IZAZOVI SST NAPONA: Topologije i SiC tehnologija

Jedan od ključnih izazova čvrstih stanja transformatora (SST) jeste da je naponska karakteristika pojedinačnog poluvodičkog napajanja daleko nedovoljna za direktno upravljanje srednjim napajanjem (npr. 10 kV). Rešenje ove ograničenosti ne zavisi od jedne tehnologije, već se oslanja na "kombinovani pristup". Glavne strategije mogu biti podeljene u dve vrste: "interna" (kroz inovacije na nivou uređaja i materijala) i "eksterna saradnja" (kroz topologiju kruga).

1. Eksterna saradnja: Rešavanje putem topologije kruga (Trenutno najglavniji i najzreliji pristup)
Ovo je trenutno najpouzdaniji i najšire primenjen pristup u srednjim i visokim napajanjima, visoko snage. Njegov centralni koncept je "sila u jedinstvu"—koristeći serijalne veze ili modulare kombinacije više uređaja kako bi se podijelilo visoko napajanje.

1.1 Serijska veza uređaja

 Princip: Više prekidnih uređaja (npr. IGBT-ovi ili SiC MOSFET-ovi) direktno su serijski povezani kako bi zajedno izdržali visoko napajanje. Ovo je analogno serijskom spajanju više baterija kako bi se dostiglo više napajanje.

 Ključni izazovi:

• Dinamičko balansiranje napona: Zbog mali razlika u parametrima među uređajima (npr. brzina preključivanja, spojna kapacitansa), napon se ne može ravnomerno raspodijeliti među uređajima tokom brzog preključivanja, što može dovesti do previsokog napona i kvara jednog uređaja.

• Rešenja: Potrebni su složeni aktivni ili pasivni krugovi za balansiranje napona (npr. amortizatorski krugovi, kontrola vrata) kako bi se prisilno delio napon, povećavajući složenost i cenu sistema.

2. Topologije višenivojskih pretvarača (Glavni izbor za SST danas)

2.1 Princip: Ovo je napredniji i višeperformantniji "modularni serijski" koncept. Generiše aproksimaciju sinusne talase koristeći više nivoa napona, tako da svaki prekidni uređaj izdržava samo deo ukupnog DC bus napajanja.

2.2 Uobičajene topologije:

• Modularni višenivojski pretvarač (MMC): Jedna od najpovoljnijih topologija za srednja i visoka napajanja SST. Sastoji se od mnogo identičnih submodula (SM-ova) serijski povezanih. Svaki submodule obično uključuje kondenzator i nekoliko prekidnih uređaja. Uređaji izdržavaju samo napon kondenzatora submodula, efektivno rešavajući problem naponske stresne situacije. Prednosti uključuju modularnost, skalabilnost i odličnu kvalitetu izlazne talase.

• Višenivojski pretvarač sa letajućim kondenzatorom (FCMC) i diodno-zaključeni višenivojski pretvarač (DNPC): Takođe su uobičajene višenivojske strukture, ali postaju strukturno i kontrolno složenije kako broj nivoa raste.

• Prednosti: Fundamentalno rešava ograničenje naponske karakteristike pojedinačnih uređaja, značajno poboljšava kvalitetu izlaznog talasa napona i smanjuje veličinu filtera.

3. Ulaz-serijski Izlaz-paralelni (ISOP) kaskadni sistem

• Princip: Više potpunih, nezavisnih jedinica pretvaranja energije (npr. DAB, Dual Active Bridge) su povezane sa svojim ulazima u seriju kako bi izdržale visoko napajanje, a izlazi su paralelni kako bi dostavljali visoku struju. Ovo je sistemski modularno rešenje.

• Prednosti: Svaka jedinica je standardni modul niskog napajanja, pojednostavljujući dizajn, proizvodnju i održavanje. Visoka pouzdanost (kvar jedne jedinice ne usporava rad celog sistema). Vrlo prikladno za modularni dizajnski princip SST-a.

4. Interno pojačanje: Inovacija na nivou uređaja (Smer budućeg razvoja)

Ovaj pristup fundamentalno rešava problem sa aspekta materijalne nauke i fizike poluvodiča.

4.1 Korišćenje širokospektarskih poluvodičkih uređaja

Princip: Novogeneracijski poluvodički materijali kao što su ugljen-kisik (SiC) i galijum-azot (GaN) imaju kritično polje raspadanja električnog polja redom veličine više nego tradicionalni silicij (Si). To znači da SiC uređaji mogu dostići znatno više naponske karakteristike na istoj debljini u odnosu na Si uređaje.
Prednosti:

• Više naponske karakteristike: Jedan SiC MOSFET lako može dostići naponske karakteristike iznad 10 kV, dok su silicijski IGBT-ovi tipično ograničeni ispod 6,5 kV. To omogućava pojednostavljenje topologija SST (smanjuje broj serijski povezanih uređaja).

• Više efikasnosti: Širokospektarski uređaji nude niže otpornosti provode i gubitke preključivanja, omogućavajući SST da rade na višim frekvencijama, time značajno smanjujući veličinu i težinu magnetskih komponenti (transformatori, induktori).
  

• Status: Visokonaponski SiC uređaji su trenutno aktuelna tema u istraživanju SST i smatraju se ključnom omogućujućom tehnologijom za buduće revolucionarne dizajne SST.

4.2 Super-junction tehnologija

• Princip: Napredna tehnika za silicijske MOSFET-e koja uvodi alternirajuće P-tip i N-tip stupove kako bi promijenila distribuciju električnog polja, značajno poboljšavajući sposobnost blokiranja napona uz održavanje niske otpornosti.

• Primena: Pretežno se koristi u uređajima sa naponskim karakteristikama između 600 V i 900 V. Primjenjuje se na niskonaponskoj strani ili manjeg snaga sekcijama SST-a, ali još uvek nije dovoljno za direktnu srednjonaponsku primenu.

5. Uporedba

Kako se rešiti ograničenja naponske karakteristike poluvodičkih napajanja u SST-ovima?

• Najpraktičnije i najpouzdanije rešenje trenutno je primena višenivojskih topologija pretvarača (posebno Modularni višenivojski pretvarač, MMC) ili kaskadnih ulaz-serijskih izlaz-paralelnih (ISOP) struktura. Ovi pristupi, temeljeni na zrelim silicijskim uređajima, izbegavaju ograničenje naponske karakteristike pojedinačnih uređaja kroz sofisticirane arhitekture na nivou sistema.

• Fundamentalno rešenje za budućnost leži u zrelosti i smanjenju cene visokonaponskih širokospektarskih poluvodičkih uređaja, posebno ugljen-kisik (SiC). Kada to bude ostvareno, topologije SST mogu biti značajno pojednostavljene, omogućujući napredak u efikasnosti i gustoći snage.

U stvarnim istraživanjima i razvoju SST, često se kombinuju više tehnologija—na primer, korišćenje MMC topologije sa SiC uređajima—kako bi se postigli optimalni performansi i pouzdanost.