SST Gerilim Zorlukları: Topolojiler ve SiC Teknoloji

Katı Hal Dönüştürücüler (SST) için temel zorluklardan biri, tek bir güç yarıiletken cihazının voltaj derecesinin orta voltajlı dağıtım ağlarını (örneğin, 10 kV) doğrudan işlemek için çok yetersiz olmasıdır. Bu voltaj sınırlamasını çözmek, tek bir teknolojiye bağlı değildir, aksine "birleşik bir yaklaşım" gerektirir. Ana stratejiler iki tipe ayrılabilir: "iç" (cihaz düzeyinde teknolojik ve malzeme yenilikleri aracılığıyla) ve "dış işbirliği" (devre topolojisi aracılığıyla).

1. Dış İşbirliği: Devre Topolojisi Aracılığıyla Çözüm (Şu Anda En Yaygın ve Olgun Yaklaşım)
Şu anda orta-ve yüksek voltajlı, yüksek güçli uygulamalarda en güvenilir ve yaygın olarak kullanılan yaklaşımdır. Temel fikri "birlikte güç"—birden fazla cihazın seri bağlantıları veya modüler kombinasyonları ile yüksek voltajın paylaşılmasıdır.

1.1 Cihaz Seri Bağlantısı

 Prensip: Birden fazla anahtarlama cihazı (örneğin, IGBT'ler veya SiC MOSFET'ler) doğrudan seri olarak bağlanarak topluca yüksek voltajı dayanıklılık gösterir. Bu, birden fazla pilin serili bağlanması ile daha yüksek voltaj elde edilmesine benzerdir.

 Ana Zorluklar:

• Dinamik Voltaj Dağılımı: Cihazlar arasındaki küçük parametre farklılıkları (örneğin, anahtarlam hızı, jönkapasitans) nedeniyle, yüksek hızda anahtarlama sırasında voltaj cihazlar arasında eşit dağılmaz, bu da bir cihazda aşırı voltaj ve başarısızlığa yol açabilir.

• Çözümler: Sistem karmaşıklığını ve maliyetini artırarak, voltaj paylaşımını zorunlu kılmak için karmaşık aktif veya pasif voltaj dengeli devreler (örneğin, snubber devreleri, kapı kontrolü) gereklidir.

2. Çok Seviyeli Dönüştürücü Topolojileri (Bugün SST için Yaygın Seçim)

2.1 Prensip: Bu, daha ileri ve yüksek performanslı bir "modüler seri" kavramıdır. Birkaç voltaj seviyesi kullanarak sinüzoidal dalga formuna adım adım bir yaklaşım oluşturur, böylece her anahtarlama cihazı toplam DC bus voltajının sadece bir kısmını dayanırlar.

2.2 Yaygın Topolojiler:

• Modüler Çok Seviyeli Dönüştürücü (MMC): Orta-ve yüksek voltajlı SST'ler için en çok tercih edilen topolojilerden biridir. Sayısız özdeş alt modül (SM) serili olarak bağlantılıdır. Her alt modül genellikle bir kapasitör ve birkaç anahtarlama cihazı içerir. Cihazlar sadece alt modülün kapasitörünün voltajını dayanırlar, bu da voltaj stres sorununu etkili bir şekilde çözer. Avantajları modülerlik, ölçeklenebilirlik ve mükemmel çıkış dalga kalitesidir.

• Uç Kapasitör Çok Seviyeli Dönüştürücü (FCMC) ve Diyot Kilitli Çok Seviyeli Dönüştürücü (DNPC): Ayrıca yaygın olarak kullanılan çok seviyeli yapılar, ancak seviye sayısının artmasıyla yapısal ve kontrol açısından karmaşık hale gelirler.

• Avantajlar: Bireysel cihazların voltaj derecesi sınırlamasını temelden çözerek, çıkış voltaj dalga kalitesini önemli ölçüde iyileştirir ve filtre boyutunu azaltır.

3. Girdi-Seri Çıkış-Paralel (ISOP) Kademeli Yapı

• Prensip: Birden fazla tam, bağımsız güç dönüştürme birimi (örneğin, DAB, Dual Aktif Köprü) girdileri seri, çıkışları paralel olarak bağlanarak yüksek voltajı dayanmak ve yüksek akımı sağlamak üzere kullanılır. Bu, sistem düzeyinde bir modüler çözümdür.

