущества:
Более высокий класс напряжения: Одиночный SiC MOSFET теперь легко может достичь класса напряжения выше 10 кВ, тогда как кремниевые IGBT обычно ограничены ниже 6,5 кВ. Это позволяет упростить топологии SST (сокращая количество последовательно соединенных устройств).
Более высокая эффективность: Устройства с широкой запрещенной зоной предлагают меньшее сопротивление проводимости и потери при переключении, позволяя SST работать на более высоких частотах, что значительно уменьшает размер и вес магнитных компонентов (трансформаторов, дросселей).
Статус: Высоковольтные устройства SiC в настоящее время являются актуальной темой исследований SST и считаются ключевой технологией для будущих революционных дизайнов SST.
4.2 Сверхпереходная технология
Принцип: Продвинутая техника для кремниевых MOSFET, которая вводит чередующиеся P-типа и N-типа столбчатые области, чтобы изменить распределение электрического поля, тем самым значительно улучшая способность блокировать напряжение, сохраняя низкое сопротивление включенного состояния.
Применение: В основном используется в устройствах с классом напряжения от 600 В до 900 В. Применяется на стороне низкого напряжения или в секциях с низкой мощностью SST, но все еще недостаточно для прямого применения в среднем напряжении.
5. Сравнение
