ความท้าทายของแรงดัน SST: โทโพโลยีและเทคโนโลยี SiC

หนึ่งในความท้าทายหลักของ Solid-State Transformers (SST) คือ การที่อุปกรณ์กึ่งตัวนำไฟฟ้าเพียงชิ้นเดียวมีการจัดอันดับแรงดันไม่เพียงพอที่จะจัดการกับระบบจำหน่ายไฟฟ้าแรงดันกลาง (เช่น 10 kV) ได้โดยตรง การแก้ไขข้อจำกัดเรื่องแรงดันนี้ไม่ได้พึ่งพาเทคโนโลยีใดเทคโนโลยีหนึ่งแต่เป็น "วิธีการผสมผสาน" กลยุทธ์หลักสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: "ภายใน" (ผ่านนวัตกรรมทางเทคโนโลยีและวัสดุในระดับอุปกรณ์) และ "ความร่วมมือภายนอก" (ผ่านโทโพโลยีวงจร)

1. ความร่วมมือภายนอก: การแก้ไขผ่านโทโพโลยีวงจร (ปัจจุบันเป็นวิธีการที่ได้รับความนิยมและมีความสุกงอมากที่สุด)
นี่คือวิธีการที่น่าเชื่อถือและได้รับการใช้งานอย่างกว้างขวางมากที่สุดในปัจจุบันสำหรับแอปพลิเคชันที่มีแรงดันและกำลังสูง แนวคิดหลักคือ "ความแข็งแกร่งจากความสามัคคี"—ใช้การเชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือการรวมโมดูลของอุปกรณ์หลายชิ้นเพื่อแบ่งปันแรงดันสูง

1.1 การเชื่อมต่ออุปกรณ์แบบอนุกรม

 หลักการ: อุปกรณ์สวิตช์หลายชิ้น (เช่น IGBTs หรือ SiC MOSFETs) ถูกเชื่อมต่อแบบอนุกรมโดยตรงเพื่อรับแรงดันสูงร่วมกัน ซึ่งคล้ายกับการเชื่อมต่อแบตเตอรี่หลายชิ้นแบบอนุกรมเพื่อให้ได้แรงดันที่สูงขึ้น

 ปัญหาสำคัญ:

• การแบ่งแรงดันแบบไดนามิก: เนื่องจากความแตกต่างเล็กน้อยของพารามิเตอร์ระหว่างอุปกรณ์ (เช่น ความเร็วในการสวิตช์ ความจุของจุดเชื่อมต่อ) แรงดันไม่สามารถกระจายอย่างเท่าเทียมกันระหว่างอุปกรณ์ในระหว่างการสวิตช์ความเร็วสูง อาจทำให้เกิดแรงดันเกินและเสียหายในอุปกรณ์หนึ่ง

• วิธีการแก้ไข: จำเป็นต้องใช้วงจรแบ่งแรงดันแบบแอคทีฟหรือพาสซีฟที่ซับซ้อน (เช่น วงจร snubber, การควบคุมประตู) เพื่อบังคับให้แบ่งแรงดันอย่างเท่าเทียมกัน ทำให้ความซับซ้อนและความต้นทุนของระบบเพิ่มขึ้น

2. โทโพโลยีคอนเวอร์เตอร์หลายระดับ (ทางเลือกหลักสำหรับ SST ในปัจจุบัน)

2.1 หลักการ: นี่คือแนวคิด "อนุกรมโมดูล" ที่ก้าวหน้าและมีประสิทธิภาพมากขึ้น มันสร้างการประมาณค่าแบบขั้นบันไดของคลื่นไซน์โดยใช้ระดับแรงดันหลายระดับ ทำให้แต่ละอุปกรณ์สวิตช์รับแรงดันเพียงส่วนหนึ่งของแรงดัน DC บัสทั้งหมด

2.2 โทโพโลยีที่พบบ่อย:

• Modular Multilevel Converter (MMC): หนึ่งในโทโพโลยีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับ SST แรงดันกลางและสูง มันประกอบด้วย submodule (SMs) จำนวนมากที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม แต่ละ submodule ทั่วไปแล้วมีคาปาซิเตอร์และอุปกรณ์สวิตช์หลายชิ้น อุปกรณ์เหล่านี้ทนแรงดันแค่ของคาปาซิเตอร์ใน submodule ทำให้แก้ปัญหาเรื่องแรงดันได้อย่างมีประสิทธิภาพ ข้อดีคือความเป็นโมดูล, ความสามารถในการขยายขนาด, และคุณภาพของคลื่นออกที่ยอดเยี่ยม

• Flying Capacitor Multilevel Converter (FCMC) และ Diode-Clamped Multilevel Converter (DNPC): เป็นโครงสร้างหลายระดับที่ใช้บ่อย แต่จะซับซ้อนทั้งโครงสร้างและการควบคุมเมื่อจำนวนระดับเพิ่มขึ้น

• ข้อดี: แก้ปัญหาเรื่องการจัดอันดับแรงดันของอุปกรณ์แต่ละชิ้นได้ในรากฐาน, ปรับปรุงคุณภาพของคลื่นแรงดันออกอย่างมาก, และลดขนาดของฟิลเตอร์

