Виклики SST напруги: Топології та технологія SiC
Однією з ключових проблем твердотільних трансформаторів (SST) є те, що напруга одного елемента силової напівпровідникової пристрою значно недостатня для безпосереднього обслуговування мереж середнього напруги (наприклад, 10 кВ). Вирішення цього обмеження напруги не залежить від однієї технології, але використовує "комбінований підхід". Основні стратегії можна розбити на два типи: "внутрішні" (через інновації на рівні пристрою та матеріалів) та "зовнішнє співробітництво" (через топологію схем).
1. Зовнішнє співробітництво: Вирішення через топологію схем (сьогодні найбільш поширений та зрілий підхід)
Це зараз найнадійніший та найширше застосований підхід у застосуваннях середнього та високого напруги, високої потужності. Його основна ідея — "сила в єдності" — використання послідовних з'єднань або модульних комбінацій багатьох пристроїв для розподілу високої напруги.
1.1 Послідовне з'єднання пристроїв
Принцип: Багато переключальних пристроїв (наприклад, IGBT або SiC MOSFET) прямо з'єднуються в послідовність, щоб разом витримувати високу напругу. Це аналогічно з'єднанню декількох батарей в послідовність для досягнення вищої напруги.
Основні виклики:
Динамічний розподіл напруги: Через невеликі відмінності параметрів між пристроями (наприклад, швидкість переключення, ємність переходу), напруга не може бути рівномірно розподілена між пристроями під час швидкого переключення, що може призвести до перевищення напруги та виходу з ладу одного з пристроїв.
Рішення: Потрібні складні активні або пасивні схеми розподілу напруги (наприклад, гаснільні схеми, управління затвором), щоб забезпечити розподіл напруги, що збільшує складність системи та вартість.
2. Многорівневі топології конвертерів (основний вибір для SST сьогодні)
2.1 Принцип: Це більш прогресивна та високопродуктивна концепція "модульного ряду". Вона створює наближення синусоїди за допомогою багатьох рівнів напруги, так що кожен переключальний пристрій витримує лише частину загальної напруги DC-шини.
2.2 Поширені топології:
Модульний многорівневий конвертер (MMC): Одна з найбільш улюблених топологій для SST середнього та високого напругу. Він складається з численних однакових підмодулів (SM), з'єднаних в послідовність. Кожен підмодуль зазвичай включає конденсатор та кілька переключальних пристроїв. Пристрої витримують лише напругу конденсатора підмодуля, ефективно вирішуючи проблему напруженої стойкості. Переваги включають модульну структуру, масштабованість та відмінну якість вихідної форми сигналу.
Многорівневий конвертер з плавучими конденсаторами (FCMC) та многорівневий конвертер з діодним зажимом (DNPC): Також часто використовувані многорівневі структури, але стають структурно та з точки зору управління складнішими зі зростанням числа рівнів.
Переваги: Фундаментально вирішує обмеження напруги окремих пристроїв, значно покращує якість вихідної форми сигналу напруги та зменшує розмір фільтрів.
3. Послідовне входження паралельне виходження (ISOP) каскадна структура
Принцип: Кілька повних, незалежних одиниць перетворення енергії (наприклад, DAB, Дві Активні Мости) з'єднуються з послідовним входженням для витримання високої напруги та паралельним виходженням для надання високого струму. Це системний модульний розв'язок.
Переваги: Кожна одиниця — це стандартний модуль низької напруги, що спрощує проектування, виготовлення та обслуговування. Висока надійність (виходь з ладу однієї одиниці не порушує роботу загальної системи). Висока придатність для модульної філософії проектування SST.
4. Внутрішнє підсилення: Технологічні інновації на рівні пристрою (напрямок розвитку майбутнього)
Цей підхід фундаментально вирішує проблему з точки зору матеріалознавства та фізики напівпровідників.
4.1 Використання широкозонних напівпровідникових пристроїв
Принцип: Новітні напівпровідникові матеріали, такі як карбід кремнію (SiC) та галій нітрід (GaN), мають критичні напруженні поля, що на порядок вище, ніж традиційний кремній (Si). Це означає, що пристрої SiC можуть досягати набагато вищих класів напруги при тій самій товщині, ніж пристрої Si.
