SST-spänningsutmaningar: Topologier & SiC-teknik

Ett av de centrala utmaningarna för Solid State Transformers (SST) är att spänningsklassningen för en enda effekthalsoledande komponent är långt ifrån tillräcklig för att direkt hantera mellanspänningsnät (t.ex. 10 kV). Att lösa denna spänning begränsning beror inte på en enda teknik, utan snarare en "kombinationsstrategi". De huvudsakliga strategierna kan kategoriseras i två typer: "intern" (genom teknisk och materialinnovation på enhetsnivå) och "extern samverkan" (genom kretstopologi).

1.Extern Samverkan: Lösning via Kretstopologi (För närvarande den mest etablerade och mogna metoden)
Detta är för närvarande den mest tillförlitliga och bredast använda metoden i mellan- och högspännings-, högeffektsapplikationer. Dess kärnide är "styrka i enhet"—att använda seriekopplingar eller modulära kombinationer av flera enheter för att dela den höga spänningen.

1.1 Enhets Seriekoppling

 Princip: Flera växlingsenheter (t.ex. IGBT:er eller SiC MOSFET:er) kopplas direkt i serie för att tillsammans klara av hög spänning. Detta är analogt med att koppla flera batterier i serie för att uppnå en högre spänning.

 Nyckelutmaningar:

• Dynamisk Spänningsbalansering: På grund av små parametervariationer mellan enheter (t.ex. växlingstid, junctionskapacitans), kan spänningen inte jämnt fördelas över enheter under höghastighetssvävning, vilket potentiellt kan orsaka överspänning och misslyckande i en enhet.

• Lösningar: Komplexa aktiva eller passiva spänningsbalanseringskretsar (t.ex. snubberkretsar, gatkontroll) krävs för att tvinga spänningsdelning, vilket ökar systemkomplexitet och kostnad.

2. Flernivåkonverterartopologier (Mest populär val vid dagens SST)

2.1 Princip: Detta är ett mer avancerat och högrepresterande "modulärt serie" koncept. Det genererar en stegvis approximation av en sinusvåg genom att använda flera spänningsnivåer, så att varje växlingsenhet bara klarar en del av den totala DC-bussens spänning.

2.2 Vanliga Topologier:

• Modulär Flernivåkonverter (MMC): En av de mest favoriserade topologierna för mellan- och högspännings-SST. Den består av många identiska submoduler (SM) kopplade i serie. Varje submodul inkluderar vanligtvis en kondensator och flera växlingsenheter. Enheter klarar endast spänningen av submodulens kondensator, vilket effektivt löser spänningsbelastningsproblemet. Fördelar inkluderar modularitet, skalbarhet och utmärkt utmatningsvågkvalitet.

• Flygande Kondensator Flernivåkonverter (FCMC) och Diode-Begränsad Flernivåkonverter (DNPC): Även ofta använda flernivåstrukturer, men blir strukturellt och kontrollmässigt komplexa när antalet nivåer ökar.

• Fördelar: Löst fundamental problemet med enskilda enheters spänningsklassning, förbättrar betydligt utmatningsvågkvaliteten och minskar filterstorlek.

3. Inmatningsserie Utmatningsparallell (ISOP) Kaskaderad Struktur

• Princip: Flera fullständiga, oberoende effektkonverteringenheter (t.ex. DAB, Dual Active Bridge) kopplas med sina inmatningar i serie för att klara av hög spänning och utmatningar parallellt för att leverera hög ström. Detta är en systemnivåmodulär lösning.

• Fördelar: Varje enhet är en lågspänningsstandardmodul, förenklar design, tillverkning och underhåll. Hög tillförlitlighet (misslyckande av en enhet stör inte det totala systemets drift). Mycket lämplig för den modulära designfilosofin hos SST.

4. Intern Förstärkning: Teknisk Innovation på Enhetsnivå (Framtidens Utvecklingsriktning)

Denna metod löser problemet fundamentalt från perspektiven materialvetenskap och halvledarfysik.

4.1 Användning av Bredbandshalvledarenheter

Princip: Nygenerationshalvledarmaterial som siliciumkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) har kritiska brytningsfält en order av storleken högre än traditionell silicium (Si). Detta innebär att SiC-enheter kan uppnå mycket högre spänningsklassningar vid samma tjocklek jämfört med Si-enheter.
Fördelar:

• Högre Spänningsklassning: En enda SiC MOSFET kan nu lätt nå spänningsklassningar över 10 kV, medan silicium IGBT:er vanligtvis begränsas till under 6,5 kV. Detta möjliggör förenklade SST-topologier (minskar antalet seriekopplade enheter).

• Högre Effektivitet: Bredbandshalvledarenheter erbjuder lägre ledningsmotstånd och växlingsförluster, vilket gör att SST kan operera vid högre frekvenser, vilket signifikant minskar storlek och vikt av magnetiska komponenter (transformatorer, induktorer).
  

• Status: Högspännings-SiC-enheter är för närvarande en brännande fråga inom SST-forskning och anses vara en nyckelteknologi för framtida omvälvande SST-designer.

4. 2 Superjunction-teknik

• Princip: En avancerad teknik för siliciumbaserade MOSFET:er som introducerar alternerande P-typ och N-typ pillerregioner för att ändra elektriska fältdistribution, vilket drastiskt förbättrar spänningsblockeringsförmågan samtidigt som det bibehåller lågt på-resistans.

• Användning: Främst används i enheter med spänningsklassningar mellan 600 V och 900 V. Används i den lågspännings-sidan eller lägreffektsektioner av SST, men fortfarande otillräckligt för direkta mellanspänningsapplikationer.

5. Jämförelse

Hur ska man hantera spänningsklassningsbegränsningarna för effekthalsoledande komponenter i SST?

• Den mest praktiska och tillförlitliga lösningen just nu är att använda flernivåkonverterartopologier (särskilt Modular Multilevel Converters, MMC) eller kaskaderade inmatningsserie utmatningsparallella (ISOP) strukturer. Dessa metoder, baserade på mognade siliciumbaserade enheter, undviker spänningsklassningsflaska halsen för enskilda enheter genom sofistikerade systemnivåarkitekturer.

• Den grundläggande lösningen för framtiden ligger i mognaden och kostnadsreduktionen av högspänningsbredbandshalvledarenheter, särskilt siliciumkarbid (SiC). När detta realiseras kan SST-topologier betydligt förenklas, vilket möjliggör ett stort framsteg i effektivitet och effektdensitet.

I faktisk SST-forskning och -utveckling kombineras ofta flera tekniker—till exempel genom att använda en MMC-topologi med SiC-enheter—för att uppnå optimal prestanda och tillförlitlighet.