SST napetostni izzivi: Topologije in SiC tehnologija

Ena izmed ključnih težav tranzistorjev s čvrstim stanjem (SST) je, da je napetostna ocena enega močnega polprevodniškega elementa daleč nedovoljna za neposredno obdelavo srednje-napetostnih distribucijskih omrežij (npr. 10 kV). Reševanje tega omejitve napetosti ne temelji na eni sami tehnologiji, ampak piše "kombinacijski pristop". Glavne strategije se lahko razdelijo na dva tipa: "notranje" (skozi tehnološke in materialne inovacije na ravni naprave) in "zunanja sodelovanja" (skozi topologijo vezja).

1. Zunanja sodelovanja: Reševanje skozi topologijo vezja (trenutno najbolj priljubljen in zrel pristop)
To je trenutno najbolj zanesljiv in široko uporabljen pristop v srednje- in visoko-napetostnih, visoko-močnih aplikacijah. Njegova osnovna ideja je "moč v enotnosti" - uporaba serijskih povezav ali modulnih kombinacij več naprav, da delijo visoko napetost.

1.1 Serijska povezava naprav

 Načelo: Več preklapljalnih naprav (npr. IGBT-ji ali SiC MOSFET-i) so direktno serijsko povezane, da skupaj odpirajo visoko napetost. To je podobno serijski povezavi več baterij, da dosežemo višjo napetost.

 Ključne izzive:

• Dinamična uravnavanje napetosti: Zaradi majhnih parametrov med napravami (npr. hitrost preklopa, kapacitancna vez) napetost ni ravnomerno porazdeljena med napravami med hitrim preklopom, kar lahko povzroči previsoko napetost in odpoved ene naprave.

• Rešitve: Za vsiljevanje deljenja napetosti so potrebni kompleksni aktivni ali pasivni vezji za uravnavanje napetosti (npr. snubber vezji, nadzor vrata), kar poveča kompleksnost sistema in stroške.

2. Topologije večnivojskih pretvornikov (trenutno priljubljen izbor za SST)

2.1 Načelo: To je bolj napreden in višje zmogljiv "modulni serijski" koncept. Generira stopnjevno aproksimacijo sinusne valovne oblike z uporabo več nivojev napetosti, tako da vsaka preklapljalna naprava odpira le del celotne DC bus napetosti.

2.2 Pogoste topologije:

• Modularni večnivojski pretvornik (MMC): Eden najbolj priljubljenih topologij za srednje- in visoko-napetostne SST. Sestavljen je iz velikega števila identičnih podmodulov (SM-jev), ki so serijsko povezani. Vsak podmodul običajno vključuje kondenzator in nekaj preklapljalnih naprav. Naprave odpirajo le napetost kondenzatorja podmodula, učinkovito rešitev problema napetostne stresa. Prednosti vključujejo modularnost, merljivost in odlično kakovost izhodne valovne oblike.

• Večnivojski pretvornik z letajočim kondenzatorjem (FCMC) in večnivojski pretvornik z diodnim zavračanjem (DNPC): Prav tako pogosto uporabljene večnivojske strukture, vendar postanejo strukturno in kontrolno zapletene s povečevanjem števila nivojev.

• Prednosti: Temeljito rešijo omejitev napetostne ocene posameznih naprav, bistveno izboljšajo kakovost izhodne valovne oblike in zmanjšajo velikost filtrov.

3. Vhod-serijski, izhod-paralelen (ISOP) kaskadni strukturi

• Načelo: Več popolnih, neodvisnih enot za pretvorbo moči (npr. DAB, Dual Active Bridge) so povezane s svojimi vhodi v serijo, da odpirajo visoko napetost, in izhodi so paralelno povezani, da zagotavljajo visok tok. To je sistemski modularni pristop.

• Prednosti: Vsaka enota je nizkonapetostni standardni modul, kar poenostavlja dizajn, proizvodnjo in vzdrževanje. Visoka zanesljivost (neuspeh ene enote ne moti celotnega delovanja sistema). Zelo primeren za modularni dizajnerski pristop SST.

4. Notranje okrepitve: Inovacije na ravni naprave (smer razvoja v prihodnosti)

Ta pristop temeljito rešuje problem s perspektive materialne znanosti in fizike polprevodnikov.

4.1 Uporaba polprevodnikov s širokim prepustnim pasom

Načelo: Novo generacija polprevodniških materialov, kot sta ogljikov krystal (SiC) in glicin nitrid (GaN), imata kritično lomno električno polje, ki je za red velikosti višje od tradicionalnega silicija (Si). To pomeni, da lahko SiC naprave dosežejo mnogo višje napetostne ocene pri enaki debeli kot Si naprave.
Prednosti:

• Višja napetostna ocena: Ena SiC MOSFET-a lahko zdaj zlahka doseže napetostne ocene nad 10 kV, medtem ko so silicijski IGBT-ji običajno omejeni na manj kot 6,5 kV. To omogoča poenostavitev topologij SST (zmanjšanje števila serijsko povezanih naprav).

• Višja učinkovitost: Polprevodniki s širokim prepustnim pasom ponujajo nižjo prevodno upornost in izgube pri preklopu, kar omogoča, da SST delujejo na višjih frekvencah, zato bistveno zmanjšajo velikost in maso magnetskih komponent (transformatorjev, induktorjev).
  

• Stanje: Viškonapetostne SiC naprave so trenutno živahno temo raziskav SST in se smatrajo za ključno omogočilno tehnologijo za prihodnje revolucionirane dizajne SST.

4. 2 Tehnologija supervezja

• Načelo: Napredna tehnika za silicijske MOSFET-e, ki vsebuje alternirajoče P-tip in N-tip stolpične regije, da spremenijo porazdelitev električnega polja, zato bistveno izboljšajo zmogljivost blokiranja napetosti, hkrati pa ohranjajo nizko uporno vrednost.

• Uporaba: Glavno uporabljena v napravah z napetostnimi oznakami med 600 V in 900 V. Uporabljena na nizkonapetostni strani ali manj močnih delih SST, toda še vedno nedostatno za neposredni srednjonapetostni uporabi.

5. Primerjava

Kako se obravnavajo omejitve napetostne ocene močnih polprevodniških naprav v SST?

• Najbolj praktična in zanesljiva rešitev trenutno je uporaba večnivojskih topologij pretvornikov (zlasti Modularnega večnivojskega pretvornika, MMC) ali kaskadnih struktur vhod-serijskih, izhod-paralelnih (ISOP). Ti pristopi, temelječi na zrelim silicijskih napravah, obidejo omejitve napetostne ocene posameznih naprav skozi sofisticirane sistemsko arhitekturo.

• Temeljita rešitev za prihodnost leži v zrelosti in zmanjšanju stroškov visokonapetostnih polprevodnikov s širokim prepustnim pasom, zlasti ogljikov kristal (SiC). Ko bo to doseženo, topologije SST lahko bistveno poenostavijo, omogočijo preskok naprej v učinkovitosti in gostoti moči.

V dejanski raziskavi in razvoju SST so pogosto kombinirane več tehnologij - na primer, uporaba topologije MMC z uporabo SiC naprav - za dosego optimalne zmogljivosti in zanesljivosti.