Matatizo ya Kawaida ya Umbo la SST: Mfumo na Teknolojia ya SiC

Mada kubwa ya Solid-State Transformers (SST) ni kwamba daraja la umeme wa kitu moja cha semiconductors hakikosi kutumika kwenye mitandao ya umeme ya kiwango cha kati (kama vile 10 kV). Kusuluhisha hatari hii ya umeme haijalizi kwenye teknolojia moja tu, bali inahitaji "mtazamo wa kuongeza." Mbinu kuu zinaweza kugawanyika kwenye vipengele vya "ndani" (kwa mujibu wa uwezo na ubunifu wa vitu) na "ujumbe wa nje" (kwa mujibu wa mtaani wa circuit).

1. Ujumbe wa Nje: Kupeleka kwa Kutumia Mtaani wa Circuit (Sasa ni Mbinu Iliyopendekezwa sana na imefikia)
Hii ni njia yenye imani na inayotumika sana katika matumizi ya umeme wa kiwango cha kati na juu na nguvu za nguvu. Mawazo yake yanayofaa ni "nguvu ndani ya ushirikiano"—kutumia viunganisho vya mstari au mifano ya moduli za vitu kadhaa kushirikiana kwenye umeme mkubwa.

1.1 Viunganisho vya Mstari vya Vitu

 Mawazo: Vitu kadhaa vya switching (kama vile IGBTs au SiC MOSFETs) vinavyounganishwa kwenye mstari kwa kutumia pamoja ili kukabiliana na umeme mkubwa. Hii inaweza kufanikiwa kama kuinganisha batilie kadhaa kwenye mstari ili kupata umeme mkubwa zaidi.

 Matatizo Makuu:

• Uwasilishaji wa Umeme wa Muda: Kwa sababu ya tofauti ndogo za parameta kati ya vitu (kama vile kasi ya switching, capacitance ya junction), umeme hauwezi kuteulekelezwa kwa busara kwenye vitu wakati wa kasi ya switching, ambayo inaweza kuchanganya au kuchoma kitu moja.

• Solutions: Inahitajika mikando miyadha au mapenzi ya kisawa sawa sawa (kama vile snubber circuits, gate control) ili kufuatilia maendeleo ya umeme, kuboresha umuhimu na gharama za system.

2. Mtaani wa Converter wa Kiwango Cha Juu (Chaguo Linalopendekezwa sana sasa kwa SST)

2.1 Mawazo: Hii ni ufafanuzi wa kiwango cha juu na performance zaidi wa "modular series". Huundapisha approximation ya sine wave kwa kutumia kiwango cha juu cha umeme, ili kila kitu cha switching kubaini sehemu tu ya jumla ya DC bus voltage.

2.2 Mtaani Mawili:

• Modular Multilevel Converter (MMC): Moja ya mtaani yenye upendo sana kwa SSTs ya umeme wa kiwango cha kati na juu. Ina submodules (SMs) mengi yenye sameness yenye viunganisho kwenye mstari. Kila submodule mara nyingi inajumuisha capacitor na vitu kadhaa vya switching. Vitu vinaweza kubaini umeme wa capacitor wa submodule tu, hususan kutatua tatizo la stress ya umeme. Vipato vinavyofaa ni modularity, scalability, na quality nzuri sana ya waveform ya output.

• Flying Capacitor Multilevel Converter (FCMC) na Diode-Clamped Multilevel Converter (DNPC): Pia mtaani ya multilevel yanayotumika sana, lakini huwa mtaani na mawazo ya kudhibiti yanageuka kuwa vigumu kama kiwango cha juu kinongezeka.

• Vipato Vinavyofaa: Husika kwa undani kutatua tatizo la daraja la umeme la vitu vilivyokosekana, kuboresha quality nzuri sana ya waveform ya output, na kuridhisha ukubwa wa filter.