• Avantajlar: Her birim düşük voltajlı standart bir modüldür, bu da tasarım, üretim ve bakım işlemlerini basitleştirir. Yüksek güvenilirlik (bir birimin başarısızlığı genel sistem işlemini durdurmez). SST'nin modüler tasarım felsefesi için son derece uygun.

4. İç Güçlendirme: Cihaz Düzeyinde Teknolojik Yenilik (Gelecekteki Gelişim Yönü)

Bu yaklaşım, malzeme bilimi ve yarıiletken fizik perspektifinden temelden sorunu ele alır.

4.1 Geniş Bant Aralıklı Yarıiletken Cihazların Kullanımı

Prensip: Silikon karbür (SiC) ve galium nitrit (GaN) gibi yeni nesil yarıiletken malzemeler, geleneksel silikon (Si) cihazlarına göre bir on kat daha yüksek kritik bozulma elektrik alanına sahiptir. Bu, aynı kalınlıkta SiC cihazlarının Si cihazlarına göre çok daha yüksek voltaj derecelerine ulaşabileceği anlamına gelir.
Avantajlar:

• Daha Yüksek Voltaj Derecesi: Tek bir SiC MOSFET şimdi kolayca 10 kV üzerinde voltaj derecelerine ulaşabilir, oysaki silikon IGBT'ler genellikle 6.5 kV altında sınırlıdır. Bu, SST topolojilerini basitleştirir (seri bağlantılı cihaz sayısını azaltır).

• Daha Yüksek Verimlilik: Geniş bant aralıklı cihazlar, daha düşük iletken direnç ve anahtarlama kayıpları sunarak SST'lerin daha yüksek frekansta çalışmasını sağlar, bu da manyetik bileşenlerin (dönüştürücüler, endüktörler) boyutunu ve ağırlığını önemli ölçüde azaltır.
  

• Durum: Yüksek voltajlı SiC cihazları şu anda SST araştırmasında popüler bir konu olup, gelecekteki SST tasarımlarında kilit bir teknoloji olarak kabul edilmektedir.

4. 2 Süper Jonsiyon Teknolojisi

• Prensip: Silikon tabanlı MOSFET'ler için gelişmiş bir tekniktir, P-tipi ve N-tipi direk bölgeleri alternatif olarak ekleyerek elektrik alan dağılımını değiştirerek voltaj blokeleme yeteneğini büyük ölçüde iyileştirirken düşük açık direnci korunur.

• Uygulama: Genellikle 600 V ile 900 V arasındaki voltaj derecelerindeki cihazlarda kullanılır. SST'lerin düşük voltajlı tarafında veya düşük güç bölümlerinde uygulanır, ancak doğrudan orta voltajlı uygulamalar için yeterli değildir.

5. Karşılaştırma

SST'lerde güç yarıiletken cihazların voltaj derecesi sınırlamalarını nasıl aşılabilir?

• Şu an için en pratik ve güvenilir çözüm, çok seviyeli dönüştürücü topolojilerini (özellikle Modüler Çok Seviyeli Dönüştürücü, MMC) veya kademeli giriş-seri çıkış-paralel (ISOP) yapılarını kullanmaktır. Bu yaklaşımlar, olgun silikon tabanlı cihazlara dayanarak, karmaşık sistem düzeyi mimariler aracılığıyla bireysel cihazların voltaj derecesi engelini aşar.

• Gelecekteki temel çözüm, özellikle silikon karbür (SiC) olan yüksek voltajlı geniş bant aralıklı yarıiletken cihazların olgunlaşması ve maliyet düşürülmesindedir. Gerçekleştirildiğinde, SST topolojileri önemli ölçüde basitleştirilebilir, verimlilik ve güç yoğunluğunun atlayıcı bir ilerlemesi sağlanabilir.

Gerçek SST araştırma ve geliştirme faaliyetlerinde, birçok teknoloji genellikle birleştirilir—örneğin, SiC cihazlarını kullanan bir MMC topolojisi—en iyi performans ve güvenilirlik için.