Переваги:
Вищий клас напруги: Однією пристроя SiC MOSFET тепер легко можна досягти класів напруги понад 10 кВ, тоді як кремнієві IGBT зазвичай обмежені нижче 6,5 кВ. Це дозволяє спростити топології SST (зменшити кількість послідовно з'єднаних пристроїв).
Вища ефективність: Широкозонні пристрої пропонують нижчу опір провідності та втрати переключення, що дозволяє SST працювати на вищих частотах, значно зменшуючи розмір та вагу магнітних компонентів (трансформаторів, індукторів).
Стан: Високонапівпровідникові пристрої SiC зараз є актуальною темою в дослідженнях SST і вважаються ключовою технологією для майбутніх революційних конструкцій SST.
4.2 Суперперехідна технологія
Принцип: Прогресивна техніка для кремнієвих MOSFET, що вводить чергові регіони стовпчиків P-типу та N-типу, щоб змінити розподіл електричного поля, значно покращуючи здатність блокувати напругу, при цьому зберігаючи низький опір при включені.
Застосування: Головним чином використовується в пристроях з класами напруги між 600 В та 900 В. Застосовується на стороні низької напруги або в секціях SST з нижчою потужністю, але все ще недостатньо для безпосередніх застосувань середньої напруги.
5. Порівняння
| Підхід розв'язання | Специфічний метод | Основний принцип | Переваги | Недоліки | Зрілість |
| Зовнішнє співробітництво | Послідовне з'єднання пристроїв | Багато пристроїв розподіляють напругу | Простий принцип, може бути реалізований швидко | Складний динамічний розподіл напруги, складне управління, високі вимоги до надійності | Зрілий |
| Многорівневий конвертер (наприклад, MMC) | Модульні підмодулі з'єднуються в послідовність, кожен модуль витримує низьку напругу | Модульний, легкий у розширенні, відмінна якість форми сигналу, висока надійність | Велика кількість підмодулів, складне управління, відносно висока вартість | Сьогоднішній головний / зрілий | |
| Каскадна структура (наприклад, ISOP) | Стандартні одиниці перетворення з'єднуються в послідовність на вході | Модульний, висока стійкість до аварій, простий дизайн | Потрібні кілька ізоляційних трансформаторів, об'єм системи може бути великим | Зрілий | |
| Внутрішні (інновації на рівні пристрою) | Широкозонні напівпровідники (SiC/GaN) | Матеріал сам по собі має високе напруженне поле розриву, і здатність витримувати напругу врожджена | Висока здатність витримувати напругу, висока ефективність, висока частота, спрощена топологія | Висока вартість, технології управління та захисту все ще розвиваються | Напрямок майбутнього / швидке розвиток |
| Технологія суперперехідів | Оптимізація внутрішнього розподілу електричного поля пристрою | Покращені характеристики по відношенню до традиційних пристроїв | Є верхній межа здатності витримувати напругу, важко впоратися з середньою напругою | Зрілий (використовується в низьковольтному сегменті) |
Як вирішити обмеження класів напруги силових напівпровідникових пристроїв в SST?
Найбільш практичним та надійним рішенням зараз є використання многорівневих топологій конвертерів (особливо модульних многорівневих конвертерів, MMC) або каскадних структур з послідовним входженням та паралельним виходженням (ISOP). Ці підходи, базуючись на зрілих кремнієвих пристроях, обходять обмеження класу напруги окремих пристроїв через складні системні архітектури.
Фундаментальним рішенням для майбутнього є досягнення зрілості та зниження вартості високонапівпровідникових пристроїв, особливо карбіду кремнію (SiC). Коли це буде реалізовано, топології SST можуть бути значно спрощені, що дозволить зробити великий крок уперед у ефективності та густині потужності.
У реальних дослідженнях та розробках SST часто поєднуються кілька технологій, наприклад, використовується топологія MMC з пристроями SiC, для досягнення оптимальної продуктивності та надійності.