3. โครงสร้าง ISOP (Input-Series Output-Parallel) แบบเชื่อมต่อแบบอนุกรมที่เข้าและขนานที่ออก

• หลักการ: หน่วยแปลงกำลังครบถ้วนและอิสระหลายชิ้น (เช่น DAB, Dual Active Bridge) ถูกเชื่อมต่อแบบอนุกรมที่เข้าเพื่อรับแรงดันสูงและขนานที่ออกเพื่อส่งกระแสสูง นี่คือโซลูชันโมดูลในระดับระบบ

• ข้อดี: แต่ละหน่วยเป็นโมดูลมาตรฐานแรงดันต่ำ ทำให้ง่ายต่อการออกแบบ การผลิต และการบำรุงรักษา ความน่าเชื่อถือสูง (หากหน่วยใดหน่วยหนึ่งเสียหาย จะไม่กระทบการทำงานของระบบโดยรวม) เหมาะสมอย่างยิ่งกับปรัชญาการออกแบบโมดูลของ SST

4. การเสริมแรงภายใน: นวัตกรรมทางเทคโนโลยีในระดับอุปกรณ์ (ทิศทางการพัฒนาในอนาคต)

วิธีการนี้แก้ปัญหาอย่างมีรากฐานจากมุมมองของวิทยาศาสตร์วัสดุและฟิสิกส์กึ่งตัวนำ

4.1 การใช้อุปกรณ์กึ่งตัวนำแบบวงจรแบนกว้าง

หลักการ: วัสดุกึ่งตัวนำรุ่นใหม่ เช่น คาร์ไบด์ซิลิคอน (SiC) และไนไตรด์แกลเลียม (GaN) มีสนามไฟฟ้าที่ทำลายได้สูงกว่าวัสดุซิลิคอน (Si) แบบดั้งเดิมถึงสิบเท่า หมายความว่าอุปกรณ์ SiC สามารถบรรลุการจัดอันดับแรงดันที่สูงขึ้นที่ความหนาเท่ากันเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ Si
ข้อดี:

• การจัดอันดับแรงดันสูง: MOSFET SiC ชิ้นเดียวสามารถบรรลุการจัดอันดับแรงดันเหนือ 10 kV ได้ง่าย ในขณะที่ IGBT ซิลิคอนมักจำกัดอยู่ที่ต่ำกว่า 6.5 kV นี่ทำให้โทโพโลยี SST สามารถลดจำนวนอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมลง

• ประสิทธิภาพสูง: อุปกรณ์วงจรแบนกว้างมีความต้านทานการนำและการสูญเสียจากการสวิตช์ต่ำ ทำให้ SST สามารถทำงานที่ความถี่สูง ทำให้ขนาดและน้ำหนักของส่วนประกอบแม่เหล็ก (ทรานส์ฟอร์เมอร์ อินดักเตอร์) ลดลงอย่างมาก
  

• สถานะ: อุปกรณ์ SiC แรงดันสูงเป็นหัวข้อที่ได้รับความสนใจในงานวิจัย SST และถือเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญในการออกแบบ SST ที่จะเปลี่ยนแปลงในอนาคต

4.2 เทคโนโลยี Superjunction

• หลักการ: เทคนิคขั้นสูงสำหรับ MOSFET บนพื้นฐานของซิลิคอนที่แนะนำการจัดเรียงของพื้น P-type และ N-type แบบสลับกันเพื่อเปลี่ยนการกระจายของสนามไฟฟ้า ทำให้เพิ่มความสามารถในการป้องกันแรงดันอย่างมากในขณะที่รักษาความต้านทานต่ำ

• การประยุกต์ใช้: ใช้ในอุปกรณ์ที่มีการจัดอันดับแรงดันระหว่าง 600 V ถึง 900 V ใช้ในด้านแรงดันต่ำหรือส่วนที่มีกำลังต่ำของ SST แต่ยังไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานแรงดันกลางโดยตรง

5. การเปรียบเทียบ

วิธีการแก้ปัญหาการจัดอันดับแรงดันของอุปกรณ์กึ่งตัวนำไฟฟ้าใน SST คืออะไร?

• วิธีการที่ปฏิบัติได้และน่าเชื่อถือที่สุดในปัจจุบันคือการใช้โทโพโลยีคอนเวอร์เตอร์หลายระดับ (โดยเฉพาะ Modular Multilevel Converters, MMC) หรือโครงสร้าง ISOP (input-series output-parallel) วิธีการเหล่านี้ ที่พึ่งพาอุปกรณ์บนพื้นฐานของซิลิคอนที่สุกงอม หลีกเลี่ยงข้อจำกัดเรื่องการจัดอันดับแรงดันของอุปกรณ์แต่ละชิ้นผ่านสถาปัตยกรรมระดับระบบที่ซับซ้อน

• วิธีการแก้ปัญหาในอนาคตอยู่ที่การสุกงอมและลดต้นทุนของอุปกรณ์กึ่งตัวนำวงจรแบนกว้างแรงดันสูง โดยเฉพาะ SiC เมื่อทำได้ SST สามาร