3. Input-Series Output-Parallel (ISOP) Cascaded Structure

• Mawazo: Units zenye power conversion kamili na independent (kama vile DAB, Dual Active Bridge) zinazounganishwa kwa inputs zao kwenye mstari ili kubaini umeme mkubwa na outputs zao kwenye parallel ili kupata current mkubwa. Hii ni suluhisho la moduli la system level.

• Vipato Vinavyofaa: Kila unit ni module rasmi ya low-voltage, inasimulia design, manufacturing, na maintenance. Reliability ya juu (upungufu wa unit moja hauchomeshwi utaratibu wa system kwa ujumla). Ingawa ni vizuri sana kwa mawazo ya modular design ya SST.

4. Ushughulikaji wa Ndani: Ubunifu wa Technological wa Device Level (Mwendo wa Maendeleo wa Baadaye)

Njia hii hutatua tatizo kwa undani kutoka kwa nyuma ya materials science na semiconductor physics.

4.1 Matumizi ya Wide-Bandgap Semiconductor Devices

Mawazo: Materials mpya za semiconductors kama silicon carbide (SiC) na gallium nitride (GaN) ina electric fields za critical breakdown yenye an order of magnitude higher kuliko silicon (Si) rasmi. Hii ina maana ya SiC devices kunaweza kupata daraja la umeme la juu zaidi kwenye uzito sawa sawa kuliko Si devices.
Vipato Vinavyofaa:

• Daraja La Umeme La Juu: SiC MOSFET moja inaweza kupata daraja la umeme la juu zaidi ya 10 kV, huku silicon IGBTs zinategemea chini ya 6.5 kV. Hii inaweza kusimulia SST topologies (kureduka kwa idadi ya vitu vilivyovunganishwa kwenye mstari).

• Efficiency Ya Juu: Devices za wide-bandgap zina resistance ya conduction chache na switching losses, kuboresha SSTs kuwa na kasi ya juu, kwa hivyo kureduka ukubwa na uzito wa components magnetic (transformers, inductors).
  

• Status: Devices za high-voltage SiC zinaenda kwa wingi katika utafiti wa SST na zinachukua kama technologija muhimu ya kuwezesha designs ya SST za baadaye.

4. 2 Superjunction Technology

• Mawazo: Tekniki ya juu kwa silicon-based MOSFETs inayohusisha alternating P-type na N-type pillar regions ili kubadilisha distribution ya electric field, kwa hivyo kuboresha uwezo wa blocking voltage kwa asili na kuendelea kudumisha on-resistance chache.

• Matumizi: Mara nyingi inatumika kwenye devices yenye daraja la umeme kati ya 600 V na 900 V. Inatumika kwenye side ya low-voltage au sections zenye nguvu chache za SST, lakini haijafikia kwa matumizi ya umeme wa kiwango cha kati moja.

5. Mlinganisho

Jinsi ya kutatua matatizo ya daraja la umeme la power semiconductor devices kwenye SSTs?

• Suluhisho sahihi na la imani sasa ni kutumia mtaani wa converter wa kiwango cha juu (hasa Modular Multilevel Converters, MMC) au cascaded input-series output-parallel (ISOP) structures. Mbinu hizi, kwa kutumia devices za silicon zinazofikia, huchukua tatizo la daraja la umeme la vitu vilivyokosekana kwa kutumia mtaani wa system-level wenye ubunifu.

• Suluhisho msingi kwa baadaye litakuwa kwenye matumizi na kupunguza gharama za high-voltage wide-bandgap semiconductor devices, hasa silicon carbide (SiC). Mara hiyo itafanyika, SST topologies zitaweza kusimuliwa sana, kuboresha efficiency na density ya power.

Katika utafiti na ukuaji wa kazi wa SST, teknolojia mingi mara huanaweza kutumika pamoja—kama vile kutumia mtaani wa MMC kwa kutumia devices za SiC—kutatua performance na reliability zinazofaa.